Чи є чорна дірка. Темні зірки Мітчелла – Лапласа. Зірки, що народжують пітьму

Доктор філософії (в галузі фізики) К. ЗЛОЩАСТЯ, Кафедра гравітації та теорії поля, Інститут Ядерних Досліджень, Національний Автономний Університет Мексики.

Про сингулярність, інформацію, ентропію, космологію та багатовимірну Єдину теорію взаємодій у світлі сучасної теорії чорних дір

Наука та життя // Ілюстрації

Ілл. 1. Поблизу зірки, що колапсує, траєкторія світлового променя викривляється її гравітаційним полем.

Чорні дірки, зняті космічним телескопом "Хаббл" у центрах шести галактик. Вони втягують навколишню матерію, яка утворює спіральні рукави і падає на чорну дірку, назавжди ховаючись за обрієм подій.

Ілл. 2. Світловий конус.

В наш час важко знайти людину, яка не чула б про чорні діри. Разом з тим, мабуть, не менш важко відшукати того, хто міг би пояснити, що це таке. Втім, для фахівців чорні діри вже перестали бути фантастикою - астрономічні спостереження давно довели існування як "малих" чорних дірок (з масою порядку сонячної), які утворилися в результаті гравітаційного стиснення зірок, так і надмасивних (до 10 9 мас Сонця), які породили колапс цілих зоряних скупчень у центрах багатьох галактик, включаючи нашу. В даний час мікроскопічні чорні діри шукають у потоках космічних променівнадвисоких енергій (міжнародна лабораторія Pierre Auger, Аргентина) і навіть припускають "налагодити їхнє виробництво" на Великому адронному колайдері (LHC), який планують запустити у 2007 році у ЦЕРНі. Проте справжня роль чорних дірок, їхнє "призначення" для Всесвіту, знаходиться далеко за рамками астрономії та фізики елементарних частинок. При їх вивченні дослідники глибоко просунулися в науковому розумінні насамперед суто філософських питань - що є простір і час, чи існують межі пізнання Природи, який є зв'язок між матерією та інформацією. Спробуємо висвітлити все найважливіше з цієї теми.

1. Темні зірки Мітчелла – Лапласа

Термін "чорна діра" був запропонований Дж. Уілером в 1967 році, проте перші передбачення існування тіл настільки масивних, що навіть світло не може їх покинути, датуються XVIII століттям і належать Дж. Мітчеллу та П. Лапласу. Їхні розрахунки ґрунтувалися на теорії тяжіння Ньютона та корпускулярній природі світла. У сучасному варіанті це завдання виглядає так: якими повинні бути радіус R s та маса M зірки, щоб її друга космічна швидкість (мінімальна швидкість, яку необхідно повідомити тілу на поверхні зірки, щоб воно вийшло зі сфери її гравітаційної дії) дорівнювало швидкості світла c? Застосовуючи закон збереження енергії, отримуємо величину

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

яка відома як радіус Шварцшильда, або радіус сферичної чорної діри (G – гравітаційна постійна). Незважаючи на те, що теорія Ньютона явно не застосовується до реальних чорних дірок, формула (1) сама по собі вірна, що і підтвердив німецький астроном К. Шварцшильд у рамках загальної теорії відносності (ОТО) Ейнштейна, створеної в 1915! У цій теорії формула визначає, до якого розміру має стиснутись тіло, щоб вийшла чорна діра. Якщо для тіла радіуса R і маси M виконується нерівність R/M > 2G/c 2 , то тіло гравітаційно стійке, інакшевоно колапсує (схлопується) у чорну дірку.

2. Чорні дірки від Ейнштейна до Хокінга

По-справжньому послідовна і несуперечлива теорія чорних дірок, або колапсарів, неможлива без урахування викривлюваності простору-часу. Тому не дивно, що вони з'являються як приватні рішення рівнянь ОТО. Згідно з ними, чорна діра - це об'єкт, що викривляє простір-час у своїй околиці настільки, що ніякий сигнал не може бути переданий з її поверхні або зсередини навіть світловим променем. Іншими словами, поверхня чорної діри є межею простору-часу, доступного нашим спостереженням. Аж до початку 70-х років це було твердженням, до якого неможливо додати щось істотне: чорні дірки здавалися "речею в собі" - загадковими об'єктами Всесвіту, внутрішня структура яких незбагненна в принципі.

Ентропія чорних дірок. У 1972 році Я. Бекенштейн висловив гіпотезу, що чорна діра має ентропію, пропорційну площі її поверхні A (для сферичної діри A = 4pR s 2):

S ЧД = C A/4, (2)

де C=kc 3 /Gћ - комбінація фундаментальних констант (k - постійна Больцмана і ћ - постійна Планка). До речі, теоретики вважають за краще працювати в планківській системі одиниць, у цьому випадку C = 1. Більш того, Бекенштейн припустив, що для суми ентропій чорної діри та звичайної матерії, S tot = S речовина + S ЧД, має місце узагальнений другий закон термодинаміки:

D S tot є (S tot) кінцевий - (S tot) початковий? 0, (3)

тобто сумарна ентропія системи неспроможна зменшуватися. Остання формула корисна тим, що з неї можна вивести обмеження на ентропію звичайної матерії. Розглянемо так званий процес Саскінда: є сферично-симетричне тіло "субкритичної" маси, тобто такої, яка ще задовольняє умову гравітаційної стійкості, проте достатньо додати трохи енергії-маси DE, щоб тіло сколапсувало в чорну дірку. Тіло оточене сферичною оболонкою (чия сумарна енергія якраз дорівнює DE), яка падає на тіло. Ентропія системи до падіння оболонки:

(S tot) початкова = S речовина + S оболонка,

(S tot) Кінцевий = S ЧД = A/4.

З (3) та невід'ємності ентропії отримуємо знамените обмеження зверху на ентропію речовини:

S речовина? A/4. (4)

Формули (2) і (3), незважаючи на їх простоту, породили загадку, що справила величезний вплив на розвиток фундаментальної науки. Зі стандартного курсу статистичної фізики відомо, що ентропія системи є не первинним поняттям, а функцією від ступенів свободи мікроскопічних складових системи - наприклад, ентропія газу визначається як логарифм числа можливих мікростанів його молекул. Таким чином, якщо чорна діра має ентропію, то вона повинна мати внутрішню структуру! Тільки в останні рокинамітився справді великий прогрес у сенсі цієї структури , тоді ідеї Бекенштейна були взагалі скептично сприйняті фізиками. Стівен Хокінг, за його власним зізнанням, вирішив спростувати Бекенштейна його ж зброєю – термодинамікою.

Випромінювання Хокінга. Якщо (2) і (3) наділені фізичним змістом, перший закон термодинаміки диктує, що чорна діра повинна мати температуру T. Але дозвольте, яка може бути температура?! Адже в такому разі діра має випромінювати, що суперечить її головній якості! Справді, класична чорна діра температури, яка відрізняється від абсолютного нуля, мати не може. Однак якщо припустити, що мікростани чорної діри підпорядковуються законам квантової механіки, що, взагалі кажучи, практично очевидне, то суперечність легко усувається. Відповідно до квантової механіки, а точніше, її узагальнення – квантової теорії поля, може відбуватися спонтанне народження частинок із вакууму. За відсутності зовнішніх полів пара частка-античастинка, народжена таким чином, анігілює назад у вакуумний стан. Однак, якщо поблизу є чорна діра, її поле притягне найближчу частинку. Тоді, за законом збереження енергії-імпульсу, інша частка піде на більшу відстань від чорної діри, несучи з собою "придане" - частина енергії-маси колапсара (іноді кажуть, що "чорна діра витратила частину енергії на народження пари", що не зовсім коректно, бо виживає не вся пара, лише одна частка).

Як би там не було, в результаті віддалений спостерігач виявить потік всіляких частинок, що випромінюються чорною дірою, яка витрачатиме свою масу на народження пар, поки повністю не випарується, перетворившись на хмару випромінювання. Температура чорної діри обернено пропорційна її масі, таким чином, більш масивні випаровуються повільніше, бо час їхнього життя пропорційно кубу маси (у чотиривимірному просторі-часі). Наприклад, час життя чорної діри з масою M порядку сонячної перевищує вік Всесвіту, тоді як мікродира з M = 1 тераелектронвольт (10 12 еВ, приблизно 2 . 10-30 кг) живе близько 10-27 секунд.

3. Чорні дірки та сингулярності

У науково-фантастичній літературі і фільмах чорна діра зазвичай представляється таким собі космічним Гаргантюа, який безжально пожирає кораблі з відважними блондинками і навіть цілі планети. На жаль, якби фантасти знали про сучасну фізику трохи більше, вони б не були настільки несправедливими до чорних дірок. Справа в тому, що колапсари фактично захищають Всесвіт від набагато більш грізних монстрів.

Сингулярністю називається точка простору, в якій його кривизна необмежено прагне до нескінченності, - простір-час як би рветься у цій точці. Сучасна теорія говорить про існування сингулярностей як про неминучий факт - з математичної точки зору, розв'язки рівнянь, що описують сингулярності, також рівноправні, як і всі інші рішення, що описують більш звичні об'єкти Всесвіту, які ми спостерігаємо.

Є тут, однак, дуже серйозна проблема. Справа в тому, що для опису фізичних явищ необхідно не тільки мати відповідні рівняння, але потрібно також поставити граничні та початкові умови. Так от, у сингулярних точках ці умови задати не можна в принципі, що робить передбачуване опис наступної динаміки неможливим. А тепер уявімо, що на ранньому етапі існування Всесвіту (коли він був досить малим і щільним) утворюється безліч сингулярностей. Тоді в областях, які знаходяться всередині світлових конусів цих сингулярностей (іншими словами, причинно-залежних від них), ніякий детерміністський опис неможливий. Ми маємо абсолютний та безструктурний хаос, без натяку на будь-яку причинність. Далі ці області хаосу розширюються з часом у міру еволюції Всесвіту. В результаті до теперішнього часу переважна частина Всесвіту була б цілком стохастичним (випадковим) і про жодні "закони природи" не могло б бути й мови. Не кажучи вже про блондинки, планети та інші неоднорідності на кшталт нас з вами.

На щастя, ситуацію рятують наші ненаситні ненажери. Математична структура рівнянь фундаментальної теорії та його рішень вказує на те, що в реальних ситуаціях просторові сингулярності повинні з'являтися не власними силами, а виключно всередині чорних дірок. Як тут не згадати міфологічних титанів, які намагалися запанувати Хаос на Землі, але скинутих Зевсом і Ко в Тартар і благополучно ув'язнених там навіки.

Таким чином, чорні діри відокремлюють сингулярності від решти Всесвіту і не дозволяють їм впливати на її причинно-наслідкові зв'язки. Цей принцип заборони існування "голих" (англ. naked) сингулярностей, тобто оточених горизонтом подій, запропонований Р. Пенроузом в 1969 році, отримав назву гіпотези космічної цензури. Як це часто буває з фундаментальними принципами, повністю він не доведений, але принципових порушень поки що не було помічено - Космічний цензор на пенсію поки що не збирається.

4. "Інформаційноємність" матерії та теорія великого об'єднання

Локальна квантова теорія чудово зарекомендувала себе при описі всіх відомих елементарних взаємодій, крім гравітаційної. Отже, фундаментальна квантова теорія з урахуванням ВТО також належить до цього типу? Якщо прийняти цю гіпотезу, неважко показати, що максимальна кількість інформації S, яку можна запасти в шматку речовини об'єму V, дорівнює V, виміряному в планківських одиницях об'єму V P ~10 -99 см 3 з точністю до множника, що залежить від конкретної теорії:

S речовина ~ V. (5)

Однак ця формула вступає в суперечність з (4), так як у планківських одиницях A набагато менше за V для відомих фізичних систем (співвідношення A/V становить близько 10 -20 для протона і 10 -41 для Землі). То яка ж із формул вірна: (4), що базується на ОТО та властивостях чорних дірок у квазікласичному наближенні, або (5), заснована на екстраполяції звичайної квантової теорії поля до планківських масштабів? В даний час є дуже сильні аргументи на користь того, що "мертва" швидше за формула (5), ніж (4).

Це, у свою чергу, може означати, що фундаментальна теорія матерії не просто чергова модифікація квантової теорії поля, сформульованої "за обсягом", а якась теорія, що "живе" на певній поверхні, що обмежує цей обсяг. Гіпотеза отримала назву голографічного принципу, за аналогією з оптичною голограмою, яка, будучи плоскою, дає об'ємне зображення. Принцип відразу ж викликав великий інтерес, тому що теорія "на поверхні" - це щось принципово нове, також суттєве спрощення математичного опису: через зниження просторової розмірності на одиницю, поверхні мають менше геометричних ступенів свободи. Повною мірою голографічна гіпотеза поки не доведена, але вже існують два загальновизнані підтвердження - підступне обмеження на ентропію речовини та AdS/CFT-відповідність.

Перше дає рецепт обчислення статистичної ентропії (4) для загального випадку матеріального тіла, як певної величини, що обчислюється на світлоподібних світових поверхнях, ортогональних поверхні тіла (хай вибачить мені невибагливий читач за цю фразу). Загальна ідеяполягає у наступному. Що вжити за міру ентропії у викривленому просторі-часі, тобто як її правильно порахувати? Наприклад, у разі розподілу кулі по ящиках (див. "Подробиці для допитливих") мірою ентропії фактично є число ящиків, у разі звичайного газу - його обсяг, віднесений до усередненого обсягу молекули. Але в чотиривимірному просторі-часі обсяг чого б там не було величина не абсолютна (пам'ятаєте лоренцеве скорочення довжин?). Ну а поняття "ящика", самі розумієте, дещо виходить за межі елементарних понять фундаментальної науки. Загалом, необхідно визначити міру ентропії через елементарні поняття диференціальної геометрії, які були б коваріантними, тобто значення яких змінювалися залежно від положення спостерігача чітко певним чином.

Нехай N – світлоподібна гіперповерхня (узагальнений світловий конус) деякої сукупності просторових точок S. Грубо кажучи, N – це безліч фотографій S, зроблених через нескінченно малі проміжки часу. Візьмемо два просторові зрізи N, зроблені в різні моменти часу (дві "фотографії"), назвемо їх S1 і S2. Тоді принцип коваріантного обмеження на ентропію речовини, що знаходиться в S, свідчить, що потік ентропії через гіперповерхню N між зрізами S 1 і S 2 менше модуля різниці їх площ, поділеного на чотири (з точністю до розмірного коефіцієнта, що дорівнює 1 у планковій системі одиниць) , або дорівнює йому. Легко бачити, що насправді це та сама формула (4), лише сформульована коректніше з погляду геометрії.

Друге – так звана відповідність між простором анти-де Сіттера (adS) та Конформною теорією поля (CFT) – це реалізація голографії для якогось окремого випадку просторів постійної негативної кривизни, тісно пов'язана з теорією струн. Відповідність свідчить, що Конформна теорія поля, визначена межі простору-часу анти-де Сіттера (тобто просторі з розмірністю на одиницю менше розмірності самого adS), еквівалентна квантової гравітації всередині самого анти-де Ситтера. Фактично це доведена відповідність між високоенергетичними квантовими станами CFT і квантовими обуреннями гравітаційного поля в просторі-часі постійної негативної кривизни. Не забудьте, що теорія струн - один з окремих випадків двовимірної конформної теорії поля, так що напрошуються далекосяжні додатки. На перший погляд, AdS/CFT-відповідність не цікава з погляду фізики: якщо припустити, що глобально наш Всесвіт є чотиривимірним простір анти-де Сіттера (adS 4), то він не може розширюватися, в повній незгоді з астрономічними спостереженнями, що сягають ще до Хаббла. Однак є надія, що AdS/CFT-відповідність і сама по собі все ж таки зможе знайти фізичні програми. Якщо припустити, що наш чотиривимірний Всесвіт (необов'язково антидеситтерівського типу) вкладено в, скажімо, п'ятивимірний простір негативної кривизни (AdS 5), то виходять так звані космологічні моделі "(мем) лайливих світів" (англ. brane-world). Тоді вбиваємо відразу двох зайців: (а) простір багатовимірно, як і передбачає теорія струн, (б) AdS/CFT-відповідність працює, тобто за його допомогою можна щось порахувати. Останнє означає, що деякі властивості Всесвіту (експериментально перевіряються) можуть бути передбачені за допомогою прямих обчислень, а пункти (а) та (б) можна буде підтвердити або спростувати експериментально.

5. Чорні дірки та межа подільності матерії

На зорі минулого століття вождь світового пролетаріату, ймовірно, перебуваючи під враженням відкриттів Резерфорда і Міллікена, народжує знамените "електрон так само невичерпний, як і атом". Це гасло висіло в кабінетах фізики майже всіх шкіл Союзу. На жаль, слоган Ілліча так само невірний, як і деякі його політекономічні погляди. Дійсно, "невичерпність" має на увазі наявність нескінченної кількості інформації в будь-якому скільки завгодно малому обсязі речовини V. Однак максимум інформації, яку може вмістити V, згідно (4) обмежений зверху.

Яким чином існування цієї межі "інформаційної ємності" має виявлятися фізично? Почнемо трохи здалеку. Що таке сучасні колайдери, тобто, прискорювачі елементарних частинок? По суті це дуже великі мікроскопи, завдання яких - збільшення дозволу по довжинах Dx. А як можна покращити дозвіл? Зі співвідношення невизначеностей Гейзенберга DxDp = const слід, що, якщо хочеш зменшити Dx, потрібно збільшити імпульс p і, як наслідок, енергію E частинок. І ось уявімо, що хтось отримав у своє розпорядження коллайдер необмеженої потужності. Чи зможе він, відкриваючи дедалі нові частки, нескінченно отримувати інформацію?

На жаль, ні: безперервно збільшуючи енергію частинок, що зіштовхуються, він рано чи пізно досягне стадії, коли відстань між якими-небудь частинками з них в області зіткнення стане порівнянно з відповідним радіусом Шварцшильда, що негайно спричинить народження чорної діри. Починаючи з цього моменту вся енергія нею поглинатиметься, і, скільки не збільшуй потужність, нової інформації вже не отримаєш. Сама ж чорна діра при цьому інтенсивно випаровуватиметься, повертаючи енергію в навколишній простір у вигляді потоків субатомних частинок. Таким чином, закони чорних дірок, разом із законами квантової механіки, неминуче означають існування експериментальної межі дроблення матерії.

У цьому сенсі досягнення "чорнодирного" порогу на колайдерах майбутнього неминуче означатиме кінець старої доброї фізики елементарних частинок - принаймні у тому вигляді, як вона розуміється зараз (тобто як безперервне поповнення музею елементарних частинок новими експонатами). Але натомість відкриються нові перспективи. Прискорювачі будуть служити нам уже як інструмент дослідження квантової гравітації та "географії" додаткових вимірів Всесвіту (проти існування яких на Наразіпоки що не висунуто будь-яких переконливих аргументів).

6. Фабрики чорних дірок Землі?

Отже, ми з'ясували, що прискорювачі елементарних частинок, в принципі, здатні виробляти мікроскопічні чорні дірки. Питання: яку вони мають розвивати енергію, щоб отримувати хоча б одну таку подію на місяць? Донедавна вважалося, що ця енергія надзвичайно велика, близько 10 16 тераелектронвольт (для порівняння: LHC зможе дати не більше 15 ТЕВ). Однак якщо виявиться, що на малих масштабах (менше 1 мм) наш простір-час має число вимірів більше чотирьох, поріг необхідної енергії значно зменшується і може бути досягнуто вже на LHC. Причина полягає у посиленні гравітаційної взаємодії, коли вступлять у гру передбачувані додаткові просторові виміри, які не спостерігаються за нормальних умов. Так, якщо звичайна сила гравітаційного тяжіння між масивними тілами в чотиривимірному просторі-часі обернено пропорційна квадрату відстані між ними, то за наявності n додаткових компактних вимірювань вона модифікується в F грав ~ 1/r (2 + n) при r ? r n де r n - максимальний розмір цих вимірювань. Тоді зі зменшенням r F грав зростає набагато швидше, ніж згідно із законом зворотних квадратів, і вже на відстанях близько 10 (-17+32/n) сантиметрів компенсує силу електростатичного відштовхування. Адже саме вона була причиною високої порогової енергії: щоб подолати кулонівські сили і наблизити частинки, що стикаються, на необхідну відстань r = R s , доводилося повідомляти часткам пучка більшу кінетичну енергію. У разі існування додаткових вимірювань прискорене зростання F грав заощаджує значну частину необхідної енергії.

Все вищесказане аж ніяк не означає, що міні-дірки будуть отримані вже на потужностях LHC - це відбудеться лише за найсприятливішого варіанта теорії, яку "обере" Природа. До речі, не слід перебільшувати їхню небезпеку у разі отримання – за законами фізики вони швидко випаруються. Інакше Сонячна система давно припинила б своє існування: протягом мільярдів років планети бомбардуються космічними частинками з енергією на багато порядків вище, ніж досягаються на земних прискорювачах.

7. Чорні дірки та космологічна структура Всесвіту

Теорія струн і більшість динамічних моделей Всесвіту пророкують існування особливого типу фундаментальної взаємодії – глобального скалярного поля (ГСП). У масштабах планети та Сонячної системи його ефекти вкрай малі і важковиявлені, однак у космологічних масштабах вплив ГСП зростає незмірно, тому що його питома частка у середній щільності енергії у Всесвіті може перевищувати 72 відсотки! Наприклад, від нього залежить, чи буде наш Всесвіт розширюватися вічно або врешті-решт стиснеться в крапку. Глобальне скалярне поле - один із найімовірніших кандидатів на роль "темної енергії", про яку так багато пишуть останнім часом.

Чорні діри з'являються у зв'язку з цим дуже несподіваним чином. Можна показати, що їхнє співіснування з глобальним скалярним полем накладає взаємні обмеження на властивості чорних дірок. Зокрема, наявність чорних дірок накладає обмеження на верхню межу ефективної космологічної постійної (параметра ГСП, відповідального за розширення Всесвіту), тоді як ГСП обмежує нижню межу їх мас (а значить, ентропії та зворотної температури T -1) якоюсь позитивною величиною. Іншими словами, чорні дірки, будучи "локальними" і, за мірками Всесвіту, крихітними об'єктами, проте самим фактом свого існування впливають на її динаміку та інші глобальні характеристики опосередковано через глобальне скалярне поле.

Епілог

Ейнштейн одного разу сказав, що людський розум, одного разу "розширений" геніальною ідеєю, вже ніколи не зможе стиснутись до первісного стану. Це прозвучить трохи парадоксально, але дослідження гранично стисненого стану матерії було, є і довгий час буде одним із головних шляхів та стимулів розширення меж людського інтелекту та пізнання фундаментальних законів світобудови.

ПОДРОБИЦІ ДЛЯ БУДЬ-ЯКІХ

Поняття ентропії

Згідно з однією легендою, коли Клод Шеннон (Claude Shannon), гігант думки і батько теорії інформації, мучився питанням, як йому назвати щойно винайдене поняття, він попросив поради в іншого гіганта, Джона фон Неймана (John von Neumann). Відповіддю було: "Назвіть це ентропією – тоді у дискусіях ви отримаєте солідну перевагу – бо ніхто не знає, що таке ентропія в принципі". Так народилося поняття "ентропії по Шеннону" (Shannon entropy), що нині широко використовується в теорії інформації.

Що ж, рівні незнання можуть бути різними - від повного невігластва до глибокого розуміння всієї складності проблеми. Спробуємо дещо покращити наш рівень незнання ентропії.

Статистична ентропія, введена Людвігом Больцманом (Ludwig Boltzmann) у 1877 році, - це, власне кажучи, міра кількості можливих станів системи. Припустимо, ми маємо дві системи, що складаються з ящиків та однієї кульки у кожній з них. Перша система "ящики плюс кулька" має лише 1 ящик, друга - 100 ящиків. Питання - в якому ящику знаходиться кулька в кожній системі? Зрозуміло, що у першій системі може бути лише у одному ящику. Пам'ятаєте формулу "Ентропія є логарифмом числа можливих станів"? Тоді ентропія першої системи дорівнює log1, тобто нулю, що відбиває факт повної визначеності (до речі, це з причин, чому у визначенні ентропії був використаний логарифм). Що стосується другої системи, то тут ми маємо невизначеність: кулька може знаходитись у будь-якій із 100 ящиків. В цьому випадку ентропія дорівнює log100, тобто не дорівнює нулю. Зрозуміло, що чим більше ящиків у системі, тим більша її ентропія. Тому і говорять часто про ентропію як про міру невизначеності, бо наші шанси "зафіксувати" кульку в конкретному ящику зменшуються зі збільшенням їхньої кількості.

Зауважте, що у цьому питанні нас не цікавлять Фізичні властивостіні ящиків, ні кульки (колір, форма, маса, та інше), тобто ентропія є поняття реляційного типу * , універсальне за своєю сутністю і іноді (але не завжди) наділене конкретним фізичним змістом. Ми могли б замінити кульки електронами, а ящики - вакансіями в твердому тілі (або навіть якимись абстрактними категоріями, як, наприклад, у теорії інформації), а поняття ентропії, як і раніше, було б застосовним і корисним.

Термодинамічна ж ентропія, запропонована в 1865 році Рудольфом Клаузіусом (Rudolf Clausius) і, як ми знаємо зі школи, задана формулою dS = dQ/T, де dQ - підведення теплоти до елемента речовини, T - температура, при якій він знаходиться, - це окремий випадок статистичної ентропії, справедливий, наприклад, для теплових машин. Раніше вважалося, що термодинамічна ентропія не може бути застосована до чорних дірок, але Бекенштейн і Хокінг показали, що це не так, за належного визначення понять T і S (див. гл. 2).

"Парадокси" чорних дірок

В Інтернеті я знайшов цікаве твердження. Його автор, Андрій, звернув увагу на кілька парадоксальних, на його думку, аспектів фізики ЧД: "У всіх книгах про чорні дірки […] сказано, що час падіння будь-кого (чого-небудь) у чорну дірку нескінченний у системі відліку, А час випаровування чорної діри в цій же системі відліку звичайно, тобто той, хто туди падатиме, не встигне цього зробити, тому що чорна діра вже випарується. те тіло, близьке за своєю масою до чорної діри, стискатиметься до чорної діри теж нескінченний час, тобто всі чорні діри […] розташовані тільки в майбутньому по відношенню до віддаленого спостерігача і їх колапс (стиснення) завершиться тільки після нескінченної кількості часу […] З цього твердження випливає, що ніякого інформаційного парадоксу немає - інформація просто загубиться після нескінченно великого часу, але це не повинно нас хвилювати, тому що цього принципово не можна дочекатися ...".

Це чудова ілюстрація головної дилеми науково-популярної літератури - намагаючись спростити виклад, автори книг змушені поступатися рівнем математичної суворості. Тому фраза, на якій Андрій базує свої висновки, "час падіння будь-кого (чого-небудь) у чорну дірку нескінченно в системі відліку, пов'язаної з віддаленим спостерігачем", взагалі кажучи, неправильна.

Насправді фізично коректне формулювання виглядає так: "час падіння будь-кого (чого-небудь) у статичну чорну дірку нескінченно в системі відліку, пов'язаної з віддаленим статичним спостерігачем". Іншими словами, її застосування обмежена ідеалізованим випадком, коли характеристики діри незмінні в часі (тобто явно не тоді, коли вона росте або випаровується), а будь-яке падаюче тіло передбачається пробним, досить малим, щоб знехтувати змінами діри, викликаними його падінням.

У тих самих фізичних ситуаціях, про які говорить Андрій, як сама дірка, і простір -час у її околиці що неспроможні вважатися статичними. Внаслідок цього статичних (стосовно дірки) спостерігачів як таких просто не існує. Всі спостерігачі рухаються і всі рівноправні, а "час падіння кого-небудь (чого-небудь) у чорну дірку", виміряний по їх годинах, або звичайно в їх системах відліку, або не визначено (наприклад, коли спостерігач знаходиться поза світловим конусом, що падає на дірку тіла).

Ось такий короткий варіант відповіді. Щоб зрозуміти такі речі на глибшому рівні, необхідний серйозний математичний апарат (викладений, наприклад, у книзі Хокінга та Елліс): діаграми Картера-Пенроуза, конформні відображення, топологія різноманітностей та багато іншого.

Системи одиниць

У системах одиниць фізичних вимірів частина одиниць приймаються за основні, проте інші стають похідними від них. Так, наприклад, у СІ основні одиниці механіки - метр, кілограм та секунда. А одиниця сили, ньютон, що має розмірність кг . м/с 2 - похідна від них. Розмір основних одиниць вибирається довільно; їх вибір визначає величину коефіцієнтів у рівняннях.

У багатьох областях фізики зручніше користуватися так званими природними системами одиниць. Вони за основні одиниці прийняті фундаментальні постійні - швидкість світла у вакуумі c, гравітаційна постійна G, постійна Планка ћ, постійна Больцмана k та інші.

У природній системі одиниць Планка прийнято вважати c = ћ = G = k = 1. Система названа на честь німецького фізика Макса Планка, який запропонував її 1899 року. Вона використовується в космології і особливо зручна для опису процесів, в яких одночасно спостерігаються і квантові, і гравітаційні ефекти, наприклад, у теорії чорних дірок і теорії раннього Всесвіту.

Світловий конус

Коли тіло рухається у просторі з точки з координатами (x = 0, y = 0) з постійною швидкістю v, графік залежності його координати від часу (світова лінія) має вигляд прямої, що визначається рівнянням x = vt. Оскільки швидкість тіла не може бути більшою за світлову, ця пряма розташовується не вище прямої x = ct (майбутнє) і не нижче прямої x = _ ct (минуле). При русі тіла в площині (x, y) зі швидкістю v його світова лінія запишеться як x 2 + y 2 = (vt) 2 , а це рівняння конуса. Тому й кажуть, що тіло знаходиться в межах світлового конуса, або світлоподібної гіперповерхні. * До речі, саме тому питання "Так де ж знаходиться ентропія - у кульці чи в ящиках?" позбавлений сенсу.

« Наукова фантастика може бути корисною – вона стимулює уяву та позбавляє страху перед майбутнім. Проте наукові фактиможуть виявитися набагато вражаючі. Наукова фантастика навіть не передбачала наявності таких речей, як чорні дірки»
Стівен Хокінг

У глибинах всесвіту для людини таїться безліч загадок і таємниць. Однією з них є чорні дірки – об'єкти, які можуть зрозуміти навіть найбільші уми людства. Сотні астрофізиків намагаються розкрити природу чорних дірок, проте на даному етапі ми ще навіть не довели їхнє існування на практиці.

Кінорежисери присвячують їм свої фільми, а серед простих людей чорні дірки стали настільки культовим явищем, що їх ототожнюють із кінцем світу та неминучою загибеллю. Їх бояться і ненавидять, але при цьому обожнюють їх і схиляються перед невідомістю, яку таять у собі ці дивні уламки Всесвіту. Погодьтеся, бути поглиненим чорною діркою – та ще романтика. З їхньою допомогою можна, а також вони можуть стати для нас провідниками.

На популярність чорних дірок часто спекулює жовта преса. Знайти заголовки в газетах, пов'язані з кінцем світу на планеті через чергове зіткнення з надмасивною чорною діркою, не проблема. Набагато гірше те, що малограмотна частина населення все сприймає це серйозно та піднімає справжню паніку. Щоб внести дещицю ясності, ми вирушимо в подорож до витоків відкриття чорних дірок і спробуємо зрозуміти, що це таке і як до цього ставитися.

Невидимі зірки

Так уже склалося, що сучасні фізики описують устрій нашого Всесвіту за допомогою теорії відносності, яку людству на початку 20 століття дбайливо надав Ейнштейн. Тим більше, загадковими стають чорні дірки, на горизонті подій яких припиняють діяти всі відомі нам закони фізики та ейнштейнівська теорія в тому числі. Чи це не чудово? До того ж, здогад про існування чорних дірок висловили задовго до народження Ейнштейна.

У 1783 року у Англії спостерігалося значне зростання наукової активності. У ті часи наука йшла пліч-о-пліч з релігією, вони непогано уживалися разом, а вчених уже не вважали єретиками. Понад те, науковими дослідженнями займалися священики. Одним із таких служителів Бога був англійський пастор Джон Мічелл, який ставив не лише питання буття, а й цілком наукові завдання. Мічелл був дуже титулованим вченим: спочатку він був викладачем математики та стародавнього мовознавства в одному з коледжів, а після цього за низку відкриттів було прийнято до Лондонського королівського товариства.

Джон Мічелл займався питаннями сейсмології, але на дозвіллі любив подумати про вічний і космос. Так у нього народилася ідея про те, що десь у глибинах Всесвіту можуть існувати надмасивні тіла з такою потужною гравітацією, що для подолання сили тяжіння такого тіла необхідно рухатися зі швидкістю рівною або вищою за швидкість світла. Якщо прийняти таку теорію за істину, то розвинути другу космічну швидкість (швидкість, необхідна для подолання гравітаційного тяжіння тіла, що залишається) не зможе навіть світло, тому таке тіло залишиться невидимим для неозброєного ока.

Свою нову теорію Мічелл обізвав «темними зірками», а заразом спробував вирахувати масу таких об'єктів. Свої думки з цього приводу він висловив у відкритому листі до Лондонського королівського товариства. На жаль, у ті часи такі дослідження не становили особливої ​​цінності для науки, тому листа Мічелла відправили до архіву. Лише через дві сотні років у другій половині 20 століття вдалося виявити його серед тисяч інших записів, які дбайливо зберігаються в стародавній бібліотеці.

Перші наукові обґрунтування існування чорних дірок

Після виходу Загальної теорії відносності Ейнштейна у світ, математики та фізики всерйоз взялися за рішення представлених німецьким вченим рівнянь, які мали розповісти нам багато нового про влаштування Всесвіту. Тим же вирішив зайнятися і німецький астроном, фізик Карл Шварцшільд у 1916 році.

Вчений за допомогою своїх обчислень дійшов висновку, що існування чорних дірок можливе. Також він першим описав те, що згодом назвали романтичною фразою «горизонт подій» — уявну межу простору-часу біля чорної діри, після перетину якої настає точка неповернення. Через обрій подій не вирветься ніщо, навіть світло. Саме за горизонтом подій настає так звана сингулярність, де відомі нам закони фізики перестають діяти.

Продовжуючи розвивати свою теорію та вирішуючи рівняння, Шварцшильд відкривав для себе та світу нові таємниці чорних дірок. Так, він зміг виключно на папері вирахувати відстань від центру чорної діри, де сконцентровано її масу, до обрії подій. Цю відстань Шварцшильд назвав гравітаційним радіусом.

Незважаючи на те, що математично рішення Шварцшильда були виключно вірні і не могли бути спростовані, наукова спільнота початку 20 століття не могла відразу прийняти таке шокуюче відкриття, і існування чорних дірок було списано на рівень фантастики, яка раз у раз виявлялася в теорії відносності. На найближчі півтора десятки років дослідження космосу щодо наявності чорних дірок було повільним, і займалися ним поодинокі прихильники теорії німецького фізика.

Зірки, що народжують пітьму

Після того, як рівняння Ейнштейна були розібрані по поличках, настав час за допомогою зроблених висновків розумітися на пристрої Всесвіту. Зокрема, теоретично еволюції зірок. Ні для кого не секрет, що в нашому світі ніщо не вічне. Навіть зірки мають свій цикл життя, нехай і довший, ніж людина.

Одним із перших учених, які серйозно зацікавилися зоряною еволюцією, став молодий астрофізик Субраманьян Чандрасекар – уродженець Індії. У 1930 році він випустив наукову роботу, в якій описувалося передбачуване внутрішня будовазірок, а також цикли їхнього життя.

Вже на початку 20 століття вчені здогадувалися про таке явище, як гравітаційне стиснення (гравітаційний колапс). У певний момент свого життя зірка починає стискатися з величезною швидкістю під впливом гравітаційних сил. Як правило, це відбувається в момент смерті зірки, проте при гравітаційному колапсі є кілька шляхів подальшого існування розжареної кулі.

Науковий керівник Чандрасекара Ральф Фаулер – шановний свого часу фізик-теоретик – припускав, що під час гравітаційного колапсу будь-яка зірка перетворюється на дрібнішу та гарячу – білого карлика. Але сталося, що учень «зламав» теорію вчителя, яку розділяла більшість фізиків початку минулого століття. Відповідно до роботи молодого індуса, смерть зірки залежить від її початкової маси. Наприклад, білими карликами можуть ставати ті зірки, чия маса вбирається у 1.44 від маси Сонця. Це число було названо межею Чандрасекара. Якщо ж маса зірки перевищувала цю межу, вона помирає зовсім інакше. За певних умов така зірка в момент смерті може відродитися в нову, нейтронну зірку – ще одну загадку сучасного Всесвіту. Теорія відносності ж підказує нам ще один варіант - стиснення зірки до надмалих величин, і тут починається найцікавіше.

У 1932 році в одному з наукових журналівЗ'являється стаття, в якій геніальний фізик з СРСР Лев Ландау припустив, що при колапс надмасивна зірка стискається в крапку з нескінченно малим радіусом і нескінченною масою. Незважаючи на те, що така подія дуже складно уявити з погляду непідготовленої людини, Ландау був недалеко від істини. Також фізик припустив, що згідно з теорією відносності, гравітація в такій точці буде настільки великою, що почне спотворювати простір-час.

Теорія Ландау сподобалася астрофізикам і вони продовжили її розвивати. У 1939 році в Америці завдяки зусиллям двох фізиків – Роберта Оппенгеймера та Хартленда Снейдера – з'явилася теорія, яка докладно описує надмасивну зірку на момент колапсу. В результаті такої події мала з'явитися справжня чорна діра. Незважаючи на переконливість доказів, вчені продовжували заперечувати можливість існування подібних тіл, як і перетворення на них зірок. Навіть Ейнштейн відсторонився від цієї ідеї, вважаючи, що зірка не здатна на такі феноменальні перетворення. Інші фізики не скупилися у висловлюваннях, називаючи можливість таких подій безглуздими.
Втім, наука завжди досягає істини, варто лише трохи почекати. Так і вийшло.

Найяскравіші об'єкти у Всесвіті

Наш світ – сукупність парадоксів. Іноді в ньому вживаються речі, співіснування яких не піддається жодній логіці. Наприклад, термін «чорна діра» не асоціюватиметься у нормальної людини з виразом «неймовірно яскравий», проте відкриття початку 60-х років минулого століття дозволило вченим вважати це твердження невірним.

За допомогою телескопів астрофізикам вдалося виявити невідомі до того моменту об'єкти на зоряному небі, які поводилися дуже дивно, незважаючи на те, що виглядали як звичайні зірки. Вивчаючи ці дивні світила, американський вчений Мартін Шмідт звернув увагу на їхню спектрографію, дані якої показували відмінні від сканування інших зірок результати. Простіше кажучи, ці зірки були схожі інші, звичні нам.

Раптом Шмідта осяяло, і він звернув увагу на зсув спектру в червоному діапазоні. Виявилося, що ці об'єкти набагато далі від нас, ніж зірки, що ми звикли спостерігати в небі. Наприклад, об'єкт, що спостерігається Шмідтом, був розташований у двох з половиною мільярдах світлових років від нашої планети, але світив так само яскраво, як і зірка в якихось сотні світлових років від нас. Виходить, світло від одного такого об'єкта можна порівняти з яскравістю цілої галактики. Таке відкриття стало справжнім проривом в астрофізиці. Вчений назвав ці об'єкти "quasi-stellar" або просто "квазар".

Мартін Шмідт продовжив вивчення нових об'єктів і з'ясував, що таке яскраве світіння може бути викликане лише з однієї причини – акреції. Акреція - це процес поглинання надмасивним тілом навколишньої матерії за допомогою гравітації. Вчений дійшов висновку, що в центрі квазарів знаходиться величезна чорна діра, яка з неймовірною силою втягує в себе матерію, що її оточує в просторі. У процесі поглинання діркою матерії частки розганяються до величезних швидкостей і починають світитися. Своєрідний купол навколо чорної діри, що світиться, називається акреаційним диском. Його візуалізація була добре продемонстрована у кінострічці Крістофера Нолана «Інтерстеллар», яка породила безліч запитань «як чорна діра може світитися?».

Сьогодні вчені знайшли на зоряному небі вже тисячі квазарів. Ці дивні неймовірно яскраві об'єкти називають маяками Всесвіту. Вони дозволяють нам трохи краще уявити пристрій космосу та ближче підійти до моменту, з якого все почалося.

Незважаючи на те, що астрофізики вже багато років отримували непрямі докази існування надмасивних невидимих ​​об'єктів у Всесвіті, термін «чорна діра» не існувало аж до 1967 року. Щоб уникнути складних назв, американський фізик Джон Арчібальд Віллер запропонував назвати такі об'єкти «чорними дірками». Чому б і ні? Якоюсь мірою вони чорні, адже ми їх не можемо побачити. До того ж вони всі притягують, у них можна впасти, як у справжню дірку. Та й вибратися з такого місця за сучасними законами фізики просто неможливо. Втім, Стівен Хокінг стверджує, що під час подорожі крізь чорну дірку можна потрапити до іншого Всесвіту, іншого світу, а це вже надія.

Страх нескінченності

Через зайву таємничість та романтизацію чорних дірок, ці об'єкти стали справжньою страшилкою серед людей. Жовта преса любить спекулювати на неграмотності населення, видаючи в тираж чудові історії про те, як на нашу Землю рухається величезна чорна діра, яка за лічені години поглине Сонячну систему, або просто випромінює хвилі токсичного газу в бік нашої планети.

Особливо популярна тема знищення планети за допомогою Великого Адронного Колайдера, побудованого в Європі в 2006 році на території Європейської ради з ядерних досліджень (CERN). Хвиля паніки починалася як чийсь дурний жарт, проте наростала як снігова куля. Хтось пустив чутки, що в прискорювачі частинок коллайдера може утворитися чорна діра, яка поглине нашу планету цілком. Звичайно, обурений народ почав вимагати заборонити експерименти в ВАК, злякавшись такого результату подій. До Європейського суду почали надходити позови з вимогою закрити колайдер, а вчених, які його створили, покарати по всій суворості закону.

Насправді фізики не заперечують, що при зіткненні частинок у Великому Адронному Колайдері можуть виникати об'єкти, схожі за властивостями на чорні дірки, однак їх розмір знаходиться на рівні розмірів елементарних частинок, а існують такі «дірки» настільки недовго, що нам навіть не вдається зафіксувати їхнє виникнення.

Одним із головних фахівців, які намагаються розвіяти хвилю невігластва перед людьми, є Стівен Хокінг – знаменитий фізик-теоретик, який до того ж вважається справжнім «гуру» щодо чорних дірок. Хокінг довів, що чорні дірки не завжди поглинають світло, яке з'являється в акреаційних дисках, і його частина розсіюється у простір. Таке явище було названо випромінюванням Хокінга, або випаровуванням чорної діри. Також Хокінг встановив залежність між розміром чорної дірки та швидкістю її «випаровування» — чим вона менша, тим менше існує в часі. А це означає, що всім противникам Великого Адронного Колайдера не варто переживати: чорні дірки в ньому не зможуть проіснувати мільйонної частки секунди.

Теорія, яка не доведена практикою

На жаль, технології людства на даному етапі розвитку не дозволяють нам перевірити більшість теорій, розроблених астрофізиками та іншими вченими. З одного боку, існування чорних дірок досить переконливо доведено на папері та виведено за допомогою формул, у яких усе зійшлося з кожною змінною. З іншого, на практиці нам поки не вдалося побачити на власні очі справжню чорну дірку.

Незважаючи на всі розбіжності, фізики припускають, що в центрі кожної з галактик знаходиться надмасивна чорна діра, яка збирає своєю гравітацією зірки в скупчення і змушує мандрувати Всесвітом великою і дружною компанією. У нашій галактиці Чумацький шлях за різними оцінками налічується від 200 до 400 мільярдів зірок. Всі ці зірки обертаються навколо чогось, що має величезну масу, навколо чогось, що ми не можемо побачити в телескоп. З великою часткою ймовірності це чорна діра. Чи варто її боятися? – Ні, принаймні не найближчі кілька мільярдів років, але ми можемо зняти про неї ще один цікавий фільм.

Чорні дірки завжди були одним із найцікавіших об'єктів спостережень вчених. Будучи самими великими об'єктами, що у Всесвіті, вони водночас недосяжні і недоступні людству повною мірою. Мине ще чимало часу, поки ми дізнаємося про ті процеси, які відбуваються поблизу «точки неповернення». Що таке чорна дірка з погляду науки?

Давайте поговоримо про ті факти, які все ж таки стали відомі дослідникам в результаті тривалих робіт.

1. Чорні дірки насправді не чорні

Так як чорні дірки випромінюють електромагнітні хвилі, то вони можуть бути не чорними, а навіть навпаки цілком різнокольоровими. І виглядає це дуже вражаюче.

2. Чорні дірки не втягують матерію

Серед простих смертних склався стереотип, що чорна дірка — величезний пилосос, який тягне навколишній простір. Не будемо чайниками і спробуємо розібратися, що це насправді.

Загалом (не вдаючись у складності квантової фізики та астрономічних досліджень) чорну дірку можна представити як космічний об'єкт, у якого сильно завищено гравітаційне поле. Наприклад, якби на місці Сонця була чорна діра такого ж розміру, то... нічого не сталося б, і наша планета продовжила б обертатися по тій же орбіті. "Поглинають" чорні дірки лише частини матерії зірок у вигляді зоряного вітру, властивого будь-якій зірці.

3. Чорні дірки можуть породжувати нові всесвіти

Звичайно ж, цей факт звучить як щось із ряду фантастики, тим більше, що немає доказів існування інших всесвітів. Проте вченими досить щільно вивчаються такі теорії.

Якщо казати простою мовою, то якби хоч одна фізична константа у світі змінилася на невелику величину, ми втратили можливість існування. Сингулярність чорних дірок скасовує звичні закони фізики і може (принаймні, теоретично) породити новий всесвіт, що відрізняється за тими чи іншими параметрами від нашої.

4. Чорні дірки випаровуються з часом

Як було сказано раніше, чорні діри поглинають зірковий вітер. Крім цього, вони повільно, але вірно випаровуються, тобто віддають свою масу в навколишній простір, а потім і зникають зовсім. Це явище було відкрито в 1974 році і названо випромінюванням Хокінга, на честь Стівена Хокінга, який і зробив це відкриття світу.

5. Відповідь на запитання «що таке чорна діра» була передбачена Карлом Шварцшильдом

Як відомо, автор теорії відносності, пов'язаної з Альберт Ейнштейн. Але вчений не приділяв належної уваги вивченню небесних тіл, хоча його теорія могла і навіть передбачила існування чорних дірок. Таким чином, Карл Шварцшільд став першим ученим, який застосував загальну теорію відносності для обґрунтування існування «крапки неповернення».

Цікавим є той факт, що це сталося 1915 року, одразу ж після того, як Ейнштейн опублікував загальну теорію відносності. Саме тоді виник термін «радіус Шварцшильда» — грубо кажучи, це величина сили, з якою необхідно стиснути об'єкт, щоб він перетворився на чорну дірку. Однак, це завдання не з легких. Давайте розберемося чому.

Справа в тому, що теоретично чорною дірою може стати будь-яке тіло, але при впливі на нього певного ступеня стиснення. Наприклад, плід арахісу міг би стати чорною дірою, якби мав масу планети Земля…

Цікаві факти: Чорні дірки - єдині у своєму роді космічні тіла, що мають здатність притягувати силою гравітації світло.

6. Чорні дірки викривляють простір поруч із собою

Представимо весь простір всесвіту у вигляді вінілової платівки. Якщо її покласти розпечений предмет, вона змінить свою форму. Те саме відбувається і з чорними дірками. Їхня гранична маса притягує до себе все, в тому числі і промені світла, за рахунок чого простір навколо них викривляється.

7. Чорні дірки обмежують кількість зірок у Всесвіті

.... Адже, якщо зірки запалюють -

значить, це комусь потрібно?

В.В. Маяковський

Зазвичай повністю сформовані зірки є хмарою остиглих газів. Випромінювання чорних дірок не дає газовим хмарам остигати, а отже, запобігає появі зірок.

8. Чорні діри є найдосконалішими енергетичними установками

Чорні діри виробляють більше енергії, ніж Сонце та інші зірки. Причиною цього є матерія, що знаходиться навколо неї. Коли матерія долає обрій подій на великій швидкості, вона розігрівається на орбіті чорної діри до гранично високої температури. Це називають випромінюванням абсолютно чорного тіла.

Цікавий факт: У процесі ядерного синтезу енергією стають 0,7% матерії. Поблизу чорної діри на енергію перетворюється 10% матерії!

9. Що буде, якщо потрапити в чорну дірку?

Чорні діри "розтягують" тіла, що знаходяться поряд з ними. Внаслідок цього процесу предмети починають нагадувати спагетті (є навіть спеціальний термін - "спагеттифікація" =).

Хоча цей факт і може здатися жартівливим, йому є пояснення. Це відбувається завдяки фізичному принципу сили тяжіння. Візьмемо як приклад тіло людини. Перебуваючи на землі, наші ноги знаходяться до центру Землі ближче ніж голова, тому вони притягуються сильніше. На поверхні чорної діри ноги притягуються до центру чорної діри набагато швидше, і тому верхня частина тулуба просто не встигає за ними. Підсумок: спагеттифікація!

10. Теоретично будь-який об'єкт може стати чорною дірою

І навіть Сонце. Єдине, що не дозволяє сонцю перетворитись на абсолютно чорне тіло — сила гравітації. У центрі чорної діри вона в рази сильніша, ніж у центрі Сонця. В даному випадку, якби наше світило було стиснуто до чотирьох кілометрів у діаметрі, то цілком могло б стати чорною діркою (за рахунок великої маси).

Але це теоретично. На практиці відомо, що чорні дірки з'являються лише в результаті колапсу надвеликих зірок, що перевищують Сонце масою в 25-30 разів.

11. Чорні дірки уповільнюють час поблизу себе

Основна теза цього факту — з наближенням до горизонту подій час уповільнюється. Це можна проілюструвати з допомогою «парадоксу близнюків», що часто використовується при поясненні положень теорії відносності.

Основна ідея полягає в тому, що один із братів-близнюків відлітає в космос, а другий залишається на Землі. Повернувшись додому, близнюк виявляє, що брат постарів більше, ніж він, тому що при русі на швидкості, наближеній до швидкості світла, час починає йти повільніше.

Чорна діра виникає в результаті колапсу надмасивної зірки, в ядрі якої закінчується паливо для ядерної реакції. У міру стиснення температура ядра підвищується, а фотони з енергією понад 511 кеВ, зіштовхуючись, утворюють електрон-позитронні пари, що призводить до катастрофічного зниження тиску та подальшого колапсу зірки під впливом власної гравітації.

Астрофізик Етан Сігел (Ethan Siegel) опублікував статтю «Найбільша чорна діра у відомому Всесвіті», в якій зібрав інформацію про масу чорних дірок у різних галактиках. Просто цікаво: де ж наймасивніша з них?

Оскільки найщільніші скупчення зірок - у центрі галактик, то зараз практично у кожної галактики в центрі знаходиться масивна чорна діра, утворена після злиття безлічі інших. Наприклад, у центрі Чумацького шляху є чорна діра масою приблизно 0,1% нашої галактики, тобто у 4 млн разів більша за масу Сонця.

Визначити наявність чорної діри дуже легко, вивчивши траєкторію руху зірок, які впливає гравітація невидимого тіла.

Але Чумацький шлях – відносно маленька галактика, яка ніяк не може мати у себе найбільшої чорної діри. Наприклад, недалеко від нас у скупченні Діви знаходиться гігантська галактика Messier 87 - вона приблизно в 200 разів більша за нашу.

Так ось, із центру цієї галактики виривається потік матерії завдовжки близько 5000 світлових років (на фото). Це божевільна аномалія, пише Етан Сігел, але виглядає дуже гарно.

Вчені вважають, що поясненням такого виверження з центру галактики може бути тільки чорна діра. Розрахунок показує, що маса цієї чорної діри десь у 1500 разів більша, ніж маса чорної діри в Чумацькому шляху, тобто приблизно 6,6 млрд мас Сонця.

Але де ж у Всесвіті найбільша чорна діра? Якщо виходити з розрахунку, що в центрі майже кожної галактики є такий об'єкт з масою 0,1% від маси галактики, потрібно знайти наймасивнішу галактику. Вчені можуть дати відповідь і це питання.

Найпотужніша з відомих нам - галактика IC 1101 в центрі скупчення Abell 2029, який знаходиться від Чумацького шляху в 20 разів далі, ніж скупчення Діви.

У IC 1101 відстань від центру до найдальшого краю - близько 2 млн світлових років. Її розмір удвічі більший, ніж відстань від Чумацького шляху до найближчої до нас галактики Андромеди. Маса майже дорівнює масі всього скупчення Діви!

Якщо в центрі IC 1101 є чорна діра (а вона повинна там бути), то вона може бути наймасивнішою у відомому нам Всесвіті.

Етан Сігел каже, що може помилитися. Причина - в унікальній галактиці NGC 1277. велика галактикатрохи менше нашої. Але аналіз її обертання показав неймовірний результат: чорна дірка в центрі становить 17 млрд. сонячних мас, а це аж 17% загальної маси галактики. Це рекорд із співвідношення маси чорної діри до маси галактики.

Є ще один кандидат на роль найбільшої чорної діри у відомому Всесвіті. Він зображений на наступній фотографії.

Дивний об'єкт OJ 287 називається блазар. Блазар - особливий клас позагалактичних об'єктів, різновид квазарів. Вони відрізняються дуже потужним випромінюванням, яке OJ 287 змінюється з циклом 11-12 років (з подвійним піком).

На думку астрофізиків, OJ 287 включає надмасивну центральну чорну дірку, по орбіті якої обертається ще одна чорна діра меншого розміру. Центральна чорна діра в 18 млрд. мас Сонця - найбільша з відомих на сьогоднішній день.

Ця парочка чорних дірок стане одним із найкращих експериментів для перевірки загальної теорії відносності, а саме – деформації простору-часу, описаної в ОТО.

Через релятивістські ефекти перигелій чорної діри, тобто найближча до центрової чорної діри точка орбіти, повинен зміщуватися на 39 ° за один оберт! Для порівняння, перигелій Меркурія змістився лише на 43 арксекунди за століття.



ЧОРНА ДІРА
область у просторі, що виникла в результаті повного гравітаційного колапсу речовини, в якій гравітаційне тяжіння таке велике, що ні речовина, ні світло, ні інші носії інформації не можуть її покинути. Тому внутрішня частина чорної діри причинно не пов'язана з рештою Всесвіту; фізичні процеси, що відбуваються всередині чорної діри, не можуть впливати на процеси поза нею. Чорна діра оточена поверхнею з властивістю односпрямованої мембрани: речовина та випромінювання вільно падає крізь неї у чорну дірку, але звідти ніщо не може вийти. Цю поверхню називають "горизонтом подій". Оскільки досі є лише непрямі вказівки на існування чорних дірок на відстанях у тисячі світлових років від Землі, наш виклад грунтується головним чином теоретичних результатах. Чорні діри, передбачені загальною теорією відносності (теорією гравітації, запропонованої Ейнштейном в 1915) та іншими, більш сучасними теоріями тяжіння, були математично обгрунтовані Р. Оппенгеймером і Х. Снайдером в 1939. що астрономи та фізики протягом 25 років не ставилися до них серйозно. Проте астрономічні відкриття у середині 1960-х років змусили глянути на чорні дірки як на можливу фізичну реальність. Їх відкриття та вивчення може принципово змінити наші уявлення про простір та час.
Утворення чорних дірок.Поки що у надрах зірки відбуваються термоядерні реакції, вони підтримують високу температуру і тиск, перешкоджаючи стиску зірки під впливом власної гравітації. Однак згодом ядерне паливо виснажується, і зірка починає стискатися. Розрахунки показують, що й маса зірки вбирається у трьох мас Сонця, вона виграє " битву з гравітацією " : її гравітаційний колапс буде зупинено тиском " виродженого " речовини, і зірка назавжди перетвориться на білий карлик чи нейтронну зірку. Але якщо маса зірки більше трьох сонячних, то вже ніщо не зможе зупинити її катастрофічного колапсу і вона швидко піде під обрій подій, ставши чорною діркою. У сферичної чорної діри маси M горизонт подій утворює сферу з колом по екватору в 2p разів більшу за "гравітаційний радіус" чорної діри RG = 2GM/c2, де c - швидкість світла, а G - постійна тяжіння. Чорна діра з масою 3 сонячних має гравітаційний радіус 8,8 км.

Якщо астроном спостерігатиме зірку в момент її перетворення на чорну дірку, то спочатку він побачить, як зірка все швидше і швидше стискається, але в міру наближення її поверхні до гравітаційного радіусу стиснення почне сповільнюватися, поки не зупиниться зовсім. При цьому світло, що приходить від зірки, буде слабнути і червоніти, поки не згасне зовсім. Це відбувається тому, що у боротьбі з гігантською силою тяжіння світло втрачає енергію і йому потрібно все більше часу, щоб досягти спостерігача. Коли поверхня зірки досягне гравітаційного радіусу, світлу, що залишив її, знадобиться нескінченний час, щоб досягти спостерігача (і при цьому фотони повністю втратять свою енергію). Отже, астроном ніколи не дочекається цього моменту і тим більше не побачить того, що відбувається із зіркою під горизонтом подій. Але теоретично цей процес можна досліджувати. Розрахунок ідеалізованого сферичного колапсу показує, що за короткий часзірка стискається в точку, де досягаються нескінченно великі значення щільності та тяжіння. Таку точку називають "сингулярністю". Понад те, загальний математичний аналіз показує, що й виник обрій подій, навіть несферичний колапс призводить до сингулярності. Однак усе це вірно лише в тому випадку, якщо загальна теорія відносності застосовується аж до дуже маленьких просторових масштабів, у чому ми поки що не впевнені. У мікросвіті діють квантові закони, а квантова теорія гравітації поки що не створена. Ясно, що квантові ефекти не можуть зупинити стиснення зірки в чорну дірку, а от запобігти появі сингулярності вони могли б. Сучасна теорія зоряної еволюції і наші знання про зоряне населення Галактики вказують, що серед 100 млрд. її зірок має бути близько 100 млн. чорних дірок, що утворилися при колапс найпотужніших зірок. До того ж чорні дірки дуже великої маси можуть бути у ядрах великих галактик, зокрема й нашої. Як уже зазначалося, в нашу епоху чорною дірою може стати лише маса, яка більш ніж утричі перевищує сонячну. Проте одразу після Великого вибуху, з якого прибл. 15 млрд. років тому почалося розширення Всесвіту, могли народжуватися чорні дірки будь-якої маси. Найменші з них через квантові ефекти повинні були випаруватися, втративши свою масу у вигляді випромінювання і потоків частинок. Але "первинні чорні дірки" з масою понад 1015 г могли зберегтися до наших днів. Усі розрахунки колапсу зірок робляться у припущенні слабкого відхилення від сферичної симетрії і показують, що обрій подій формується завжди. Однак при сильному відхиленні від сферичної симетрії колапс зірки може призвести до утворення області з дуже сильною гравітацією, але не оточеної горизонтом подій; її називають "голою сингулярністю". Це вже не чорна дірка у тому сенсі, як ми обговорювали вище. Фізичні закони поблизу голої сингулярності можуть мати несподіваний вигляд. В даний час гола сингулярність розглядається як малоймовірний об'єкт, тоді як у існування чорних дірок вірить більшість астрофізиків.
Властивості чорних дірок. Для стороннього спостерігача структура чорної діри виглядає надзвичайно простою. У процесі колапсу зірки в чорну дірку за малу частку секунди (по годинах віддаленого спостерігача) всі її зовнішні особливості, пов'язані з неоднорідністю вихідної зірки, випромінюються як гравітаційних і електромагнітних хвиль. Стаціонарна чорна діра, що утворилася, "забуває" всю інформацію про вихідну зірку, крім трьох величин: повної маси, моменту імпульсу (пов'язаного з обертанням) і електричного заряду. Вивчаючи чорну дірку, вже неможливо дізнатися, чи складалася вихідна зірка з речовини чи антиречовини, чи мала вона форму сигари чи млинця тощо. У реальних астрофізичних умовах заряджена чорна діра притягуватиме до себе з міжзоряного середовища частинки протилежного знака, і її заряд швидко стане нульовим. Стаціонарний об'єкт, що залишився, або буде "шварцшильдовою чорною дірою", що не обертається, яка характеризується тільки масою, або "керрівською чорною дірою, що обертається", яка характеризується масою і моментом імпульсу. Єдиність зазначених вище типів стаціонарних чорних дірок була підтверджена рамках загальної теорії відносності У. Ізраелем, Б. Картером, З. Хокингом і Д. Робінсоном. Відповідно до загальної теорії відносності, простір і час викривляються гравітаційним полем масивних тіл, причому найбільше викривлення відбувається поблизу чорних дірок. Коли фізики говорять про інтервали часу та простору, вони мають на увазі числа, раховані з будь-яких фізичних годин та лінійок. Наприклад, роль годинника може грати молекула з певною частотою коливань, кількість яких між двома подіями можна назвати "інтервалом часу". Чудово, що гравітація діє всі фізичні системи однаково: весь годинник показує, що час сповільнюється, проте лінійки - що простір розтягується поблизу чорної дірки. Це означає, що чорна діра викривляє навколо себе геометрію простору та часу. Вдалині від чорної діри це викривлення мало, а поблизу таке велике, що промені світла можуть рухатися навколо неї по колу. Вдалині від чорної діри її поле тяжіння точно описується теорією Ньютона для тіла такої ж маси, але поблизу гравітація стає значно сильніше, ніж передбачає ньютонова теорія. Будь-яке тіло, що падає на чорну дірку, задовго до перетину горизонту подій буде розірвано на частини потужними гравітаційними силами припливу, що виникають через різницю тяжіння на різних відстанях від центру. Чорна діра завжди готова поглинути речовину чи випромінювання, збільшивши цим свою масу. Її взаємодія з навколишнім світом визначається простим принципом Хокінга: площа горизонту подій чорної діри ніколи не зменшується, якщо не враховувати квантове народження частинок. Дж. Бекенстейн в 1973 припустив, що чорні дірки підпорядковуються тим самим фізичним законам, як і фізичні тіла, що випускають і поглинають випромінювання (модель " абсолютно чорного тіла " ). Під впливом цієї ідеї Хокінг у 1974 році показав, що чорні діри можуть випромінювати речовину та випромінювання, але помітно це буде лише в тому випадку, якщо маса самої чорної діри відносно невелика. Такі чорні діри могли народжуватися одразу після Великого вибуху, з якого розпочалося розширення Всесвіту. Маси цих первинних чорних дірок мають бути не більше 1015 г (як у невеликого астероїду), а розмір 10-15 м (як у протона чи нейтрона). Могутнє гравітаційне поле поблизу чорної діри народжує пари частка-античастка; одна з частинок кожної пари поглинається дірою, а друга випромінюється назовні. Чорна діра з масою 1015 г має поводитися як тіло з температурою 1011 К. Ідея про "випаровування" чорних дірок повністю суперечить класичному уявленню про них як про тіла, які не здатні випромінювати.
Пошук чорних дірок. Розрахунки у межах загальної теорії відносності Ейнштейна вказують лише з можливість існування чорних дірок, але не доводять їх наявності у світі; Відкриття справжньої чорної діри стало б важливим кроком у розвитку фізики. Пошук ізольованих чорних дірок у космосі безнадійно важкий: ми не зможемо помітити маленький темний об'єкт на фоні космічної чорноти. Але є надія виявити чорну дірку щодо її взаємодії з оточуючими астрономічними тілами, щодо її характерного впливу на них. Надмасивні чорні дірки можуть бути в центрах галактик, безперервно пожираючи там зірки. Сконцентрувавшись навколо чорної діри, зірки повинні утворити центральні списи яскравості в ядрах галактик; їх пошуки зараз активно ведуться. Інший метод пошуку полягає у вимірі швидкості руху зірок та газу навколо центрального об'єкта в галактиці. Якщо відома їхня відстань від центрального об'єкта, то можна обчислити його масу та середню щільність. Якщо вона значно перевищує щільність, можливу для зоряних скупчень, то вважають, що це темна діра. Цим способом у 1996 році Дж.Моран з колегами визначили, що в центрі галактики NGC 4258, ймовірно, знаходиться чорна діра з масою 40 млн. сонячних. Найбільш перспективним є пошук чорної діри у подвійних системах, де вона в парі із нормальною зіркою може звертатися навколо загального центру мас. По періодичному доплерівському зсуву ліній у діапазоні зірки можна зрозуміти, що вона звертається у парі з якимось тілом і навіть оцінити масу останнього. Якщо ця маса перевищує 3 маси Сонця, а помітити випромінювання самого тіла не вдається, то можливо, що це чорна діра. У компактній подвійній системі чорна діра може захоплювати газ із поверхні нормальної зірки. Рухаючись орбітою навколо чорної діри, цей газ утворює диск і, наближаючись по спіралі до чорної дірки, сильно нагрівається і стає джерелом потужного рентгенівського випромінювання. Швидкі флуктуації цього випромінювання повинні вказувати, що газ стрімко рухається орбітою невеликого радіусу навколо крихітного масивного об'єкта. З 1970-х років виявлено кілька рентгенівських джерел у подвійних системах із явними ознаками присутності чорних дірок. Найперспективнішою вважається рентгенівська подвійна V 404 Лебедя, маса невидимого компонента якої оцінюється не менше ніж у 6 мас Сонця. Інші чудові кандидати в чорні діри знаходяться в подвійних рентгенівських системах Лебідь X-1, LMCX-3, V 616 Єдинорога, QZ Лисички, а також в рентгенівських нових Змієносець 1977, Муха 1981 і Скорпіон 1994. За винятком LMCX-3, розташованої у Великій Магеллановій Хмарі, всі вони знаходяться в нашій Галактиці на відстані близько 8000 св. років від Землі.
Див. також
КОСМОЛОГІЯ;
ТЯГАННЯ ;
ГРАВІТАЦІЙНИЙ КОЛАПС;
ВІДНОСНІСТЬ;
Позаатмосферна астрономія.
ЛІТЕРАТУРА
Черепащук О.М. Маси чорних дірок у подвійних системах. Успіхи фізичних наук, Т. 166, с. 809, 1996

Енциклопедія Кольєра. - Відкрите суспільство. 2000 .

Синоніми:

Дивитися що таке "ЧОРНА ДІРА" в інших словниках:

ЧОРНА ДІРА, локалізована ділянка космічного простору, з якої не може вирватися ні речовина, ні випромінювання, іншими словами, перша космічна швидкість перевершує швидкість світла. Кордон цієї ділянки називається горизонтом подій. Науково-технічний енциклопедичний словник

Косміч. об'єкт, що виникає внаслідок стиснення тіла гравітації. силами до розмірів, менших за його гравітаційний радіус rg=2g/c2 (де М маса тіла, G гравітації. постійна, з чисельним значенням швидкості світла). Пророцтво про існування в ... Фізична енциклопедія

Сущ., кіл синонімів: 2 зірка (503) невідомість (11) Словник синонімів ASIS. В.М. Трішин. 2013 … Словник синонімів