Phoenix Criminal Lawyer
сентября 5, 2009

 


 


Черная дыра образуется, когда определенное количество вещества сжато в сферу радиусом, равным радиусу Шварцшильда. Как мы узнали в гл. 6, это может, например, случиться, когда массивная звезда в конце своей жизни сколлапсирует под действием силы своего собственного гравитационного притяжения. Если в начале коллапса масса звезды (ее ядра или всего того, что от нее осталось) превышает 3 М0 (не исключено, что этот предел может быть и меньше), то пока нам неизвестна сила, которая в этом случае могла бы предотвратить неудержимое сжатие звезды— оно будет продолжаться до тех пор, пока все вещество звезды не окажется сосредоточенным в некоторой точке, называемой сингулярностью. В сингулярности вещество сжато до бесконечной плотности бесконечно большими гравитационными силами; иначе говоря, кривизна пространства-времени в сингулярности бесконечна. Однако современная физика пока еще не в состоянии оперировать бесконечными силами и плотностями; поэтому можно считать, что законы природы — в том смысле, как мы их понимаем — в сингулярности утрачивают силу. Что же касается вещества, из которого состояла сколлапсировавшая звезда, то, казалось бы, в сингулярности оно должно перестать существовать.

Высказывались предположения о наличии некой новой силы, препятствующей коллапсу вещества до истинно бесконечных значений плотности. Но пока эти предположения не имеют под собой никакой реальной основы. Гравитационное взаимодействие настолько слабо по сравнению с другими силами природы, что и квантовые эффекты—которые легко проявляются при других взаимодействиях—вряд ли могут быть существенными, когда речь идет о тяготении, разве что на очень коротких расстояниях—порядка планковской длины (10~35 м). Удовлетворительной квантовой теории гравитации пока не существует. Не исключено, что создание такой теории позволит доказать отсутствие в природе истинных сингулярно-стей, но на сегодняшний день мы считаем, что черная дыра (за исключением области в непосредственной близости от сингулярности) достаточно хорошо описывается общей теорией относительности и что вещество должно быть сжато в микроскопически малом объеме пространства в центре черной дыры.

Как только сколлапсировавшая звезда сжимается в сферу шварцшильдовского радиуса, она исчезает для наблюдателя, поскольку свет ее поверхности уже не может достичь нас. В этом случае мы говорим о формировании некоего горизонта, и все происходящее в пределах этого горизонта недоступно нашему наблюдению. Есть основания полагать, что там звезда продолжает коллапсировать в сингулярность, но мы в принципе не имеем возможности наблюдать этот процесс или каким-либо другим путем получать информацию о превращениях звездного вещества. Черная дыра, образовавшаяся в результате коллапса массивной звезды (рис. 31),— это сферический объем пространства, имеющий радиус, равный радиусу Шварцшильда, и сингулярность—в центре симметрии. Граница черной дыры носит название горизонта событий, так как никакие сведения о событиях внутри черной дыры не могут распространяться во Вселенной за пределами этого горизонта.

У черной дыры, разумеется, нет твердой поверхности. Если бы вам пришлось пересекать горизонт событий, то вы не заметили бы никаких изменений пространства; но, оказавшись внутри этой границы, вы уже не смогли бы двигаться назад и с неизбежностью упали бы на центральную сингулярность. Горизонт событий — это односторонняя граница. Все вещественные объекты, свет и любое другое излучение могут падать в черную дыру, но ничто не может покинуть ее’.

Если не в действительности, то по крайней мере в принципе почти любого количества вещества достаточно для формирования черной дыры. Каждой величине массы соответствует свое значение радиуса Шварцшильда, внутри кото- рого эта масса должна быть заключена (примеры приведены в табл. 2). Чтобы составить некоторое представление о величине радиуса Шварцшильда, укажем, что для Солнца он должен быть немного меньше 3 км; если вся масса Солнца окажется внутри сферы такого радиуса, то Солнце превратится в черную дыру. Нетрудно подсчитать, что при нынешнем радиусе Солнца (700 000 км) плотность его вещества, сжатого в сферу шварцшильдского радиуса, в 10 раз превысит плотность воды. Если бы какой-нибудь физик вдруг задумал сделать черную дыру из нашей планеты, то ему пришлось бы сжать Землю в сферу радиусом меньше / см!

1 В дальнейшем мы увидим, что описанная ситуация на самом деле не столь ясна.

Но при нынешнем состоянии Вселенной ни Солнце, ни Земля не могут сами по себе превратиться в черные дыры. Как мы уже видели, звезды, имеющие к концу своей жизни массу меньше 2—3 MQ, в основном становятся белыми карликами или нейтронными звездами. Однако известно много звезд, масса которых значительно превышает этот предел, и, хотя к концу своей эволюции звезды многими способами могут избавиться от излишков вещества, весьма вероятно, что некоторые из таких сверхмассивных звезд на последнем этапе своего существования все-таки становятся черными дырами.

Шварцшильдовский радиус звезды массой ЮМ© составляет примерно 30 км. Так как объем сферы пропорционален кубу радиуса, а радиус черной дыры зависит от ее массы, выходит, что плотность вещества, сжатого до размеров сферы Шварцшильда, имеет меньшее значение для звезд большей массы. Так, звезда массой ЮМ© в тот момент, когда в процессе коллапса ее радиус окажется равным радиусу Шварцшильда, будет иметь плотность всего лишь (!) в 10|4 раз выше плотности воды (т. е. 10′ кг/м3). В предыдущей главе мы узнали, что средняя плотность вещества нейтронных звезд составляет, по нашим представлениям, 10|8 кг/м3. Поскольку у нас нет сомнений в факте существования нейтронных звезд, то, очевидно, вещество может быть сжато до таких огромных значений плотности, а, как мы только что выяснили, плотность коллапсирующей массивной звезды в тот момент, когда она становится черной дырой, на порядок меньше плотности нейтронной звезды. Конечно, внутри черной дыры коллапс будет продолжаться до тех пор, пока плотность вещества не станет бесконечной, но, что бы ни происходило внутри, факт остается фактом: черные дыры могут образовываться из вещества с плотностью, заведомо меньшей плотности объектов, существование которых во Вселенной твердо установлено.

Развивая эту мысль дальше (см. табл. 2), находим, например, что черная дыра массой 10 М® будет иметь радиус около 300 млн. км (т. е. вдвое больше радиуса земной орбиты), а средняя плотность вещества при “уходе” его за горизонт событий окажется почти равной плотности воды. Черная дыра массой в несколько миллиардов масс Солнца в момент своего формирования будет иметь такую же плотность, как воздух у поверхности Земли. Стоит еще раз подчеркнуть, что если вещество объекта данной массы сжалось до сферы радиуса Шварцшильда, то уже ничто не в состоянии воспрепятствовать его бесконечному коллапсу; однако для формирования черной дыры никакого невероятного сжатия материи не требуется.

Во Вселенной, в принципе, можно обнаружить черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса звезд с массами от 2—3 до 100 М0, Сверхмассивные черные дыры, содержащие количества вещества, равные тысячам, миллионам или миллиардам солнечных масс, в настоящее время также могут существовать или формироваться во Вселенной. Высказывалось предположение, что если Вселенная действительно возникла в результате Большого взрыва из горячего и плотного протовещества, то на самых ранних стадиях ее эволюции могли существовать условия, в которых даже очень небольшие массы материи спрессовывались в так называемые черные мини-дыры. В черной дыре .размером с атомное ядро может содержаться масса средней земной горы, и вполне допустимо, что такие объекты существуют. Более подробно мы поговорим о черных макси- и мини-дырах в следующих главах, а пока лишь отметим, что интервал значений размеров и масс черных дыр чрезвычайно широк.

Вблизи горизонта событийВнутри черной дыры

В окрестности невращающейся шварцшильдовской черной дыры можно ожидать много любопытных эффектов. Исследуем черную дыру массой 10 MQ с помощью мысленного эксперимента: допустим, некий смельчак-астронавт решился совершить путешествие внутрь черной дыры, регулярно посылая— пока сможет — информацию о своем путешествии. Он, конечно, прекрасно понимает, что это путешествие в одну сторону, и тому, кто пересечет горизонт событий, не суждено вернуться обратно. Ну, а мы займем более осторожную позицию: будем наблюдать за происходящим с безопасного расстояния, подальше от черной дыры.

Одним из неприятных эффектов, которые испытывает на себе наш астронавт, приближаясь к дыре, будет воздействие приливных сил. Как мы узнали в гл. 3, приливные силы возникают в результате разности гравитационного воздействия на различные точки одного и того же протяженного тела. Стоя на поверхности Земли (и даже не принимая во внимание влияния Солнца и Луны), мы подвергаемся воздействию приливных эффектов, вызываемых самой нашей планетой. Если человек стоит прямо, то его ноги оказываются ближе к центру Земли, чем голова, и, следовательно, испытывают большую силу гравитационного притяжения. Правда, эти эффекты чрезвычайно малы, так что мы не только не замечаем их, но и не можем измерить без специальных сверхчувствительных приборов.

Однако вблизи горизонта событий черной дыры дело обстоит иначе. Когда вещество массой ЮМо сконцентрировано в сфере радиусом всего в 30 км, гравитационные силы при приближении к горизонту событий резко возрастают: вблизи горизонта астронавт должен испытывать примерно такое же действие приливных сил, как если бы он повис на мосту, уцепившись за перила, а за ноги его тянуло бы вниз все население Лондона или Нью-Йорка!

Непрерывно возрастающие гравитационные силы должны были бы растянуть нашего несчастного астронавта и разорвать его на куски, прежде чем он приблизится к горизонту событий; когда астронавт—или то, что от него останется,— пересечет сферу Шварцшильда, он продолжит падение к сингулярности, где и закончит свое существование. Единственное утешение в такой ситуации — это молниеносный конец. Падая со скоростью, близкой к скорости света, астронавт достигнет сингулярности через 10~4 с после пересечения горизонта событий.

На горизонте событий значительно более массивных черных дыр приливные силы существенно меньше. Фактически величина приливных сил вблизи горизонта событий обратно пропорциональна квадрату массы черной дыры, так что воздействие приливных сил на астронавта при его падении в черную дыру массой 20Мо будет в четыре раза слабее того, что испытает астронавт на границе черной дыры массой ЮМ©. Если, например, предположить, что человеческое тело в течение некоторого времени может выдерживать растягивающее напряжение, равное его десятикратному весу, то тогда астронавт сравнительно безболезненно сможет пересечь горизонт событий черной дыры массой ЮОООМ©. На горизонте событий черной дыры, в 100 млн. раз более массивной, чем Солнце, приливные эффекты окажутся не более заметны, чем те, которые мы испытываем на Земле под воздействием ее гравитационного поля; в такую дыру можно залететь, даже не заметив этого, хотя потом гибели в сингулярности уже не избежать.

Если астронавт, падающий в черную дыру, имеет в своем распоряжении передатчик, посылающий через равные промежутки времени (по часам астронавта) сигналы в виде импульсов излучения, то, с точки зрения астронавта, частота посылки сигналов все время остается неизменной. Мы же обнаружим совсем иную картину. Сначала промежутки времени между регистрируемыми на Земле сигналами будут постоянными и равными тем, что астронавт измеряет по своим часам. Однако по мере приближения астронавта к горизонту событий различие во времени между двумя последовательными сигналами становится все более заметным: интервалы времени между сигналами, измеренные по нашим часам, увеличиваются. Иначе говоря, мы замечаем, что часы астронавта начинают отставать в результате эффекта замедления времени. Чем глубже погружается астронавт в гравитационное поле дыры, тем более существенным становится этот эффект (рис. 32), пока, наконец, на самом горизонте событий часы астронавта, с нашей точки зрения, совсем не остановятся. Иначе говоря, мы обнаружим, что для достижения горизонта событий астронавту требуется бесконечное время, и, кажется, будь у нас достаточно мощный телескоп, мы могли бы разглядеть навек застывшее над границей черной дыры изуродованное тело нашего несчастного смельчака.

Но астронавт все воспринимает иначе. Его часы — и любое другое устройство для локального измерения»времени, атом ные, биологические или какие угодно другие часы — показывают, что время, как оОычно, идет “сплошным равномерным потоком”. Астронавт пересекает горизонт событий и погружается в сингулярность в считанные доли секунды, и это для него — вполне реальное, ощущаемое и последнее событие. Но тем не менее мы приходим к выводу, что он никогда не пересечет горизонта событий.

Кто прав? И астронавт, и мы — и в то же время никто. Согласно наблюдениям из нашей системы отсчета, правы мы; точно так же в своей падающей на черную дыру системе отсчета прав астронавт. Во Вселенной нет абсолютного стандарта времени: оба наблюдателя в равной степени имеют право на свою точку зрения.

Но почему аналогичные рассуждения не применить прежде всего к самой коллапсирующей звезде, находящейся в процессе формирования черной дыры? Если бы мы могли наблюдать коллапс звезды, то заметили бы, что он постепенно, но все быстрее замедляется и прекращается как раз на сфере шварцшильдовского радиуса; застывшая, так и не сжавшаяся до конца звезда (“почти черная дыра”) — вот и все, что мы могли бы наблюдать начиная с этого момента. Однако в действительности этого не происходит. Дело в том, что здесь в игру вступает второй релятивистский эффект, тесно связанный с замедлением времени,— гравитационное красное смещение. По существу гравитационное красное смещение и замедление времени, как две стороны одной медали,— два проявления одного и того же физического эффекта. Вблизи горизонта событий величина красного смещения достигает огромных значений. По мере приближения размера коллапсирующей звезды к соответствующему ей радиусу Шварцшильда длина волны испускаемого с ее поверхности света непрерывно увеличивается, излучение “сдвигается” в длинноволновую, красную, область спектра, естественно становясь при этом все слабее. Частота излучения быстро падает, и, наконец, наступает момент, когда интервал времени между последним и предпоследним волновыми гребнями, приходящими к наблюдателю, становится бесконечно большим. В результате коллапсирующая звезда (или падающий в черную дыру астронавт) по достижении горизонта событий моментально исчезает из поля зрения.

Если послать другого астронавта для проверки, пересек ли первый горизонт событий, то второй астронавт никогда не сможет догнать первого. Первый астронавт упал в черную дыру раньше, и второй, по его собственным часам, также очень быстро погрузится туда, полностью разделив участь первого. Таким образом, у нас есть основания считать, что черные дыры действительно должны образовываться, кол-лапсирующие звезды должны пропадать из вида, а падающие в черные дыры астронавты на самом деле должны исчезать в них. В какой бы системе отсчета мы ни производили наблюдения, никаких других результатов мы не получим.

 

Мы не можем наблюдать внутренность черной дыры, находясь вне ее. Хотя падающий в черную дыру астронавт и может в принципе производить наблюдения внутри нее, особенно если он выбрал для исследования сверхмассивную черную дыру, где в его распоряжении будет несколько часов и даже дней, прежде чем приливные силы приведут его к гибели, но он не может передавать нам информацию, не используя (запрещенных!) сверхсветовых сигналов. И тем не менее мы убеждены, что общая теория относительности в состоянии правильно описать все происходящее внутри чер ной дыры, за исключением, может быть, самой сингулярности’.

В главе 4 для описания пространства-времени мы использовали специальную диаграмму. Один из вариантов такой диаграммы предложил профессор Оксфордского университета Роджер Пенроуз; с помощью диаграммы Пенроуза на одном листе бумаги можно изобразить и саму черную дыру, и всю остальную часть Вселенной.

Любая карта предполагает некоторое искажение; например, в известной проекции Меркатора, используемой при составлении карт Земли, только близкая к экватору область земного шара изображается на карте довольно точно, но, чем дальше к полюсу, тем сильнее искажения. Метод отображений, предложенный Пенроузом (называемый конформным отображением), позволяет получить картину пространства-времени шварцшильдовской черной дыры в таком виде, как показано на рис. 33. Все внешнее по отношению к черной дыре пространство-время изображено в правом секторе диаграммы, а линии, ограничивающие диаграмму справа, соответствуют бесконечно удаленным областям пространства-времени, протянувшимся из бесконечного прошлого (нижняя линия) в бесконечное будущее (верхняя линия). Горизонт событий изображают линии, наклоненные к вертикали (направление времени) под углом 45°. В пространственно-временных диаграммах, с которыми мы встречались раньше, эти линии соответствовали траекториям световых лучей. Мировые линии более медленных частиц имеют наклон меньше 45° (т. е. эти частицы движутся по временноподобным линиям). Поскольку луч света, направленный от горизонта событий наружу, остается все время на постоянном расстоянии от сингулярности, хотя падающий в черную дыру наблюдатель продолжает считать, что луч пролетает мимо него со скоростью света (стремится вверх, но остается на месте), то есть смысл изобразить горизонт событий линиями, имеющими именно такой наклон. Сингулярность изображается горизонтальной линией, ограничивающей диаграмму сверху; сингулярность пространственноподобна.

Частица, падающая на черную дыру, должна двигаться по временноподобной мировой линии, поскольку движение со сверхсветовыми скоростями, согласно теории, невозможно.

1 Это подтверждается, в частности, тем, что на своем пути к сингулярности падающий в черную дыру астронавт нигде не превышает локально измеренную скорость света. Согласно же теории Ньютона, астронавт должен испытывать все возрастающее ускорение, и поэтому он упадет на сингулярность с бесконечно большой скоростью, безусловно превышающей скорость света.

Из диаграммы ясно: ничто попавшее в черную дыру не может избежать падения на центральную сингулярность, поскольку даже внутри дыры частицы должны следовать по линиям, наклоненным к вертикали под углом меньшим 45°. При этом внутри черной дыры, сразу за горизонтом событий, происходят фундаментальные изменения характера пространства-времени. Если во внешнем пространстве тела свободны двигаться в произвольном направлении, то внутри черной дыры допустимо единственное движение — к сингулярности и разрушению в ней.

В заключение отметим, что диаграмма Пенроуза симметрична; это означает существование второй такой же вселенной по “другую сторону” от черной дыры. Решения уравнений, описывающих пространство-время в окрестности шварц-шильдовской черной дыры, обладают определенной симметрией, которая указывает на то, что дыра может связывать нашу Вселенную с другим, аналогичным миром.

Имеет ли этот “другой мир” физический смысл или это чисто математическое следствие решения уравнений поля? . В случае шварцшильдовской черной дыры этот вопрос носит чисто гипотетический характер; мы не можем проникнуть в “ДРУГУЮ вселенную” — послать туда или получить оттуда какой-либо сигнал. Все, что попадает в черную дыру, исчезает в сингулярности. Для совершения путешествия из нашей в другую вселенную или оттуда в наш мир потребуются сверхсветовые скорости, недопустимые, согласно теории относительности. Поэтому представление о второй вселенной интересно лишь с математической точки зрения. Тем не менее, возможность взаимосвязи между двумя мирами через черную дыру, так называемый мост Эйнштейна — Розена (или “кротовая нора”), привлекла к себе пристальное внимание ученых. Возникла мысль, что этот мост связывает не разные миры, а две точки одного—нашей Вселенной. Но даже если это и так, путешествовать между ними в пространстве-времени с помощью шварцшильдовских черных дыр мы не сможем, поскольку при этом нам не избежать сингулярности.

1 Часто встречаются математические задачи, имеющие два решения, одно из которых имеет физическое толкование, а второе приходится отбрасывать как бессмысленное. Примером может служить извлечение квадратного корня из числа; например, корень из 64 может быть равен как +8, так и -8. Вспомним третий закон Кеплера: расстояние от Солнца а (а. е.) и орбитальный период Р (годы) для любой планеты связаны соотношением Р2 = а3. Если Р2=43=64, то период определяется как корень квадратный из 64. Безусловно, мы считаем период равным 8, а не -8 годам.

Что же касается самой сингулярности, то мы знаем о ней слишком мало: известные нам физические законы отказывают, когда речь идет о бесконечной плотности вещества и бесконечных силах тяготения. Пенроуз и другие ученые убедительно показали, что коллапс большой массы вещества неизбежно завершается образованием сингулярности и что, по крайней мере в случае сферически симметричного коллапса, непременно возникает горизонт событий, скрывающий эту сингулярность от внешнего наблюдателя. Сингулярность представляет собой такую область пространства, где известные нам законы природы не выполняются, и поэтому мы не можем предсказать, как там развиваются события и каковы их результаты. Если бы сингулярность можно было наблюдать непосредственно, т. е. если бы существовала так называемая голая сингулярность, то мы лишились бы и тех небольших возможностей предсказывать развитие событий во Вселенной, которые ныне нам доступны: ход наших рассуждений был бы запутан непредсказуемым поведением сингулярности. Но поскольку сингулярности “прячутся” за горизонтами событий, что бы в них ни происходило, это никак не отражается на находящейся вне горизонта событий наблюдаемой части Вселенной. Если сингулярности действительно ненаблюдаемы, то сам факт их существования можно во внимание не принимать.

Не столь ясен вопрос о том, обязательно ли формируется горизонт событий вокруг всякого коллапсирующего тела. Не вызывает сомнений образование такого горизонта в процессе коллапса сферически симметричной массы, в результате которого возникает невращающаяся черная дыра, но коллапс несферических или очень протяженных объектов ставит в этой связи ряд проблем. Многие ученые разделяют гипотезу Пенроуза о так называемой космической цензуре, согласно

которой Вселенная устроена так, что сингулярности всегда образуются только в пределах горизонта событий; однако справедливость этой гипотезы пока не имеет строгого доказательства, за исключением простейшего и несколько идеализированного случая сферического коллапса.

Внутри черной дыры гравитация доминирует над всеми другими силами, но если космическая цензура все-таки есть, то мы никогда не сможем наблюдать последствий этой преобладающей роли тяготения в экстремальной точке — центральной сингулярности.

 

Комментировать