Что происходит в центре черной дыры. Какие бывают и как образуются черные дыры. Черные дыры и предел делимости материи

Большинство людей смутно или неправильно представляют себе, что такое чёрные дыры. Между тем, это настолько глобальные и мощные объекты Вселенной, по сравнению с которыми наша Планета и вся наша жизнь - ничто.

Сущность

Это космический объект, обладающий настолько огромной гравитацией, что поглощает всё, что попадёт в его пределы. По сути, чёрная дыра - это объект, который не выпускает даже свет и искривляет пространство-время. Даже время возле чёрных дыр течёт медленнее.

На самом деле, существование чёрных дыр - это только теория (и немного практики). У учёных есть предположения и практические наработки, но плотно изучить чёрные дыры пока не удалось. А потому чёрными дырами называют условно все объекты, подходящие под данное описание. Чёрные дыры мало изучены, а потому очень много вопросов остаются нерешёнными.

У любой чёрной дыры есть горизонт событий - та граница, после которой ничто уже не сможет выбраться. Более того, чем ближе объект находится к чёрной дыре, тем он медленнее движется.

Образование

Существует несколько видов и способов образования чёрных дыр:
- образование чёрных дыр в результате образования Вселенной. Такие чёрные дыры появились сразу после Большого Взрыва.
- умирающие звёзды. Когда звезда теряет свою энергию и термоядерные реакции прекращаются - звезда начинает сжиматься. В зависимости от степени сжатия, выделяют нейтронные звёзды, белые карлики и, собственно, чёрные дыры.
- получение с помощью эксперимента. Например, в коллайдере можно создать квантовую чёрную дыру.

Версии

Многие учёные склонны к мнению, что чёрные дыры всю поглощённую материю выбрасывают в другом месте. Т.е. должны существовать «белые дыры», которые действуют по иному принципу. Если в чёрную дыру можно попасть, но нельзя выбраться, то в белую дыру, наоборот, не попасть. Главный аргумент учёных - это зафиксированные в космосе резкие и мощные выплески энергии.

Сторонники теории струн вообще создали свою модель чёрной дыры, которая не уничтожает информацию. Их теория называется «Fuzzball» - она позволяет ответить на вопросы, связанные с сингулярностью и исчезновением информации.

Что такое сингулярность и исчезновение информации? Сингулярность - это такая точка в пространстве, характеризующаяся бесконечным давлением и плотностью. Многих смущает факт сингулярности, ведь физики не могут работать с бесконечными числами. Многие уверены, что сингулярность в чёрной дыре есть, но её свойства описываются весьма поверхностно.

Если говорить простым языком, то все проблемы и недопонимание выходит из соотношения квантовой механики и гравитации. Пока учёные не могут создать теорию, объединяющую их. А потому и возникают проблемы с чёрной дырой. Ведь чёрная дыра вроде как уничтожает информацию, но при этом нарушаются основы квантовой механики. Хотя совсем недавно С.Хокинг, вроде бы, решил данный вопрос, заявив что информация в чёрных дырах всё-таки не уничтожается.

Стереотипы

Во-первых, чёрные дыры не могут существовать бесконечно долго. А всё благодаря испарению Хокинга. А потому не нужно думать, что чёрные дыры рано или поздно поглотят Вселенную.

Во-вторых, наше Солнце не станет чёрной дырой. Так как массы нашей звезды будет недостаточно. Наше солнце скорее превратится в белого карлика (и то не факт).

В-третьих, Большой Адронный Коллайдер не уничтожит нашу Землю, создав чёрную дыру. Даже если они специально создадут чёрную дыру и «выпустят» её, то из-за её малых размеров, она будет поглощать нашу планету очень и очень долго.

В-четвёртых, не нужно думать, что чёрная дыра - это «дыра» в космосе. Чёрная дыра - это сферический объект. Отсюда большинство мнений, что чёрные дыры ведут в параллельную Вселенную. Однако этот факт пока ещё не удалось доказать.

В-пятых, чёрная дыра не имеет цвета. Её обнаруживают либо по рентгеновскому излучению, либо на фоне других галактик и звёзд (эффект линзы).

Из-за того, что люди часто путают чёрные дыры с червоточинами (которые на самом деле существуют), то среди обычных людей данные понятия не различаются. Червоточина и вправду позволяет перемещаться в пространстве и времени, но пока только в теории.

Сложные вещи простым языком

Сложно описывать такой феномен как чёрная дыра простым языком. Если вы считаете себя технарём, разбирающимся в точных науках, то советую почитать труды учёных непосредственно. Если же вы хотите узнать об этом феномене больше, то почитайте труды Стивена Хокинга. Он многое сделал для науки, и особенно в сфере чёрных дыр. Именно в честь него названо испарение чёрных дыр. Он является сторонником педагогического подхода, а потому все его труды будут понятны даже обычному человек.

Книги:
- «Чёрные дыры и молодые Вселенные» 1993 года.
- «Мир в ореховой скорлупке 2001» года.
- «Кратчайшая история Вселенной 2005» года.

Особенно хочу порекомендовать его научно-популярные фильмы, которые расскажут вам понятным языком не только о чёрных дырах, но и о Вселенной вообще:
- «Вселенная Стивена Хокинга» - сериал из 6 эпизодов.
- «Вглубь Вселенной со Стивеном Хокингом» - сериал из 3 эпизодов.
Все эти фильмы переведены на русский язык, их часто показываются на каналах Discovery.

Спасибо за внимание!

Последние советы раздела «Наука & Техника»:

Вам помог этот совет? Вы можете помочь проекту, пожертвовав на его развитие любую сумму по своему усмотрению. Например, 20 рублей. Или больше:)

Научное мышление подчас конструирует объекты со столь парадоксальными свойствами, что даже самые проницательные ученые поначалу отказывают им в признании. Самый наглядный пример в истории новейшей физики — многолетнее отсутствие интереса к черным дырам, экстремальным состояниям гравитационного поля, предсказанным почти 90 лет назад. Долгое время их считали чисто теоретической абстракцией, и лишь в 1960-70-е годы уверовали в их реальность. Однако основное уравнение теории черных дыр было выведено свыше двухсот лет назад.

Озарение Джона Мичелла

Имя Джона Мичелла, физика, астронома и геолога, профессора Кембриджского университета и пастора англиканской церкви, совершенно незаслуженно затерялось среди звезд английской науки XVIII века. Мичелл заложил основы сейсмологии — науки о землетрясениях, выполнил превосходное исследование магнетизма и задолго до Кулона изобрел крутильные весы, которые использовал для гравиметрических измерений. В 1783 году он попытался объединить два великих творения Ньютона — механику и оптику. Ньютон считал свет потоком мельчайших частиц. Мичелл предположил, что световые корпускулы, как и обычная материя, подчиняются законам механики. Следствие из этой гипотезы оказалось весьма нетривиальным — небесные тела могут превратиться в ловушки для света.

Как рассуждал Мичелл? Пушечное ядро, выстреленное с поверхности планеты, полностью преодолеет ее притяжение, лишь если его начальная скорость превысит значение, называемое теперь второй космической скоростью и скоростью убегания. Если гравитация планеты столь сильна, что скорость убегания превышает скорость света, выпущенные в зенит световые корпускулы не смогут уйти в бесконечность. Это же произойдет и с отраженным светом. Следовательно, для очень удаленного наблюдателя планета окажется невидимой. Мичелл вычислил критическое значение радиуса такой планеты R кр в зависимости от ее массы М, приведенной к массе нашего Солнца M s: R кр = 3 км x M/M s .

Джон Мичелл верил своим формулам и предполагал, что глубины космоса скрывают множество звезд, которые с Земли нельзя разглядеть ни в один телескоп. Позже к такому же выводу пришел великий французский математик, астроном и физик Пьер Симон Лаплас, включивший его и в первое (1796), и во второе (1799) издания своего «Изложения системы мира». А вот третье издание вышло в свет 1808 году, когда большинство физиков уже считало свет колебаниями эфира. Существование «невидимых» звезд противоречило волновой теории света, и Лаплас счел за лучшее о них просто не упоминать. В последующие времена эту идею считали курьезом, достойным изложения лишь в трудах по истории физики.

Модель Шварцшильда

В ноябре 1915 года Альберт Эйнштейн опубликовал теорию гравитации, которую он назвал общей теорией относительности (ОТО). Эта работа сразу же нашла благодарного читателя в лице его коллеги по Берлинской Академии наук Карла Шварцшильда. Именно Шварцшильд первым в мире применил ОТО для решения конкретной астрофизической задачи, расчета метрики пространства-времени вне и внутри невращающегося сферического тела (для конкретности будем называть его звездой).

Из вычислений Шварцшильда следует, что тяготение звезды не слишком искажает ньютоновскую структуру пространства и времени лишь в том случае, если ее радиус намного больше той самой величины, которую вычислил Джон Мичелл! Этот параметр сначала называли радиусом Шварцшильда, а сейчас именуют гравитационным радиусом. Согласно ОТО, тяготение не влияет на скорость света, но уменьшает частоту световых колебаний в той же пропорции, в которой замедляет время. Если радиус звезды в 4 раза превосходит гравитационный радиус, то поток времени на ее поверхности замедляется на 15%, а пространство приобретает ощутимую кривизну. При двукратном превышении оно искривляется сильнее, а время замедляет свой бег уже на 41%. При достижении гравитационного радиуса время на поверхности звезды полностью останавливается (все частоты зануляются, излучение замораживается, и звезда гаснет), однако кривизна пространства там все еще конечна. Вдали от светила геометрия по-прежнему остается евклидовой, да и время не меняет своей скорости.

Несмотря на то что значения гравитационного радиуса у Мичелла и Шварцшильда совпадают, сами модели не имеют ничего общего. У Мичелла пространство и время не изменяются, а свет замедляется. Звезда, размеры которой меньше ее гравитационного радиуса, продолжает светить, однако видна она только не слишком удаленному наблюдателю. У Шварцшильда же скорость света абсолютна, но структура пространства и времени зависит от тяготения. Провалившаяся под гравитационный радиус звезда исчезает для любого наблюдателя, где бы он ни находился (точнее, ее можно обнаружить по гравитационным эффектам, но отнюдь не по излучению).

От неверия к утверждению

Шварцшильд и его современники полагали, что столь странные космические объекты в природе не существуют. Сам Эйнштейн не только придерживался этой точки зрения, но и ошибочно считал, что ему удалось обосновать свое мнение математически.

В 1930-е годы молодой индийский астрофизик Чандрасекар доказал, что истратившая ядерное топливо звезда сбрасывает оболочку и превращается в медленно остывающий белый карлик лишь в том случае, если ее масса меньше 1,4 масс Солнца. Вскоре американец Фриц Цвикки догадался, что при взрывах сверхновых возникают чрезвычайно плотные тела из нейтронной материи; позднее к этому же выводу пришел и Лев Ландау. После работ Чандрасекара было очевидно, что подобную эволюцию могут претерпеть только звезды с массой больше 1,4 масс Солнца. Поэтому возник естественный вопрос — существует ли верхний предел массы для сверхновых, которые оставляют после себя нейтронные звезды?

В конце 30-х годов будущий отец американской атомной бомбы Роберт Оппенгеймер установил, что такой предел действительно имеется и не превышает нескольких солнечных масс. Дать более точную оценку тогда не было возможности; теперь известно, что массы нейтронных звезд обязаны находиться в интервале 1,5-3 M s . Но даже из приблизительных вычислений Оппенгеймера и его аспиранта Джорджа Волкова следовало, что самые массивные потомки сверхновых не становятся нейтронными звездами, а переходят в какое-то другое состояние. В 1939 году Оппенгеймер и Хартланд Снайдер на идеализированной модели доказали, что массивная коллапсирующая звезда стягивается к своему гравитационному радиусу. Из их формул фактически следует, что звезда на этом не останавливается, однако соавторы воздержались от столь радикального вывода.

Окончательный ответ был найден во второй половине XX века усилиями целой плеяды блестящих физиков-теоретиков, в том числе и советских. Оказалось, что подобный коллапс всегда сжимает звезду «до упора», полностью разрушая ее вещество. В результате возникает сингулярность, «суперконцентрат» гравитационного поля, замкнутый в бесконечно малом объеме. У неподвижной дыры это точка, у вращающейся — кольцо. Кривизна пространства-времени и, следовательно, сила тяготения вблизи сингулярности стремятся к бесконечности. В конце 1967 года американский физик Джон Арчибальд Уилер первым назвал такой финал звездного коллапса черной дырой. Новый термин полюбился физикам и привел в восторг журналистов, которые разнесли его по всему миру (хотя французам он сначала не понравился, поскольку выражение trou noir наводило на сомнительные ассоциации).

Там, за горизонтом

Черная дыра — это не вещество и не излучение. С некоторой долей образности можно сказать, что это самоподдерживающееся гравитационное поле, сконцентрированное в сильно искривленной области пространства-времени. Ее внешняя граница задается замкнутой поверхностью, горизонтом событий. Если звезда перед коллапсом не вращалась, эта поверхность оказывается правильной сферой, радиус которой совпадает с радиусом Шварцшильда.

Физический смысл горизонта очень нагляден. Световой сигнал, посланный с его внешней окрестности, может уйти на бесконечно далекую дистанцию. А вот сигналы, отправленные из внутренней области, не только не пересекут горизонта, но и неизбежно «провалятся» в сингулярность. Горизонт — это пространственная граница между событиями, которые могут стать известны земным (и любым иным) астрономам, и событиями, информация о которых ни при каком раскладе не выйдет наружу.

Как и положено «по Шварцшильду», вдали от горизонта притяжение дыры обратно пропорционально квадрату расстояния, поэтому для удаленного наблюдателя она проявляет себя как обычное тяжелое тело. Кроме массы, дыра наследует момент инерции коллапсировшей звезды и ее электрический заряд. А все остальные характеристики звезды-предшественницы (структура, состав, спектральный класс и т. п.) уходят в небытие.

Отправим к дыре зонд с радиостанцией, подающей сигнал раз в секунду по бортовому времени. Для удаленного наблюдателя по мере приближения зонда к горизонту интервалы времени между сигналами будут увеличиваться — в принципе, неограниченно. Как только корабль пересечет невидимый горизонт, он полностью замолчит для «наддырного» мира. Однако это исчезновение не окажется бесследным, поскольку зонд отдаст дыре свою массу, заряд и вращательный момент.

Чернодырное излучение

Все предыдущие модели были построены исключительно на основе ОТО. Однако наш мир управляется законами квантовой механики, которые не обходят вниманием и черные дыры. Эти законы не позволяют считать центральную сингулярность математической точкой. В квантовом контексте ее поперечник задается длиной Планка—Уилера, приблизительно равной 10 -33 сантиметра. В этой области обычное пространство перестает существовать. Принято считать, что центр дыры нафарширован разнообразными топологическими структурами, которые появляются и погибают в соответствии с квантовыми вероятностными закономерностями. Свойства подобного пузырящегося квазипространства, которое Уилер назвал квантовой пеной, еще мало изучены.

Наличие квантовой сингулярности имеет прямое отношение к судьбе материальных тел, падающих вглубь черной дыры. При приближении к центру дыры любой объект, изготовленный из ныне известных материалов, будет раздавлен и разорван приливными силами. Однако даже если будущие инженеры и технологи создадут какие-то сверхпрочные сплавы и композиты с невиданными ныне свойствами, все они все равно обречены на исчезновение: ведь в зоне сингулярности нет ни привычного времени, ни привычного пространства.

Теперь рассмотрим в квантовомеханическую лупу горизонт дыры. Пустое пространство — физический вакуум — на самом деле отнюдь не пусто. Из-за квантовых флуктуаций различных полей в вакууме непрерывно рождается и погибает множество виртуальных частиц. Поскольку тяготение около горизонта весьма велико, его флуктуации создают чрезвычайно сильные гравитационные всплески. При разгоне в таких полях новорожденные «виртуалы» приобретают дополнительную энергию и подчас становятся нормальными долгоживущими частицами.

Виртуальные частицы всегда рождаются парами, которые движутся в противоположных направлениях (этого требует закон сохранения импульса). Если гравитационная флуктуация извлечет из вакуума пару частиц, может случиться так, что одна из них материализуется снаружи горизонта, а вторая (античастица первой) — внутри. «Внутренняя» частица провалится в дыру, а вот «внешняя» при благоприятных условиях может уйти. В результате дыра превращается в источник излучения и поэтому теряет энергию и, следовательно, массу. Поэтому черные дыры в принципе не стабильны.

Этот феномен называется эффектом Хокинга, в честь замечательного английского физика-теоретика, который его открыл в середине 1970-х годов. Стивен Хокинг, в частности, доказал, что горизонт черной дыры излучает фотоны точно так же, как и абсолютно черное тело, нагретое до температуры T = 0,5 x 10 -7 x M s /M. Отсюда следует, что по мере похудания дыры ее температура возрастает, а «испарение», естественно, усиливается. Этот процесс чрезвычайно медленный, и время жизни дыры массы M составляет около 10 65 x (M/M s) 3 лет. Когда ее размер становится равным длине Планка—Уилера, дыра теряет стабильность и взрывается, выделяя ту же энергию, что и одновременный взрыв миллиона десятимегатонных водородных бомб. Любопытно, что масса дыры в момент ее исчезновения все еще довольно велика, 22 микрограмма. Согласно некоторым моделям, дыра не исчезает бесследно, а оставляет после себя стабильный реликт такой же массы, так называемый максимон.

Максимон родился 40 лет назад — как термин и как физическая идея. В 1965 году академик М. А. Марков предположил, что существует верхняя граница массы элементарных частиц. Он предложил считать этим предельным значением величину размерности массы, которую можно скомбинировать из трех фундаментальных физических констант — постоянной Планка h, скорости света C и гравитационной постоянной G (для любителей подробностей: для этого надо перемножить h и C, разделить результат на G и извлечь квадратный корень). Это те самые 22 микрограмма, о которых говорится в статье, эту величину называют планковской массой. Из тех же констант можно сконструировать величину с размерностью длины (выйдет длина Планка—Уилера, 10 -33 см) и с размерностью времени (10 -43 сек).
Марков пошел в своих рассуждениях и дальше. Согласно его гипотезе, испарение черной дыры приводит к образованию «сухого остатка» — максимона. Марков назвал такие структуры элементарными черными дырами. Насколько эта теория отвечает реальности, пока что вопрос открытый. Во всяком случае, аналоги марковских максимонов возрождены в некоторых моделях черных дыр, выполненных на базе теории суперструн.

Глубины космоса

Черные дыры не запрещены законами физики, но существуют ли они в природе? Совершенно строгие доказательства наличия в космосе хоть одного подобного объекта пока не найдены. Однако весьма вероятно, что в некоторых двойных системах источниками рентгеновского излучения являются черные дыры звездного происхождения. Это излучение должно возникать вследствие отсасывания атмосферы обычной звезды гравитационным полем дыры-соседки. Газ во время движения к горизонту событий сильно нагревается и испускает рентгеновские кванты. Не меньше двух десятков рентгеновских источников сейчас считаются подходящими кандидатами на роль черных дыр. Более того, данные звездной статистики позволяют предположить, что только в нашей Галактике существует около десяти миллионов дыр звездного происхождения.

Черные дыры могут формироваться и в процессе гравитационного сгущения вещества в галактических ядрах. Так возникают исполинские дыры с массой в миллионы и миллиарды солнечных, которые, по всей вероятности, имеются во многих галактиках. Судя по всему, в закрытом пылевыми облаками центре Млечного Пути прячется дыра с массой 3-4 миллиона масс Солнца.

Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры произвольной массы могли рождаться и сразу после Большого Взрыва, давшего начало нашей Вселенной. Первичные дыры массой до миллиарда тонн уже испарились, но более тяжелые могут и сейчас скрываться в глубинах космоса и в свой срок устроивать космический фейерверк в виде мощнейших вспышек гамма-излучения. Однако до сих пор такие взрывы ни разу не наблюдались.

Фабрика черных дыр

А нельзя ли разогнать частицы в ускорителе до столь высокой энергии, чтобы их столкновение породило черную дыру? На первый взгляд, эта идея просто безумна — взрыв дыры уничтожит все живое на Земле. К тому же она технически неосуществима. Если минимальная масса дыры действительно равна 22 микрограммам, то в энергетических единицах это 10 28 электронвольт. Этот порог на 15 порядков превышает возможности самого мощного в мире ускорителя, Большого адронного коллайдера (БАК), который будет запущен в ЦЕРНе в 2007 году.

Однако не исключено, что стандартная оценка минимальной массы дыры значительно завышена. Во всяком случае, так утверждают физики, разрабатывающие теорию суперструн, которая включает в себя и квантовую теорию гравитации (правда, далеко не завершенную). Согласно этой теории, пространство имеет не три измерения, а не менее девяти. Мы не замечаем дополнительных измерений, поскольку они закольцованы в столь малых масштабах, что наши приборы их не воспринимают. Однако гравитация вездесуща, она проникает и в скрытые измерения. В трехмерном пространстве сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, а в девятимерном — восьмой степени. Поэтому в многомерном мире напряженность гравитационного поля при уменьшении дистанции возрастает намного быстрее, нежели в трехмерном. В этом случае планковская длина многократно увеличивается, а минимальная масса дыры резко падает.

Теория струн предсказывает, что в девятимерном пространстве может родиться черная дыра с массой всего лишь в 10 -20 г. Примерно такова же и расчетная релятивистская масса протонов, разогнанных в церновском суперускорителе. Согласно наиболее оптимистическому сценарию, он сможет ежесекундно производить по одной дыре, которая проживет около 10 -26 секунд. В процессе ее испарения будут рождаться всевозможные элементарные частицы, которые будет несложно зарегистрировать. Исчезновение дыры приведет к выделению энергии, которой не хватит даже для того, чтобы нагреть одним микрограмм воды на тысячную градуса. Поэтому есть надежда, что БАК превратится в фабрику безвредных черных дыр. Если эти модели верны, то такие дыры смогут регистрировать и орбитальные детекторы космических лучей нового поколения.

Все вышеописанное относится к неподвижным черным дырам. Между тем, существуют и вращающиеся дыры, обладающие букетом интереснейших свойств. Результаты теоретического анализа чернодырного излучения привели также к серьезному переосмыслению понятия энтропии, которое также заслуживает отдельного разговора. Об этом — в следующем номере.

Несмотря на огромные достижения в области физики и астрономии, есть немало явлений, суть которых до конца не раскрыта. К таким явлениям принадлежат загадочные черные дыры, вся информация о которых носит лишь теоретический характер и не может быть проверена практическим путем.

Существуют ли черные дыры?

Еще до появления теории относительности астрономами была высказана теория о существовании черных воронок. После публикации теории Эйнштейна был пересмотрен вопрос гравитации и в проблеме черных дыр появились новые предположения. Увидеть этот космический объект нереально, ведь он поглощает весь свет, попадающий в его пространство. Ученые доказывают наличие черных дыр, опираясь на анализ движения межзвездного газа и траектории передвижений звезд.

Образование черных дыр ведет к изменению вокруг них пространственно-временных характеристик. Время будто сжимается под влиянием огромной гравитации и замедляется. Звезды, оказавшиеся на пути черной воронки, могут уклоняться от своего маршрута и даже менять направление движения. Черные дыры поглощают энергию своей звезды-двойника, чем также проявляют себя.

Как выглядит черная дыра?

Информация, касающаяся черных дыр, по большей части носит гипотетический характер. Ученые изучают их по их воздействию на пространство и излучению. Увидеть черные дыры во вселенной не представляется возможным, ведь они поглощают весь свет, попадающий в близлежащее пространство. Со специальных спутников было сделано рентгеновское изображение черных объектов, на котором виден яркий центр, являющийся источником излучения лучей.

Как образуются черные дыры?

Черная дыра в космосе является отдельным миром, который имеет свои уникальные характеристики и свойства. Свойства космических дыр обусловлены причинами их появления. Относительно появления черных объектов существуют такие теории:

1. Они являются результатом коллапсов, происходящих в космосе. Это может быть столкновение крупных космических тел или взрыв сверхновых звезд.
2. Они возникают вследствие утяжеления космических объектов при сохранении их размеров. Причина такого явления не определена.

Черная воронка – это объект в космосе, имеющий относительно небольшой размер при огромной массе. Теория черной дыры говорит, что каждый космический объект потенциально может стать черной воронкой, если в результате каких-то явлений он будет терять свои размеры, но сохранять массу. Ученые даже говорят о существовании множества черных микродыр – миниатюрных космических объектах с относительно большой массой. Такое несоответствие массы и размера приводит к усилению гравитационного поля и появлению сильного притяжения.

Что находится в черной дыре?

Черный таинственный объект можно назвать дырой лишь с большой натяжкой. Центром этого явления является космическое тело, имеющее повышенную гравитацию. Результатом такой гравитации становится сильное притяжение к поверхности этого космического тела. При этом образуется вихревой поток, в котором вращаются газы и крупицы космической пыли. Поэтому черную дыру правильнее называть черной воронкой.

Узнать на практике, что внутри черной дыры, невозможно, потому что уровень гравитации космической воронки не позволяет никакому объекту вырваться из зоны ее влияния. По мнению ученых, внутри черной дыры полная темнота, ведь кванты света исчезают в ней безвозвратно. Предполагается, что внутри черной воронки искажается пространство и время, законы физики и геометрии в этом месте не действуют. Такие особенности черных дыр предположительно могут приводить к образованию антивеществ, которые на данный момент не знакомы ученым.

Чем опасны черные дыры?

Иногда черные дыры описываются как объекты, поглощающие окружающие предметы, излучения и частицы. Такое представление неверно: свойства черной дыры позволяют ей впитывать лишь то, что попадает в зону ее влияния. Она может втягивать в себя космические микрочастицы и излучение, исходящее от звезд-двойников. Даже если планета находится вблизи черной дыры, она не будет поглощена, а продолжит двигаться по своей орбите.

Что будет, если попасть в черную дыру?

Свойства черных дыр зависят от силы гравитационного поля. Черные воронки притягивают к себе все, что попадает в зону их влияния. При этом изменяются пространственно-временные характеристики. Ученые, изучающие все о черных дырах, расходятся во мнении относительного того, что происходит с предметами в этой воронке:

• одни ученые предполагают, что все предметы, попадающие в эти дыры, растягиваются или разрываются на куски и не успевают достичь поверхности притягивающего объекта;
• другие же ученые утверждают, что в дырах искривляются все привычные характеристики, поэтому предметы там как бы исчезают во времени и пространстве. По этой причине черные дыры иногда называют воротами в иные миры.

Виды черных дыр

Черные воронки делятся по видам, исходя из способа их образования:

1. Черные объекты звездных масс зарождаются в конце жизни некоторых звезд. Полное сгорание звезды и окончание термоядерных реакций приводит к сжатию звезды. Если же при этом звезда претерпит гравитационный коллапс, то сможет трансформироваться в черную воронку.
2. Сверхмассивные черные воронки . Ученые утверждают, что сердцевиной любой галактики является сверхмассивная воронка, образование которой является началом появления новой галактики.
3. Первичные черные дыры . Сюда могут относиться дыры различной массы, включая микродыры, образовавшиеся из-за расхождений в плотности материи и силе гравитации. Такие дыры – это воронки, образовавшиеся в начале зарождения Вселенной. Сюда же относятся такие объекты, как волосатая черная дыра. Отличаются эти дыры наличием лучей, похожих на волоски. Предполагается, что эти фотоны и гравитоны сохраняют часть информации, попадающей в черную дыру.
4. Квантовые черные дыры . Появляются как результат ядерных реакций и живут непродолжительное время. Квантовые воронки представляют наибольший интерес, так как их изучение может помочь ответить на вопросы по проблеме черных космических объектов.
5. Некоторые ученые выделяют такой вид космических объектов, волосатая черная дыра. Отличаются эти дыры наличием лучей, похожих на волоски. Предполагается, что эти фотоны и гравитоны сохраняют часть информации, попадающей в черную дыру.

Ближайшая черная дыра к Земле

Ближайшая черная дыра удалена от Земли на 3000 световых лет. Она называется V616 Monocerotis, или V616 Mon. Ее вес достигает 9-13 масс Солнца. Бинарный партнер этой дыры – звезда в полмассы Солнца. Еще одна относительно близкая к Земле воронка - Cygnus X-1. Она располагается от Земли в 6 тысячах световых лет и весит в 15 раз больше Солнца. Эта черная космическая дыра тоже имеет своего бинарного партнера, движение которого и помогает отследить влияние Cygnus X-1.

Черные дыры - интересные факты

Ученые рассказывают о черных объектах такие интересные факты:

1. Если брать в расчет, что эти объекты являются центром галактик, то для поиска самой большой воронки следует обнаружить самую крупную галактику. Поэтому самая большая черная дыра во вселенной – воронка, находящаяся в галактике IC 1101 в центре скопления Abell 2029.
2. Черные объекты на самом деле выглядят как разноцветные. Причина этого кроется в их радиомагнитном излучении.
3. В середине черной дыры нет постоянных физических или математических законов. Все зависит от массы дыры и ее гравитационного поля.
4. Черные воронки постепенно испаряются.
5. Вес черных воронок может доходить до неимоверных размеров. Масса наибольшей черной дыры равняется 30 миллионам масс Солнца.

Доктор философии (в области физики) К. ЗЛОСЧАСТЬЕВ, Кафедра гравитации и теории поля, Институт Ядерных Исследований, Национальный Автономный Университет Мексики.

О сингулярности, информации, энтропии, космологии и многомерной Единой теории взаимодействий в свете современной теории черных дыр

Наука и жизнь // Иллюстрации

Илл. 1. Вблизи коллапсирующей звезды траектория светового луча искривляется ее гравитационным полем.

Черные дыры, заснятые космическим телескопом "Хаббл" в центрах шести галактик. Они втягивают окружающую материю, которая образует спиральные рукава и падает на черную дыру, навсегда скрываясь за горизонтом событий.

Илл. 2. Световой конус.

В наше время трудно найти человека, который не слышал бы о черных дырах. Вместе с тем, пожалуй, не менее трудно отыскать того, кто смог бы объяснить, что это такое. Впрочем, для специалистов черные дыры уже перестали быть фантастикой - астрономические наблюдения давно доказали существование как "малых" черных дыр (с массой порядка солнечной), которые образовались в результате гравитационного сжатия звезд, так и сверхмассивных (до 10 9 масс Солнца), которые породил коллапс целых звездных скоплений в центрах многих галактик, включая нашу. В настоящее время микроскопические черные дыры ищут в потоках космических лучей сверхвысоких энергий (международная лаборатория Pierre Auger, Аргентина) и даже предполагают "наладить их производство" на Большом адронном коллайдере (LHC), который планируют запустить в 2007 году в ЦЕРНе. Однако подлинная роль черных дыр, их "предназначение" для Вселенной, находится далеко за рамками астрономии и физики элементарных частиц. При их изучении исследователи глубоко продвинулись в научном понимании прежде сугубо философских вопросов - что есть пространство и время, существуют ли границы познания Природы, какова связь между материей и информацией. Попытаемся осветить все наиболее важное по этой теме.

1. Темные звезды Митчелла - Лапласа

Термин "черная дыра" был предложен Дж. Уилером в 1967 году, однако первые предсказания существования тел столь массивных, что даже свет не может их покинуть, датируются XVIII веком и принадлежат Дж. Митчеллу и П. Лапласу. Их расчеты основывались на теории тяготения Ньютона и корпускулярной природе света. В современном варианте эта задача выглядит так: каковы должны быть радиус R s и масса M звезды, чтобы ее вторая космическая скорость (минимальная скорость, которую необходимо сообщить телу на поверхности звезды, чтобы оно вышло из сферы ее гравитационного действия) равнялась скорости света c? Применяя закон сохранения энергии, получаем величину

R s = 2GM/c 2 , (1)

которая известна как радиус Шварцшильда, или радиус сферической черной дыры (G - гравитационная постоянная). Несмотря на то что теория Ньютона заведомо неприменима к реальным черным дырам, формула (1) сама по себе верна, что и подтвердил немецкий астроном К. Шварцшильд в рамках общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, созданной в 1915 году! В этой теории формула определяет, до какого размера должно сжаться тело, чтобы получилась черная дыра. Если для тела радиуса R и массы M выполняется неравенство R/M > 2G/c 2 , то тело гравитационно устойчиво, в противном случае оно коллапсирует (схлопывается) в черную дыру.

2. Черные дыры от Эйнштейна до Хокинга

По-настоящему последовательная и непротиворечивая теория черных дыр, или коллапса ров, невозможна без учета искривляемости пространства-времени. Поэтому неудивительно, что они естественным образом появляются как частные решения уравнений ОТО. Согласно им, черная дыра - это объект, искривляющий пространство-время в своей окрестности настолько, что никакой сигнал не может быть передан с ее поверхности или изнутри даже по световому лучу. Иными словами, поверхность черной дыры служит границей пространства-времени, доступного нашим наблюдениям. Вплоть до начала 70-х годов это было утверждением, к которому невозможно добавить что-либо существенное: черные дыры казались "вещью в себе" - загадочными объектами Вселенной, внутренняя структура которых непостижима в принципе.

Энтропия черных дыр. В 1972 году Я. Бекенштейн высказал гипотезу, что черная дыра обладает энтропией, пропорциональной площади ее поверхности A (для сферической дыры A = 4pR s 2):

S ЧД = C A/4, (2)

где C=kc 3 /Gћ - комбинация фундаментальных констант (k - постоянная Больцмана и ћ - постоянная Планка). Кстати, теоретики предпочитают работать в планковской системе единиц, в этом случае C = 1. Более того, Бекенштейн предположил, что для суммы энтропий черной дыры и обычной материи, S tot = S вещество + S ЧД, имеет место обобщенный второй закон термодинамики:

D S tot є (S tot) конечн - (S tot) начальн? 0, (3)

то есть суммарная энтропия системы не может уменьшаться. Последняя формула полезна также тем, что из нее можно вывести ограничение на энтропию обычной материи. Рассмотрим так называемый процесс Сасскинда: имеется сферически-симметричное тело "субкритической" массы, то есть такой, которая еще удовлетворяет условию гравитационной устойчивости, однако достаточно добавить немного энергии-массы DE, чтобы тело сколлапсировало в черную дыру. Тело окружено сферической оболочкой (чья суммарная энергия как раз равна DE), которая падает на тело. Энтропия системы до падения оболочки:

(S tot) начальн = S вещество + S оболочка,

(S tot) конечн = S ЧД = A/4.

Из (3) и неотрицательности энтропии получаем знаменитое ограничение сверху на энтропию вещества:

S вещество? A/4. (4)

Формулы (2) и (3), несмотря на их простоту, породили загадку, оказавшую огромное влияние на развитие фундаментальной науки. Из стандартного курса статистической физики известно, что энтропия системы является не первичным понятием, а функцией от степеней свободы микроскопических составляющих системы - например, энтропия газа определяется как логарифм числа возможных микросостояний его молекул. Таким образом, если черная дыра имеет энтропию, то она должна обладать внутренней структурой! Только в последние годы наметился подлинно большой прогресс в понимании этой структуры , а тогда идеи Бекенштейна были вообще скептически восприняты физиками. Стивен Хокинг, по его собственному признанию, решил опровергнуть Бекенштейна его же оружием - термодинамикой.

Излучение Хокинга. Коль скоро (2) и (3) наделены физическим смыслом, первый закон термодинамики диктует, что черная дыра должна иметь температуру T. Но позвольте, какая может быть у нее температура?! Ведь в таком случае дыра должна излучать, что противоречит ее главному свойству! Действительно, классическая черная дыра температуры, отличной от абсолютного нуля, иметь не может. Однако если предположить, что микросостояния черной дыры подчиняются законам квантовой механики, что, вообще говоря, практически очевидно, то противоречие легко устранимо. Согласно квантовой механике, а точнее, ее обобщению - квантовой теории поля, может происходить спонтанное рождение частиц из вакуума. При отсутствии внешних полей пара частица-античастица, рожденная таким образом, аннигилирует обратно в вакуумное состояние. Однако если поблизости есть черная дыра, ее поле притянет ближайшую частицу. Тогда, по закону сохранения энергии-импульса, другая частица уйдет на бoльшее расстояние от черной дыры, унося с собой "приданое" - часть энергии-массы коллапсара (иногда говорят, что "черная дыра потратила часть энергии на рождение пары", что не совсем корректно, ибо выживает не вся пара, а только одна частица).

Как бы то ни было, в результате удаленный наблюдатель обнаружит поток всевозможных частиц, излучаемых черной дырой, которая будет расходовать свою массу на рождение пар, пока полностью не испарится, превратившись в облако излучения . Температура черной дыры обратно пропорциональна ее массе, таким образом, более массивные испаряются медленнее, ибо время их жизни пропорционально кубу массы (в четырехмерном пространстве-времени). Например, время жизни черной дыры с массой M порядка солнечной превосходит возраст Вселенной, тогда как микродыра с M = 1 тераэлектронвольт (10 12 эВ, примерно 2. 10 -30 кг) живет около 10 -27 секунд.

3. Черные дыры и сингулярности

В научно-фантастической литературе и фильмах черная дыра обычно представляется этаким космическим Гаргантюа, безжалостно пожирающим пролетающие корабли с отважными блондинками и даже целые планеты. Увы, если бы фантасты знали о современной физике чуть больше, они бы не были столь несправедливы к черным дырам. Дело в том, что коллапсары фактически защищают Вселенную от гораздо более грозных монстров...

Сингулярностью называется точка пространства, в которой его кривизна неограниченно стремится к бесконечности, - пространство-время как бы рвется в этой точке. Современная теория говорит о существовании сингулярностей как о неизбежном факте - с математической точки зрения, решения уравнений, описывающие сингулярности, также равноправны, как и все прочие решения, описывающие более привычные объекты Вселенной, которые мы наблюдаем.

Есть тут, однако, очень серьезная проблема. Дело в том, что для описания физических явлений необходимо не только иметь соответствующие уравнения, но нужно также задать граничные и начальные условия. Так вот, в сингулярных точках эти самые условия задать нельзя в принципе, что делает предсказательное описание последующей динамики невозможным. А теперь представим, что на раннем этапе существования Вселенной (когда она была достаточно малой и плотной) образуется множество сингулярностей. Тогда в областях, которые находятся внутри световых конусов этих сингулярностей (иными словами, причинно-зависимых от них) никакое детерминистское описание невозможно. Мы имеем абсолютный и бесструктурный хаос, без намека на какую-либо причинность. Далее, эти области хаоса расширяются со временем по мере эволюции Вселенной. В результате к настоящему времени подавляющая часть Вселенной была бы совершенно стохастичной (случайной) и ни о каких "законах природы" не могло бы быть и речи. Не говоря уже о блондинках, планетах и прочих неоднородностях вроде нас с вами.

К счастью, ситуацию спасают наши ненасытные обжоры. Математическая структура уравнений фундаментальной теории и их решений указывает на то, что в реальных ситуациях пространственные сингулярности должны появляться не сами по себе, а исключительно внутри черных дыр. Как тут не вспомнить мифологических титанов, пытавшихся воцарить Хаос на Земле, но низвергнутых Зевсом и К о в Тартар и благополучно заключенных там навеки…

Таким образом, черные дыры отделяют сингулярности от остальной Вселенной и не позволяют им влиять на ее причинно-следственные связи. Этот принцип запрета существования "голых" (англ. naked) сингулярностей, то есть не окруженных горизонтом событий, предложенный Р. Пенроузом в 1969 году, получил название гипотезы космической цензуры. Как это часто бывает с фундаментальными принципами, полностью он не доказан, но принципиальных нарушений пока замечено не было - Космический цензор на пенсию пока не собирается.

4. "Информационоемкость" материи и теория великого объединения

Локальная квантовая теория прекрасно зарекомендовала себя при описании всех известных элементарных взаимодействий, кроме гравитационного. Стало быть, фундаментальная квантовая теория с учетом ОТО также принадлежит к этому типу? Если принять эту гипотезу, нетрудно показать, что максимальное количество информации S, которое можно запасти в куске вещества объема V, равно V, измеренному в планковских единицах объема V P ~10 -99 см 3 с точностью до множителя, зависящего от конкретной теории:

S вещество ~ V. (5)

Однако эта формула вступает в противоречие с (4), так как в планковских единицах A намного меньше V для известных физических систем (соотношение A/V составляет порядка 10 -20 для протона и 10 -41 для Земли). Так какая же из формул верна: (4), базирующаяся на ОТО и свойствах черных дыр в квазиклассическом приближении, или (5), основанная на экстраполяции обычной квантовой теории поля до планковских масштабов? В настоящее время имеются весьма сильные аргументы в пользу того, что "мертва" скорее формула (5), чем (4).

Это, в свою очередь, может означать, что подлинно фундаментальная теория материи не просто очередная модификация квантовой теории поля, сформулированной "по объему", а некая теория, "живущая" на определенной поверхности, ограничивающей этот объем. Гипотеза получила название голографического принципа, по аналогии с оптической голограммой, которая, будучи плоской, тем не менее дает объемное изображение. Принцип сразу же вызвал большой интерес, ибо теория "на поверхности" - это нечто принципиально новое, вдобавок сулящее упрощение математического описания: ввиду понижения пространственной размерности на единицу, поверхности имеют меньшее число геометрических степеней свободы. В полной мере голографическая гипотеза пока не доказана, но уже существуют два общепризнанных подтверждения - ковариантное ограничение на энтропию вещества и AdS/CFT-соответствие.

Первое дает рецепт вычисления статистической энтропии (4) для общего случая материального тела, как определенной величины, вычисляемой на светоподобных мировых поверхностях, ортогональных поверхности тела (да простит меня неискушенный читатель за эту фразу). Общая идея состоит в следующем. Что принять за меру энтропии в искривленном пространстве-времени, то есть как ее посчитать правильно? Например, в случае распределения шара по ящикам (см. "Подробности для любознательных") мерой энтропии фактически является число ящиков, в случае обычного газа - его объем, отнесенный к усредненному объему молекулы. Но в четырехмерном пространстве-времени объем чего бы то ни было величина не абсолютная (помните лоренцево сокращение длин?). Ну а понятие "ящика", сами понимаете, несколько выходит за рамки элементарных понятий фундаментальной науки. В общем, необходимо определить меру энтропии через элементарные понятия дифференциальной геометрии, которые были бы ковариантными, то есть значения которых менялись бы в зависимости от положения наблюдателя четко определенным образом.

Пусть N - светоподобная гиперповерхность (обобщенный световой конус) некоторой совокупности пространственных точек S. Грубо говоря, N - это множество фотографий S, сделанных через бесконечно малые промежутки времени. Возьмем два пространственных среза N, сделанных в различные моменты времени (две "фотографии"), назовем их S 1 и S 2 . Тогда принцип ковариантного ограничения на энтропию вещества, находящегося в S, гласит, что поток энтропии через гиперповерхность N между срезами S 1 и S 2 меньше модуля разности их площадей, деленного на четыре (с точностью до размерного коэффициента, равного 1 в планковской системе единиц), или равен ему. Легко видеть, что по сути это та же формула (4), только сформулированная более корректно с точки зрения геометрии.

Второе - так называемое соответствие между пространством анти-де Ситтера (adS) и Конформной теорией поля (CFT) - это реализация голографии для некоего частного случая пространств постоянной отрицательной кривизны, тесно связанная с теорией струн. Соответствие гласит, что Конформная теория поля, определенная на границе пространства-времени анти-де Ситтера (то есть на пространстве с размерностью на единицу меньше размерности самого adS), эквивалентна квантовой гравитации внутри самого анти-де Ситтера. Фактически это доказанное соответствие между высокоэнергетическими квантовыми состояниями в CFT и квантовыми возмущениями гравитационного поля в пространстве-времени постоянной отрицательной кривизны. Не забудьте, что теория струн - один из частных случаев двухмерной конформной теории поля, так что напрашиваются далеко идущие приложения. На первый взгляд, AdS/CFT-соответствие не интересно с точки зрения физики: если предположить, что глобально наша Вселенная есть четырехмерное пространство анти-де Ситтера (adS 4), то она не может расширяться, в полном несогласии с астрономическими наблюдениями, восходящими еще к Хабблу. Однако есть надежда, что AdS/CFT-соответствие и само по себе все же сможет найти физические приложения. Если предположить, что наша четырехмерная Вселенная (необязательно анти-деситтеровского типа) вложена в, скажем, пятимерное пространство отрицательной кривизны (AdS 5), то получаются так называемые космологические модели "(мем)бранных миров" (англ. brane-world). Тогда убиваем сразу двух зайцев: (а) пространство многомерно, как и предсказывает теория струн, (б) AdS/CFT-соответствие работает, то есть с его помощью можно что-нибудь посчитать. Последнее означает, что некоторые свойства Вселенной (экспериментально проверяемые) могут быть предсказаны посредством прямых вычислений, а пункты (а) и (б) можно будет подтвердить или опровергнуть экспериментально.

5. Черные дыры и предел делимости материи

На заре прошлого века вождь мирового пролетариата, вероятно, находясь под впечатлением открытий Резерфорда и Милликена, рождает знаменитое "электрон так же неисчерпаем, как и атом". Этот лозунг висел в кабинетах физики почти всех школ Союза. Увы, слоган Ильича так же неверен, как и некоторые его политэкономические воззрения. Действительно, "неисчерпаемость" подразумевает наличие бесконечного количества информации в любом сколь угодно малом объеме вещества V. Однако максимум информации, которую может вместить V, согласно (4) ограничен сверху.

Каким же образом существование этого предела "информационной емкости" должно проявляться на физическом уровне? Начнем немного издалека. Что такое современные коллайдеры, то есть ускорители элементарных частиц? По сути, это очень большие микроскопы, задача которых - увеличение разрешения по длинам Dx. А как можно улучшить разрешение? Из соотношения неопределенностей Гейзенберга DxDp = const следует, что, если хочешь уменьшить Dx, нужно увеличить импульс p и, как следствие, энергию E частиц. И вот представим, что некто получил в свое распоряжение коллайдер неограниченной мощности. Сможет ли он, открывая все новые и новые частицы, бесконечно извлекать информацию?

Увы, нет: непрерывно увеличивая энергию сталкивающихся частиц, он рано или поздно достигнет стадии, когда расстояние между какими-нибудь частицами из них в области столкновения станет сравнимо с соответствующим радиусом Шварцшильда, что немедленно повлечет рождение черной дыры. Начиная с этого момента вся энергия будет ею поглощаться, и, сколько ни увеличивай мощность, новой информации уже не получишь. Сама же черная дыра при этом станет интенсивно испаряться, возвращая энергию в окружающее пространство в виде потоков субатомных частиц. Таким образом, законы черных дыр, вкупе с законами квантовой механики, неизбежно означают существование экспериментального предела дробления материи.

В этом смысле достижение "чернодырного" порога на коллайдерах будущего будет неизбежно означать конец старой доброй физики элементарных частиц - по крайней мере, в том виде, как она понимается сейчас (то есть как непрерывное пополнение музея элементарных частиц новыми экспонатами). Но вместо этого откроются новые перспективы. Ускорители будут служить нам уже как инструмент исследования квантовой гравитации и "географии" дополнительных измерений Вселенной (против существования которых на данный момент пока не выдвинуто каких-либо убедительных аргументов).

6. Фабрики черных дыр на Земле?

Итак, мы выяснили, что ускорители элементарных частиц в принципе способны производить микроскопические черные дыры. Вопрос: какую они должны развивать энергию, чтобы получать хотя бы одно такое событие в месяц? До недавнего времени считалось, что эта энергия чрезвычайно велика, порядка 10 16 тераэлектронвольт (для сравнения: LHC сможет дать не больше 15 ТэВ). Однако если окажется, что на малых масштабах (менее 1 мм) наше пространство-время имеет число измерений больше четырех, порог необходимой энергии значительно уменьшается и может быть достигнут уже на LHC. Причина заключается в усилении гравитационного взаимодействия, когда вступят в игру предполагаемые дополнительные пространственные измерения, не наблюдаемые при нормальных условиях. Так, если обычная сила гравитационного притяжения между массивными телами в четырехмерном пространстве-времени обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, то при наличии n дополнительных компактных измерений она модифицируется в F грав ~ 1/r (2 + n) при r ? r n , где r n - максимальный размер этих измерений. Тогда с уменьшением r F грав растет гораздо быстрее, чем по закону обратных квадратов, и уже на расстояниях порядка 10 (-17+32/n) сантиметров компенсирует силу электростатического отталкивания. А ведь именно она была причиной высокой пороговой энергии: чтобы преодолеть кулоновские силы и приблизить сталкивающиеся частицы на необходимое расстояние r = R s , приходилось сообщать частицам пучка бoльшую кинетическую энергию. В случае же существования дополнительных измерений ускоренный рост F грав экономит значительную часть необходимой энергии.

Все вышесказанное никоим образом не означает, что мини-дыры будут получены уже на мощностях LHC - это произойдет лишь при самом благоприятном варианте теории, которую "выберет" Природа. Кстати, не следует преувеличивать их опасность в случае получения - по законам физики они быстро испарятся. Иначе Солнечная система давно прекратила бы свое существование: в течение миллиардов лет планеты бомбардируются космическими частицами с энергией на много порядков выше достигаемых на земных ускорителях.

7. Черные дыры и космологическая структура Вселенной

Теория струн и большинство динамических моделей Вселенной предсказывают существование особого типа фундаментального взаимодействия - глобального скалярного поля (ГСП). В масштабах планеты и Солнечной системы его эффекты крайне малы и труднообнаружимы, однако в космологических масштабах влияние ГСП возрастает неизмеримо, так как его удельная доля в средней плотности энергии во Вселенной может превышать 72 процента! Например, от него зависит, будет ли наша Вселенная расширяться вечно или в конце концов сожмется в точку. Глобальное скалярное поле - один из вероятнейших кандидатов на роль "темной энергии", о которой так много пишут в последнее время.

Черные дыры появляются в этой связи весьма неожиданным образом. Можно показать, что необходимость их сосуществования с глобальным скалярным полем накладывает взаимные ограничения на свойства черных дыр. В частности, наличие черных дыр накладывает ограничение на верхний предел эффективной космологической постоянной (параметра ГСП, ответственного за расширение Вселенной), тогда как ГСП ограничивает нижний предел их масс (а значит, энтропии и обратной температуры T -1) некой положительной величиной. Иными словами, черные дыры, будучи "локальными" и, по меркам Вселенной, крошечными объектами, тем не менее самим фактом своего существования влияют на ее динамику и другие глобальные характеристики опосредованно, через глобальное скалярное поле.

Эпилог

Эйнштейн однажды сказал, что человеческий разум, однажды "расширенный" гениальной идеей, уже никогда не сможет сжаться до первоначального состояния . Это прозвучит немного парадоксально, но исследование предельно сжатого состояния материи было, есть и долгое время будет одним из главных путей и стимулов расширения границ человеческого интеллекта и познания фундаментальных законов мироздания.

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ

Понятие энтропии

Согласно одной легенде, когда Клод Шеннон (Claude Shannon), гигант мысли и отец теории информации, терзался вопросом, как ему назвать только что изобретенное понятие, он попросил совета у другого гиганта, Джона фон Неймана (John von Neumann). Ответом было: "Назовите это энтропией - тогда в дискуссиях вы получите солидное преимущество - ибо никто не знает, что такое энтропия в принципе". Так родилось понятие "энтропии по Шеннону" (англ. Shannon entropy), ныне широко используемое в теории информации.

Ну что ж, уровни незнания могут быть разными - от полного невежества до глубокого понимания всей сложности проблемы. Попытаемся несколько улучшить наш уровень незнания энтропии.

Статистическая энтропия, введенная Людвигом Больцманом (Ludwig Boltzmann) в 1877 году, - это, грубо говоря, мера количества возможных состояний системы. Предположим, мы имеем две системы, состоящие из ящиков и одного шарика в каждой из них. Первая система "ящики плюс шарик" имеет только 1 ящик, вторая - 100 ящиков. Вопрос - в каком ящике находится шарик в каждой системе? Ясно, что в первой системе он может быть только в одном ящике. Помните формулу "Энтропия есть логарифм числа возможных состояний"? Тогда энтропия первой системы равна log1, то есть нулю, что отражает факт полной определенности (кстати, это одна из причин, почему в определении энтропии был использован логарифм). Что касается второй системы, то здесь мы имеем неопределенность: шарик может находиться в любом из 100 ящиков. В этом случае энтропия равна log100, то есть не равна нулю. Ясно, что, чем больше ящиков в системе, тем больше ее энтропия. Поэтому и говорят часто об энтропии как о мере неопределенности, ибо наши шансы "зафиксировать" шарик в конкретном ящике уменьшаются по мере увеличения их числа.

Заметьте, что в этом вопросе нас не интересуют физические свойства ни ящиков, ни шарика (цвет, форма, масса, и прочее), то есть энтропия представляет собой понятие реляционного типа * , универсальное по своей сути и иногда (но не всегда) наделенное конкретным физическим смыслом. Мы могли бы заменить шарики электронами, а ящики - вакансиями в твердом теле (или даже какими-то абстрактными категориями, как, например, в теории информации), а понятие энтропии по-прежнему было бы применимо и полезно.

Термодинамическая же энтропия, предложенная в 1865 году Рудольфом Клаузиусом (Rudolf Clausius) и, как мы знаем со школы, заданная формулой dS = dQ/T, где dQ - подвод теплоты к элементу вещества, T - темпеpатypа, пpи котоpой он находится, - это частный случай статистической энтропии, справедливый, например, для тепловых машин. Ранее считалось, что термодинамическая энтропия не может быть применима к черным дырам, но Бекенштейн и Хокинг показали, что это не так, при должном определении понятий T и S (см. гл. 2).

"Парадоксы" черных дыр

В Интернете я нашел любопытное утверждение. Его автор, Андрей, обратил внимание на несколько парадоксальных, по его мнению, аспектов физики ЧД: "Во всех книгах про черные дыры […] сказано, что время падения кого-либо (чего-либо) в черную дыру бесконечно в системе отсчета, связанной с удаленным наблюдателем. А время испарения черной дыры в этой же системе отсчета конечно, то есть тот, кто будет туда падать, не успеет этого сделать, потому что черная дыра уже испарится. […] Если тела падают в черную дыру бесконечное время, то тело, близкое по своей массе к черной дыре, будет сжиматься до черной дыры тоже бесконечное время, то есть все черные дыры […] расположены только в будущем по отношению к удаленному наблюдателю и их коллапс (сжатие) завершится только по прошествии бесконечного количества времени. […] Из этого утверждения следует, что никакого информационного парадокса нет - информация просто потеряется по прошествии бесконечно большого времени, но это не должно нас волновать, потому что этого принципиально нельзя дождаться…".

Это прекрасная иллюстрация главной дилеммы научно-популярной литературы - пытаясь упростить изложение, авторы книг вынуждены поступаться уровнем математической строгости. Поэтому фраза, на которой Андрей базирует свои умозаключения, "время падения кого-либо (чего-либо) в черную дыру бесконечно в системе отсчета, связанной с удаленным наблюдателем", вообще говоря, неверна.

На самом деле физически корректная формулировка выглядит так: "время падения кого-либо (чего-либо) в статическую черную дыру бесконечно в системе отсчета, связанной с удаленным статическим наблюдателем". Иными словами, ее применимость ограничена идеализированным случаем, когда характеристики дыры неизменны во времени (то есть заведомо не тогда, когда она растет или испаряется), а любое падающее тело предполагается пробным, достаточно малым, чтобы пренебречь изменениями дыры, вызванными его падением.

В тех же физических ситуациях, о которых говорит Андрей, как сама дыра, так и пространство -время в ее окрестности не могут считаться статическими. Вследствие этого статических (по отношению к дыре) наблюдателей как таковых просто не существует. Все наблюдатели движутся и все равноправны, а "время падения кого-либо (чего-либо) в черную дыру", измеренное по их часам, либо конечно в их системах отсчета, либо не определено (например, когда наблюдатель находится вне светового конуса падающего на дыру тела).

Вот таков краткий вариант ответа. Чтобы понять такие вещи на более глубоком уровне, необходим серьезный математический аппарат (изложенный, например, в книге Хокинга и Эллиса): диаграммы Картера-Пенроуза, конформные отображения, топология многообразий и многое другое.

Системы единиц

В системах единиц физических измерений часть единиц принимаются за основные, а все остальные становятся производными от них. Так, например, в СИ основные единицы механики - метр, килограмм и секунда. А единица силы, ньютон, имеющая размерность кг. м/с 2 , - производная от них. Размер основных единиц выбирается произвольно; их выбор определяет величину коэффициентов в уравнениях.

Во многих областях физики удобнее пользоваться так называемыми естественными системами единиц. В них за основные единицы приняты фундаментальные постоянные - скорость света в вакууме c, гравитационная постоянная G, постоянная Планка ћ, постоянная Больцмана k и другие.

В естественной системе единиц Планка принято считать c = ћ = G = k = 1. Система названа в честь немецкого физика Макса Планка, предложившего ее в 1899 году. Она используется в космологии и особенно удобна для описания процессов, в которых одновременно наблюдаются и квантовые, и гравитационные эффекты, например в теории черных дыр и теории ранней Вселенной.

Световой конус

Когда тело движется в пространстве из точки с координатами (x = 0, y = 0) с постоянной скоростью v, график зависимости его координаты от времени (мировая линия) имеет вид прямой, определяемой уравнением x = vt. Поскольку скорость тела не может быть больше световой, эта прямая располагается не выше прямой x = ct (будущее) и не ниже прямой x = _ ct (прошлое). При движении тела в плоскости (x, y) со скоростью v его мировая линия запишется как x 2 + y 2 = (vt) 2 , а это есть уравнение конуса. Поэтому и говорят, что тело находится в пределах светового конуса, или светоподобной гиперповерхности. * Кстати, именно поэтому вопрос "Так где же находится энтропия - в шарике или в ящиках?" лишен смысла.

Вы когда-нибудь видели, как пылесосят пол? Если так, замечали ли вы, как пылесос всасывает пыль и всякий мелкий мусор вроде обрывков бумаги? Конечно, замечали. Чёрные дыры делают примерно то же самое, что и пылесос, но вместо пыли они предпочитают затягивать в себя объекты покрупнее: звёзды и планеты. Впрочем, и космической пылью они не побрезгуют.

Как появляются чёрные дыры?

Чтобы понять, откуда берутся чёрные дыры, неплохо бы знать, что такое давление света. Оказывается, свет, падая на предметы, давит на них. Например, если мы в тёмной комнате зажжём лампочку, то на все освещённые предметы начнёт действовать дополнительная сила давления света. Эта сила очень мала, и в повседневной жизни мы, конечно, никогда не сможем её почувствовать. Причина в том, что лампочка – очень слабый источник света. (В лабораторных условиях давление света лампочки всё-таки можно измерить, впервые это удалось сделать русскому физику П. Н. Лебедеву) Со звёздами дело обстоит иначе. Пока звезда молодая и ярко светит, внутри неё борются три силы. С одной стороны, сила гравитации, которая стремится сжать звезду в точку, тянет внутрь к ядру внешние слои. С другой стороны – сила светового давления и сила давления раскалённого газа, стремящиеся звезду раздуть. Свет, рождённый в ядре звезды, настолько интенсивный, что отталкивает внешние слои звезды и уравновешивает силу гравитации, тянущую их к центру. Когда звезда стареет, её ядро рождает всё меньше и меньше света. Это происходит потому, что за время жизни звезды выгорает весь запас её водорода, мы уже писали об этом. Если звезда очень большая, раз в 20 тяжелее Солнца, то и внешние оболочки у неё очень велики по массе. Поэтому у тяжёлой звезды внешние слои начинают всё сильнее и сильнее приближаться к ядру, вся звезда начинает сжиматься. При этом сила гравитации на поверхности сжимающейся звезды растёт. Чем сильнее сжимается звезда, тем сильнее она начинает притягивать к себе окружающее её вещество. В конце концов, притяжение звезды становится настолько чудовищно сильным, что даже испускаемый ею свет не может от неё улететь. В этот момент звезда и становится чёрной дырой. Она уже ничего не излучает, а лишь поглощает всё, что окажется рядом, в том числе и свет. Ни единого лучика света не исходит от неё, поэтому никто не может её увидеть и поэтому её и называют чёрной дырой: туда всё затягивается, а обратно уже никогда не возвращается.

Как выглядит чёрная дыра?

Если бы мы с вами оказались рядом с чёрной дырой, то увидели бы довольно большой светящийся диск, вращающийся вокруг небольшой, абсолютно чёрной области пространства. Эта чёрная область и есть чёрная дыра. А светящийся диск вокруг неё – это вещество, падающее на чёрную дыру. Такой диск называется аккреционным. Притяжение чёрной дыры очень сильно, поэтому материя, засасываемая внутрь, движется с очень большим ускорением и из-за этого сама начинает излучать. Изучая свет, исходящий из такого диска, астрономы могут многое узнать и о самой чёрной дыре. Ещё одним косвенным признаком существования чёрной дыры является необычное движение звёзд вокруг некой области пространства. Притяжение дыры заставляет близлежащие звёзды двигаться по эллиптическим орбитам. Такие перемещения звёзд тоже регистрируются астрономами.
Сейчас внимание учёных приковано к чёрной дыре, находящейся в центре нашей галактики. Дело в том, что к чёрной дыре приближается облако водорода, массой примерно в 3 раза больше Земной. Это облако уже начало менять свою форму из-за гравитации чёрной дыры, в ближайшие годы оно вытянется ещё больше и будет затянуто внутрь чёрной дыры.

Процессы, происходящие внутри чёрной дыры, мы никогда не сможем увидеть, поэтому остаётся довольствоваться наблюдениями за диском вокруг чёрной дыры. Но и здесь нас ждёт очень много интересного. Пожалуй, самое интересное явление - образование сверхбыстрых струй вещества, вылетающих из центра этого диска. Механизм этого явления ещё предстоит выяснить, и, вполне возможно, теорию образования таких струй создаст кто-нибудь из вас. А пока что мы можем лишь регистрировать рентгеновские вспышки, сопровождающие такие «выстрелы».

На этом видео показано, как чёрная дыра постепенно захватывает вещество находящейся рядом звезды. При этом вокруг чёрной дыры образуется аккреционный диск, и часть его вещества выбрасывается в космос с огромными скоростями. При этом генерируется большое количество рентгеновского излучения, которое улавливает спутник, движущийся вокруг Земли.

Как устроена чёрная дыра?

Чёрную дыру можно разделить на три основных части. Внешнюю часть, находясь в которой ещё можно избежать падения на чёрную дыру, если двигаться с очень большой скоростью. Глубже внешней части идёт горизонт событий – это воображаемая граница, перейдя которую, тело теряет всякую надежду на возвращение из чёрной дыры. Всё, что находится за горизонтом событий, нельзя увидеть снаружи, потому что из-за сильной гравитации даже свет, двигаясь изнутри, не сможет вылететь за его пределы. Считается, что в самом центре чёрной дыры находится сингулярность - область пространства крошечного объёма, в которой сосредоточена огромная масса – сердце чёрной дыры.

Можно ли подлететь к чёрной дыре?

На большом расстоянии притяжение чёрной дыры точно такое же, как и притяжение самой обыкновенной звезды с той же массой, что и масса чёрной дыры. По мере приближения к горизонту событий притяжение будет возрастать всё сильнее и сильнее. Поэтому подлететь к чёрной дыре можно, но лучше всё-таки держаться от неё подальше, чтобы можно было вернуться обратно. Астрономам приходилось наблюдать, как чёрная дыра засасывала внутрь оказавшуюся рядом звезду. Как это выглядело можно посмотреть на этом видео:

Превратится ли наше Солнце в чёрную дыру?

Нет, не превратится. Масса Солнца слишком мала для этого. Расчёты показывают, что для того чтобы стать чёрной дырой, звезда должна быть массивнее Солнца хотя бы в 4 раза. Вместо этого Солнце превратится в красного гиганта и раздуется примерно до размеров орбиты Земли, а затем сбросит внешнюю оболочку и станет белым карликом. Об эволюции Солнца мы ещё обязательно расскажем.