Темные дыры
Темные дыры
Пытаясь отыскать модель Вселенной, в какой огромное количество разных исходных состояний могло развиться во что то схожее существующему мирозданию, ученый из Массачусетского технологического института Алан Гут представил, что ранешняя Вселенная могла пройти через период очень резвого расширения. Это расширение именуют «инфляцией», подразумевая, что Вселенная в тот период расширялась с нарастающей скоростью. Согласно Гуту радиус Вселенной за ничтожно малую толику секунды возрос в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с 30 нулями) раз. Любые неоднородности во Вселенной просто разгладились вследствие этого расширения, как морщины на раздувающемся воздушном шаре. Таким макаром, инфляционная теория разъясняет, как сегодняшнее, гладкое и однородное, состояние Вселенной могло развиться из самых различных неоднородных изначальных состояний. Так что мы сейчас до известной степени убеждены в том, что имеем правильную картину событий прямо до одной миллиардной триллионной триллионной толики (10—33 ) секунды от Огромного Взрыва.
Вся эта начальная суматоха Огромного Взрыва закончилась спустя всего несколько часов формированием ядер гелия и неких других частей, таких как литий. Потом около миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и ничего существенного не происходило. В конце концов температура понизилась до нескольких тыщ градусов. Кинетическая энергия электронов и ядер стала недостаточной для того, чтоб преодолевать силу электрического притяжения, и они начали объединяться в атомы.
Вселенная в целом продолжала бы расширяться и остывать, но в областях, где плотность была чуток выше средней, расширение дополнительно тормозилось гравитационным притяжением лишнего вещества. Под действием этого притяжения расширение в этих областях Вселенной тормознуло, уступив место сжатию (коллапсу). По ходу коллапса тяготение окружающего вещества могло придать этим областям чуть приметное вращение. При стягивании коллапсирующей области ее вращение ускоряется, подобно тому как фигурист начинает резвее кружиться на льду, когда придавливает к для себя руки. В конце концов, когда размеры таковой области становились довольно малыми, ее вращение ускорялось так, что могло сбалансировать гравитацию. Так образовались крутящиеся спиральные галактики. Другие области Вселенной, избежавшие вращения, стали округлыми объектами, которые именуют эллиптическими галактиками. В таких областях коллапс приостанавливается устойчивым воззванием отдельных частей галактики вокруг ее центра, в то время как вся звездная система в целом не крутится.
С течением времени водородно гелиевый газ в галактиках был должен распадаться на маленькие облака, которые коллапсировали под действием собственного тяготения. При сжатии атомы в их сталкивались и температура газа росла, пока не достигала величины, нужной для начала реакций ядерного синтеза. Эти реакции конвертируют водород в гелий и похожи на управляемый взрыв водородной бомбы. Выделяемое при всем этом тепло принуждает звезды сиять. Это тепло также наращивает давление газа, пока это последнее не приходит в равновесие с силами тяготения. В итоге газ перестает сжиматься. Приблизительно так газовые облака становятся звездами, схожими нашему Солнцу, которые сжигают водород, превращая его в гелий, и источают высвободившуюся энергию в форме тепла и света. Они обнаруживают отдаленное сходство с воздушным шаром, в каком внутреннее давление воздуха на стены, заставляющее шар расширяться, уравновешивается упругостью резиновой оболочки, стремящейся уменьшить размер шара.
Сформировавшись из туч жаркого газа, звезды в течение долгого времени сохраняют устойчивость благодаря балансу меж выделением тепла в ядерных реакциях и гравитационным притяжением. Но в какой-то момент звезда обречена исчерпать собственный припас водорода и другого ядерного горючего. Феноминально, но чем больше припасы горючего в звезде, тем резвее они завершаются. Дело в том, что чем массивнее звезда, тем горячее она должна быть, чтоб сбалансировать свое тяготение. А чем горячее звезда, тем резвее протекает реакция ядерного синтеза и резвее расходуется горючее. Нашему Солнцу, возможно, хватит горючего еще на 5 млрд лет либо около того, но более мощные звезды способны израсходовать свои ресурсы всего за 100 миллионов лет, что существенно меньше возраста Вселенной.
Когда звезда исчерпывает горючее, она начинает остывать и гравитация берет верх, вызывая сжатие. Сжатие сближает атомы, заставляя звезду опять разогреться. При достаточном нагреве звезда может начать преобразовывать гелий в более томные элементы, такие как углерод и кислород. Это, но, вызволяет не очень много энергии, так что кризис неизбежен. Что случается далее, не полностью ясно, но очень возможно, что центральные области звезды коллапсируют, переходя в очень плотное состояние, становясь, к примеру, темной дырой.
Термин «черная дыра» появился сравнимо не так давно. В первый раз его употребил в 1969 г . южноамериканский ученый Джон Уилер в качестве приятного описания идеи, высказанной не меньше двухсотен годов назад. Если звезда довольно массивна, возможно окажется, что даже свет не сможет преодолеть ее тяготение тогда и звезда будет смотреться темной для всех наружных наблюдателей.
Когда эта мысль в первый раз была высказана, было две теории о природе света. Одна, которой отдавал предпочтение Ньютон, провозглашала, что свет состоит из частиц, либо корпускул. Другая декларировала, что свет представляет собой волны. Сейчас мы знаем, что верны обе теории. Как будет показано в гл. 9, вследствие корпускулярно волнового дуализма в квантовой механике свет в неких случаях ведет себя как волна, а в других точно проявляет характеристики частички. Понятия «волна» и «частица» — всего только выдуманные людьми концепции, и природа совсем не должна следовать им, подгоняя все явления под ту либо иную абстрактную категорию!
Волновая теории не проясняет, как должен вести себя свет под действием гравитации. Но если считать свет состоящим из частиц, то можно ждать, что они будут реагировать на гравитацию так же, как пушечные ядра, галлактические корабли и планетки. К примеру, после выстрела в воздух пушечное ядро в какой-то момент свалится на Землю, при условии что скорость, с которой оно вылетело из пушки, не превосходит определенной величины, именуемой скоростью убегания (рис. 21). Скорость убегания находится в зависимости от силы земного притяжения, другими словами от массы Земли, но она не находится в зависимости от массы пушечного ядра — по той же самой причине, по которой ускорение свободного падения тел не находится в зависимости от их массы. И если уж скорость убегания не находится в зависимости от массы тела, то можно допустить, что приведенные выше рассуждения верны и для частиц света, невзирая на то что их масса равна нулю! Потому резонно представить, что частички света должны двигаться с некой малой скоростью, чтоб вырваться из поля тяготения звезды.
Рис. 21. Пушечное ядро при скорости, наименьшей и большей скорости убегания.
Тело, летящее ввысь, не свалится, если скорость, которую ему сказали, больше скорости убегания.
Сначало числилось, что частички света движутся нескончаемо стремительно и поэтому гравитация не способна их замедлить, но из открытия Рёмера, установившего, что скорость света конечна, вытекало, что гравитация может очень значительно повлиять на свет. У довольно громоздкой звезды скорость убегания возможно окажется больше скорости света, и все излучение, испускаемое таковой звездой, будет к ней ворачиваться. Основываясь на этом предположении, доктор Кембриджского института Джон Мичелл в 1783 г. опубликовал в «Философских трудах Английского Царского общества» работу, в какой указал, что звезда определенной массы и плотности обязана иметь настолько сильное гравитационное поле, что свет не сумеет ее покинуть. Всякий испущенный с ее поверхности свет будет притянут вспять, до того как уйдет довольно далековато от звезды. Такие объекты мы сейчас называем темными дырами, так как они и представляют собой темные пустоты в пространстве.
Но не очень верно стопроцентно уподоблять свет пушечным ядрам, послушливым закону тяготения Ньютона, так как скорость света имеет неизменное значение. Пушечное ядро, выстреленное ввысь, будет замедляться гравитацией, а в конечном счете остановится и свалится; фотон же должен двигаться ввысь с неизменной скоростью. Поочередной картины того, как гравитация оказывает влияние на свет, не было до 1915 г., когда Эйнштейн предложил общую теорию относительности. Детализированное описание того, что происходит с излучением громоздкой звезды согласно общей теории относительности, в первый раз было предложено юным южноамериканским ученым Робертом Оппенгеймером в 1939 г.
Картина, которую мы узнали благодаря Оппенгеймеру, смотрится последующим образом. Гравитационное поле звезды изменяет линию движения световых лучей в пространстве времени. Этот эффект проявляется в отклонении света дальних звезд, наблюдаемом во время солнечного затмения. Линии движения света в пространстве времени, проходящие рядом со звездой, немного искривлены в сторону ее поверхности. Когда звезда сжимается, она становится плотнее и гравитационное поле на ее поверхности усиливается. (Можно представлять для себя гравитационное поле исходящим из точки в центре звезды; когда звезда сжимается, точки, лежащие на ее поверхности, приближаются к центру, попадая в более сильное поле.) Более массивное поле посильнее изгибает линии движения световых лучей. В конечном итоге при сжатии звезды до некого критичного радиуса гравитационное поле на ее поверхности становится так сильным, а извив световых лучей — так крутым, что свет уже не может уйти прочь.
Согласно теории относительности ничто не способно двигаться резвее света. Так что если даже свет не может вырваться, то и ничему другому это тоже не под силу — все будет затянуто вспять гравитационным полем. Вокруг сколлапсировавшей звезды формируется область места времени, которую ничто не может покинуть, чтоб достигнуть отдаленного наблюдающего. Эта область и есть темная дыра. Внешнюю границу темной дыры именуют горизонтом событий. Сейчас благодаря телескопам, которые работают в рентгеновском и палитра спектрах, мы знаем, что темные дыры еще более неиндивидуальное явление, чем нам думалось ранее. Один спутник нашел 1500 темных дыр на сравнимо маленьком участке неба. Мы также нашли черную дыру в центре нашей Галактики, при этом ее масса в миллион раз превосходит массу нашего Солнца. Около этой сверхмассивной темной дыры найдена звезда, которая обращается вокруг нее со скоростью, равной около 2% от скорости света, другими словами резвее, чем в среднем обращается электрон вокруг ядра в атоме!
Чтоб осознать, что происходит при коллапсе громоздкой звезды и формировании темной дыры, следует вспомнить, что теория относительности не признает абсолютного времени. Другими словами, каждый наблюдающий имеет свою меру времени. Ход времени для наблюдающего на поверхности звезды будет отличаться от хода времени для наблюдающего на расстоянии, так как на поверхности звезды гравитационное поле посильнее.
Представим для себя бесстрашного космонавта, который остается на поверхности коллапсирующей звезды во время чертовского сжатия. В некий момент по его часам, скажем в 11:00, звезда сожмется до критичного радиуса, за которым гравитационное поле усиливается так, что из него нереально вырваться. Сейчас представим, что по аннотации космонавт должен каждую секунду по своим часам посылать сигнал галлактическому кораблю, который находится на орбите на неком фиксированном расстоянии от центра звезды. Он начинает передавать сигналы в 10:59:58, другими словами за две секунды до 11:00. Что зарегистрирует экипаж на борту галлактического судна?
Ранее, проделав мысленный опыт с передачей световых сигналов снутри ракеты, мы удостоверились, что гравитация замедляет время и чем она посильнее, тем значительнее эффект. Космонавт на поверхности звезды находится в более сильном гравитационном поле, чем его коллеги на орбите, потому одна секунда по его часам продлится подольше секунды по часам корабля. Так как космонавт совместно с поверхностью движется к центру звезды, действующее на него поле становится все посильнее и посильнее, так что интервалы меж его сигналами, принятыми на борту галлактического корабля, повсевременно удлиняются. Это растяжение времени будет очень малозначительным до 10:59:59, так что для космонавтов на орбите интервал меж сигналами, переданными в 10:59:58 и в 10:59:59, очень ненамного превзойдет секунду. Но сигнала, отправленного в 11:00, на корабле уже не дождутся.
Все, что произойдет на поверхности звезды меж 10:59:59 и 11:00 по часам космонавта, растянется по часам галлактического корабля на нескончаемый период времени. С приближением к 11:00 интервалы меж прибытием на орбиту поочередных гребней и впадин испущенных звездой световых волн станут все длиннее; то же случится и с промежутками времени меж сигналами космонавта. Так как частота излучения определяется числом гребней (либо впадин), приходящих в секунду, на галлактическом корабле будет региться все более и поболее низкая частота излучения звезды. Свет звезды станет больше багроветь и сразу блекнуть. В конце концов звезда так потускнеет, что сделается невидимой для наблюдателей на галлактическом корабле; все, что остается, — темная дыра в пространстве. Но действие тяготения звезды на галлактический корабль сохранится, и он продолжит воззвание по орбите.
Этот сценарий, вобщем, не полностью реалистичен. С удалением от центра звезды гравитация слабеет, потому ноги нашего бесстрашного космонавта должны притягиваться посильнее, чем его голова. Эта разница сил приведет к тому, что тело космонавта вытянется на манер спагетти либо разорвется на части, до того как звезда достигнет критичного радиуса, на котором формируется горизонт событий! Но мы полагаем, что во Вселенной есть объекты куда большего масштаба, к примеру центральные области галактик, которые тоже могут испытывать гравитационный коллапс, порождая сверхмассивные темные дыры, наподобие той, что есть в центре нашей Галактики. Находясь на таком объекте, наш космонавт не был бы разорван на части до формирования темной дыры. Не ощутив ничего такого особенного при достижении критичного радиуса, он пересек бы роковую черту неприметно себе. Хотя наружные наблюдатели зафиксировали бы замедление его сигналов, которые в конце концов закончили бы приходить. И только через несколько часов (по измерениям космонавта) его порвало бы на части из за различия гравитационных сил, воздействующих на его голову и ноги (рис. 22).
Рис. 22. Гравитационные силы.
Так как гравитационное притяжение слабеет по мере удаления от его источника, Земля притягивает вашу голову с меньше силой, чем ваши ноги, которые на метр либо два поближе к центру нашей планетки. Разница так ничтожна, что мы не чувствуем ее, но космонавт, оказавшийся около темной дыры, будет практически разорван на части.
Время от времени при коллапсе очень громоздкой звезды ее наружные слои могут быть выброшены в место колоссальным взрывом, именуемым вспышкой сверхновой. Мощь этого взрыва так велика, что сверхновая светит ярче всех звезд целой галактики взятых вместе. Примером может служить сверхновая Крабовидной туманности. Китайские летописи относят ее к 1054 г. Хотя взорвавшаяся звезда находилась на расстоянии 5000 световых лет, она оставалась видимой для невооруженного глаза в течение нескольких месяцев и зияла настолько ярко, что была различима даже деньком, а ночкой при ее свете можно было читать. Вспышка сверхновой в 500 световых годах от нас — в 10 раз поближе Крабовидной туманности — оказалась бы в 100 раз ярче и практически превратила бы ночь в денек. Чтоб ощутить мощь подобного взрыва, представьте, что вспышка конкурировала бы с сиянием Солнца, даже притом, что звезда находилась бы в 10-ки миллионов раз далее него (напомним, что Солнце находится всего в восьми световых минутках от Земли). Довольно близкая вспышка сверхновой звезды хотя и не разрушила бы Землю, но сопровождалась бы излучением, способным уничтожить все живое на нашей планетке. Не так давно было высказано предположение, что происшедшее два миллиона годов назад вымирание морских организмов было вызвано всплеском галлактического излучения, порожденного вспышкой сверхновой поблизости от Земли. Некие ученые считают, что высокоорганизованная жизнь может развиться исключительно в тех областях галактик, где не очень много звезд, — так именуемых зонах жизни, — так как в районах более плотного скопления звезд вспышки сверхновых — настолько обыденные явления, что они временами уничтожают любые зачатки био эволюции. Каждый денек во Вселенной вспыхивают сотки тыщ сверхновых звезд. В отдельной галактике сверхновые возникают приблизительно раз в столетие. Но это средние характеристики. К огорчению (для астрологов, по последней мере), последняя вспышка сверхновой в Млечном Пути произошла в 1604 г., еще до изобретения телескопа.
Главной претенденткой на роль последующей сверхновой в нашей Галактике является звезда ро Кассиопеи. К счастью, она находится на полностью неопасном для нас расстоянии 10 000 световых лет. Она относится к малочисленному классу желтоватых сверхгигантов. Во всем Млечном Пути имеется только семь звезд этого типа. Интернациональная группа астрологов начала учить ро Кассиопеи в 1993 г. За прошедшие годы у звезды наблюдались повторяющиеся колебания температуры на несколько сотен градусов. Потом, летом 2000 г., температура ее в один момент свалилась приблизительно с 7000 до 4000 градусов. В это время исследователи нашли в атмосфере звезды окись титана, которая, как считается, заходит в состав оболочки, выброшенной с поверхности звезды сильной ударной волной.
При вспышке сверхновой ряд томных частей, образовавшихся в конце актуального цикла звезды, выбрасывается вспять в межзвездную среду, становясь сырьем для формирования последующего поколения звезд. Наше Солнце содержит примерно 2% таких томных частей. Это звезда второго либо третьего поколения, которая сформировалась примерно 5 млрд годов назад из облака вращающегося газа, содержавшего выбросы ранешних сверхновых. Б о льшая часть газа из того облака пошла на формирование Солнца или была выброшена вовне, но маленькая часть томных частей смогла собраться совместно и образовать подобные Земле планетки, которые сейчас обращаются вокруг Солнца. И золото в наших украшениях, и уран в наших ядерных реакторах — все это остатки сверхновых звезд, которые вспыхнули еще до рождения Галлактики!
Когда Земля еще только сконденсировалась, она была очень жаркой и не имела атмосферы. С течением времени она остыла и окуталась оболочкой газов, выделявшихся из скальных пород. Мы не смогли бы выжить в этой первичной атмосфере. Заместо кислорода в ней присутствовало огромное количество других, ядовитых для нас, газов, к примеру сероводород (которым пахнут тухлые яичка). Но есть некие примитивные формы жизни, процветающие конкретно в таких критериях. Возможно, они развились в океанах в итоге случайного соединения атомов в огромные структуры, именуемые макромолекулами, которые обладали способностью собирать другие атомы в океане в подобные же структуры. Таким макаром, они воспроизводили самих себя и плодились. В неких случаях при проигрывании случались ошибки. Обычно, получившаяся в итоге новенькая макромолекула не могла воспроизводить себя и в конце концов разрушалась. Но некие сбои приводили к возникновению новых макромолекул, еще лучше репродуцирующих себя. Владея схожим преимуществом, они удачно теснили начальные макромолекулы. Так было положено начало процессу эволюции, который привел к развитию все более сложных самовоспроизводящихся организмов. 1-ые примитивные формы жизни потребляли разные вещества, включая сероводород, и выделяли кислород. Это равномерно изменило состав атмосферы, приблизив его к сегодняшнему, и послужило предпосылкой для появления более высокоорганизованных форм жизни: рыб, пресмыкающихся, млекопитающих и, в конце концов, людей.
Описанная картина Вселенной базирована на общей теории относительности. Она согласуется со всеми современными наблюдениями. Но математика в реальности не может оперировать нескончаемыми числами, потому, утверждая, что Вселенная началась с Огромного Взрыва, общая теория относительности тем предвещает, что во Вселенной есть точка, где сама эта теория перестает работать. Схожая точка — пример того, что арифметики именуют сингулярностью. Когда теория предвещает сингулярности типа нескончаемой температуры, плотности и кривизны, это свидетельствует о том, что она должна быть как то изменена. Общая теория относительности — неполная теория, так как она не разъясняет, как появилась Вселенная.
Двадцатый век изменил взоры человека на Вселенную. Мы сообразили, какое скромное место занимает наша планетка в необъятности Вселенной; нашли, что время и место искривлены и неотделимы друг от друга; открыли, что Вселенная расширяется и что она имела начало. Но мы также удостоверились, что, рисуя новейшую картину крупномасштабной структуры Вселенной, общая теория относительности терпит беду при описании начала времен.
Двадцатое столетие также вызвало к жизни и другую величавую личную физическую теорию — квантовую механику. Она имеет дело с явлениями, которые происходят в очень малеханьких масштабах. Концепция Огромного Взрыва гласит, что, по видимому, зарождающаяся Вселенная была так мала, что, даже изучая ее «крупномасштабную структуру», нельзя третировать эффектами квантовой механики, необходимыми в микроскопичных масштабах. И сейчас наибольшие надежды в части окончательного постижения Вселенной мы возлагаем на объединение этих 2-ух личных теорий в единую квантовую теорию гравитации. Дальше будет показано, что объединение общей теории относительности с принятым в квантовой механике принципом неопределенности делает вероятным существование конечного места и времени, не имеющего никаких пределов либо границ. И может быть также, что обыденные физические законы действуют везде, в том числе и сначала времен, не приводя ни к каким сингулярностям.