Размещено на http://www.allbest.ru/

Чёрные дыры

Чёрная дырам -- область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер -- гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда (см. далее). Одна из чёрных дыр находится в центре нашей галактики.

Первые рассуждения о черных дырах

«Чёрная звезда» Митчелла (1784--1796)

Концепция массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, необходимая для преодоления этого притяжения (вторая космическая скорость), равна или превышает скорость света, впервые была высказана в 1784 году Джоном Мичеллом в письме, которое он послал в Королевское общество. Письмо содержало расчёт, из которого следовало, что для тела с радиусом в 500 солнечных радиусов и с плотностью Солнца вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света[7]. Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым. Мичелл предположил, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов. В 1796 году Лаплас включил обсуждение этой идеи в свой труд «Exposition du Systeme du Monde», однако в последующих изданиях этот раздел был опущен. Тем не менее, именно благодаря Лапласу эта мысль получила некоторую известность.

После Митчелла, до Шварцшильда (1796--1915)

На протяжении XIX века идея тел, невидимых вследствие своей массивности, не вызывала большого интереса у учёных. Это было связано с тем, что в рамках классической физики скорость света не имеет фундаментального значения. Однако в конце XIX -- начале XX века было установлено, что сформулированные Дж. Максвеллом законы электродинамики, с одной стороны, выполняются во всех инерциальных системах отсчёта, а с другой стороны, не обладают инвариантностью относительно преобразований Галилея. Это означало, что сложившиеся в физике представления о характере перехода от одной инерциальной системы отсчёта к другой нуждаются в значительной корректировке.

В ходе дальнейшей разработки электродинамики Г. Лоренцем была предложена новая система преобразований пространственно-временных координат (известных сегодня как преобразования Лоренца), относительно которых уравнения Максвелла оставались инвариантными. Развивая идеи Лоренца, А. Пуанкаре предположил, что все прочие физические законы также инвариантны относительно этих преобразований.

В 1905 году А. Эйнштейн использовал концепции Лоренца и Пуанкаре в своей специальной теории относительности (СТО), в которой роль закона преобразования инерциальных систем отсчёта окончательно перешла от преобразований Галилея к преобразованиям Лоренца. Классическая (галилеевски-инвариантная) механика была при этом заменена на новую, лоренц-инвариантную релятивистскую механику. В рамках последней скорость света оказалась предельной скоростью, которую может развить физическое тело, что радикально изменило значение чёрных дыр в теоретической физике.

Однако ньютоновская теория тяготения (на которой базировалась первоначальная теория чёрных дыр) не является лоренц-инвариантной. Поэтому она не может быть применена к телам, движущимся с околосветовыми и световой скоростями. Лишённая этого недостатка релятивистская теория тяготения была создана, в основном, Эйнштейном (сформулировавшим её окончательно к концу 1915 года) и получила название общей теории относительности (ОТО). Именно на ней и основывается современная теория астрофизических чёрных дыр.

По своему характеру ОТО является геометрической теорией. Она предполагает, что гравитационное поле представляет собой проявление искривления пространства-времени (которое, таким образом, оказывается псевдоримановым, а не псевдоевклидовым, как в специальной теории относительности). Связь искривления пространства-времени с характером распределения и движения заключающихся в нём масс даётся основными уравнениями теории -- уравнениями Эйнштейна.

Свойства черных дыр

Черные дыры настолько массивны, что их вторая космическая скорость быстрее, чем скорость света. Поскольку ничего не может двигаться быстрее, чем свет, то ничего и не может избежать гравитация черной дыры. Теория относительности Эйнштейна является первым ключом к пониманию черных дыр. Она утверждает, что гравитация влияет на время. Чем более массивный объект в космосе, тем больше он замедляет время. Гравитация же черной дыры настолько огромна, что она практически останавливает ход времени. Если снаружи черной дыры наблюдать, как падает космический корабль, то можно увидеть, что он все больше и больше замедляется и, в конце концов, исчезает. Изменение скорости течения времени называется красным смещением. Величина красного смещения равна отношению скорости течения времени в данной точке к скорости течения времени для удалённого наблюдателя.

Распространенный миф о черных дырах говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя. Но, это не так. Они будут всасывать материю, которая находится на определенном расстоянии, а в остальном они действуют не иначе, чем массивные звезды. Если, например, наше Солнце станет черной дырой, планеты будут и дальше вращаться по своей орбите, как они это и сегодня.

Трудно искать черную кошку в черной комнате; особенно трудно - если ее там нет.

Рассмотрим вариант местоположения черной дыры наиболее вероятный, центр Галактики. Проанализируем эффекты, которые должен обнаружить в этом случае земной наблюдатель. Лучи света от звезд расположенных за черной дырой не могут достичь Земли по прямой линии, т.к. все излучение телесного угла, определяемого диаметром "горизонта событий", поглощается черной дырой. Но черная дыра искривляет смежное пространство определенным образом, так что оно действует как идеальная линза с фокусным расстоянием, зависящим от расстояния отклоняемого луча от центра линзы. Фокусное расстояние, тем меньшее, чем ближе луч к центру черной дыры. Фокус такой линзы всегда направлен в сторону наблюдателя, а количество наблюдателей и их размещение могут быть произвольными. Так что для каждой точки пространства такую линзу можно рассматривать как набранную из тонких цилиндров, каждый из которых имеет свое фокусное расстояние. При этом для каждого конкретного направления и для каждой точки на нем, определяемой положением наблюдателя, всегда найдется условная линза, обеспечивающая фокусировку лучей загороженной звезды именно в точке наблюдателя. В результате все экранированные звезды предстанут для наблюдателя в форме кольцевых псевдообъектов, рис. 1, диаметры которых определяются массой черной дыры (чем больше масса, тем больше радиус) и расстояниями от линзы до наблюдателя и от линзы до загороженной звезды.

Образование

Черные дыры, на самом деле формируется из сверхмассивных звезд, масса которых, по крайней мере, в десять раз больше, чем наше Солнце. Когда горят звезды, в процессе синтеза выделяется сплав водорода. Данная ядерная реакция производит давление, которое позволяет выталкивать из центра водоворота звезды. И противодействует силе тяжести, которая тянет ее обратно внутрь. Эти две силы идеально сбалансированы. Что позволяет звезде не разрушиться. Когда она исчерпывает свой запас водородного топлива, баланс нарушается.

Массивные звезды погибают и в результате взрыва, образуются сверхновая звезда. Что происходит после этого, зависит от ее массы. Большинство из них остаются позади ядра, именуемого Белым Карликом. Оно обычно окружено постоянно расширяющейся оболочкой газа. В некоторых, редких случаях масса звезды настолько велика, что гравитация черной дыры будет тянуть ее тело очень сильно, после чего она может стать крошечной, компактным объектом, известным как нейтронная звезда. Но в очень редких случаях, существует так много массы в звезде, что гравитация буквально сходит с ума. Ничто во Вселенной не может остановить распад. Звезда коллапсирует в самой себе и останавливается только тогда, когда занимает определенную точку в пространстве. Она в буквальном смысле перестает существовать. Однако при этом, оставляя за собой массу и силу тяжести. Теперь это еще одна черная дыра, один из самых необычных объектов в космосе.

Когда супер массивная звезда коллапсирует в черную дыру , она не становиться настолько маленькой, чтобы больше не иметь никакого физического размера. Это ее плотная, уменьшенная модель, но при этом содержащая то же количество массы, что и исходная звезда. Главная особенность черной дыры это то, что известно как сингулярность, и она определяет ее центр. Область, где фундаментальные законы физики и самой ткани пространства прекращают свое существование. Сингулярность -- это в невидимый барьер, называемый горизонтом событий. Он знаменует собой появление внешней границы черной дыры, проявляющимся экстремальным гравитационным притяжением. Это точка, откуда нет возврата. Все, что пересекает горизонт событий, даже свет, обречен.

Горизонтом событий является точка, в которой вторая космическая скорость равна скорости света. Внутри черной дыры эта скорость превышает скорость света. Поскольку ничто не может двигаться быстрее света, ничто и не может вырваться из пределов горизонта событий. Как только объект очутится за его пределами, его ожидает сингулярность. Поскольку гравитация возрастает все больше при такой высокой скорости, она действует на части этого объекта. Подобные приливные силы видоизменяют сам объект, который, впоследствии будет протянут в длинную и тонкую струну, после чего перестанет существовать во вселенной. Расстояние между сингулярностью и горизонтом событий известен как радиус Шварцшильда. Гравитациомнный рамдиус (или рамдиус Швамрцшильда) представляет собой характерный радиус, определённый для любого физического тела, обладающего массой: это радиус сферы в яркостных координатах, на которой находился бы горизонт событий, создаваемый этой массой (с точки зрения ОТО), если бы она была распределена сферически-симметрично, была бы неподвижной (в частности, не вращалась, но радиальные движения допустимы), и целиком лежала бы внутри этой сферы. Чем массивнее черная дыра, тем больше его радиус Шварцшильда будет . Если Солнце была бы черной дырой, ее радиус Шварцшильда бы в 3 км . Типичная черная дыра с массой в 10 раз больше Солнца будет иметь радиус Шварцшильда 30 километров .

Обнаружение

Поскольку свет не может вырваться из массивных животных силков, он не может быть виден. Поэтому чтобы искать черные дыры, можно полагаться только на косвенные доказательства их существования. Одним из способов поиска черной дыры, являются нахождение областей в открытом космосе, которые обладают большой массой и находятся в темном пространстве. При поиске подобных типов объектов, астрономы обнаружили их в двух основных областях: в центрах галактик и в двойных звездных системах нашей Галактики. черная дыра кротовая континуум

На самом деле, большинство астрономов теперь считают, что супер массивная черная дыра может существовать в центре нашей галактики Млечный Путь. Означает ли это, что она в конечном итоге все поглотит? На самом деле, нет. Черная дыра имеет ту же массу, что и оригинальные звезды, потому как была сформирована из них. Пока ничего не предвещает слишком близкого приближения к горизонту событий, так что это безопасно. Вполне вероятно, что миллиарды звезд в нашей галактике будет продолжать орбиту вокруг этой гигантской черной дыры миллиарды лет вперед. Доказательства этой и других черных дыр может быть подтверждены с помощью функции поиска для рентгеновских лучей. Астрономы полагают, что черные дыры излучают их в большом количестве.

Модель на базе теории струн

Теория струн позволяет выстраивание исключительно плотных и мелкомасштабных структур из самих струн и других описываемых теорией объектов -- бран, часть из которых имеют более трёх измерений. При этом чёрная дыра может быть составлена из струн и бран очень большим числом способов, а самым удивительным является то обстоятельство, что это число микросостояний ровно соответствует энтропии чёрной дыры, предсказанной Хокингом и его коллегой Бекенштейном в 1970-е годы. Это один из наиболее известных результатов теории струн, полученных в 1990-е годы.

В 1996 г. струнные теоретики Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа, опираясь на более ранние результаты Сасскинда и Сена, опубликовали работу «Микроскопическая природа энтропии Бекенштейна и Хокинга». В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для конструирования из микроскопических компонентов определённого класса чёрных дыр, так называемых экстремально заряженных дыр Райсснера -- Нордстрёма[31], а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию. Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений, которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого.

Реальным процессам образования чёрных дыр Строминджер и Вафа противопоставили конструктивный подход[32]. Суть в том, что они изменили точку зрения на образование чёрных дыр, показав, что их можно конструировать путём кропотливой сборки в один механизм точного набора бран, открытых во время второй суперструнной революции.

Строминджер и Вафа смогли вычислить число перестановок микроскопических компонентов чёрной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, например масса и заряд, остаются неизменными. Тогда энтропия этого состояния по определению равна логарифму полученного числа -- числа возможных микросостояний термодинамической системы. Затем они сравнили результат с площадью горизонта событий чёрной дыры -- эта площадь пропорциональна энтропии чёрной дыры, как предсказано Бекенштейном и Хокингом на основе классического понимания[32], -- и получили идеальное согласие[33]. По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии. Практически одновременно, с разностью в несколько недель, к такой же энтропии для почти экстремальных чёрных дыр пришли и Курт Каллан и Хуан Малдасена из Принстона.[34]

Результаты этой группы, однако, простирались далее. Так как они смогли сконструировать не совсем экстремальную чёрную дыру, они смогли рассчитать также и скорость испарения данного объекта, которая совпала с результатами Хокинга.[35] Этот результат был подтверждён в том же году работами двух пар индийских физиков: Самит Дас и Самир Матур, и Гаутам Мандал и Спента Вадья получили ту же скорость испарения. Этот успех послужил одним из доказательств отсутствия потери информации при образовании и испарении чёрных дыр.[36]

В 2004 году команда Самира Матура из университета Огайо занялась вопросом о внутреннем строении струнной чёрной дыры. В результате они показали, что почти всегда вместо массы отдельных струн возникает одна -- очень длинная струна, кусочки которой будут постоянно «выпирать» за горизонт событий за счёт квантовых флуктуаций, и соответственно отрываться, обеспечивая испарение чёрной дыры. Сингулярности внутри такого клубка не образуется, а его размер в точности совпадает с размером классического горизонта. В другой модели, которую развили Гэри Горовиц из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре и Хуан Малдасена из Института перспективных исследований, сингулярность присутствует, но информация в неё не попадает, так как за счёт квантовой телепортации выходит из чёрной дыры, изменяя характеристики излучения Хокинга, которое теперь становится не совсем тепловым -- эти построения основываются на гипотезе AdS/CFT-соответствия. Все такие модели, однако, до сих пор носят предварительный характер.[37]

Смерть черных дыр

Черные дыры, как и остальные космические объекты - смертны. Чёрная дыра на протяжении всего своего существования не только втягивает в себя материю, но и постепенно излучает материю. Этот процесс получил название Испарение черной дыры, или его называют излучением Хоккинга в честь исследователя, открывшего этот процесс.

Испарение чёрной дыры -- квантовый процесс. Дело в том, что понятие о чёрной дыре как объекте, который ничего не излучает, а может лишь поглощать материю, справедливо до тех пор, пока не учитываются квантовые эффекты. В квантовой же механике благодаря туннелированию появляется возможность преодолевать потенциальные барьеры, непреодолимые для неквантовой системы. Утверждение, что конечное состояние чёрной дыры стационарно, верно лишь в рамках обычной, не квантовой теории тяготения. Квантовые эффекты ведут к тому, что на самом деле чёрная дыра должна непрерывно излучать, теряя при этом свою энергию.

В случае чёрной дыры ситуация выглядит следующим образом. В квантовой теории поля физический вакуум наполнен постоянно рождающимися и исчезающими флуктуациями различных полей (можно сказать и «виртуальными частицами»). В поле внешних сил динамика этих флуктуаций меняется, и если силы достаточно велики, прямо из вакуума могут рождаться пары частица-античастица. Такие процессы происходят и вблизи (но всё же снаружи) горизонта событий чёрной дыры. При этом возможно, что одна из частиц (не важно какая) падает внутрь чёрной дыры, а другая улетает и доступна для наблюдения. Из закона сохранения энергии следует, что такая «упавшая» за горизонт событий частица из рождённой виртуальной пары должна обладать отрицательной энергией, так как «улетевшая» частица, доступная для удалённого наблюдателя, обладает положительной энергией.

Также этот процесс очень грубо можно представить как «заём» энергии вакуумом у внешнего поля для рождения пары частица+античастица. В отсутствие чёрной дыры аннигиляция «возвращает» энергию полю. В описываемом случае при наличии чёрной дыры аннигиляции не происходит, одна из частиц улетает к наблюдателю, унося часть «занятой» энергии, тем самым уменьшая энергию, и следовательно массу чёрной дыры.

Важным является не только предсказываемый факт излучения, но и то, что это излучение имеет тепловой спектр (для безмассовых частиц). Это значит, что излучению вблизи горизонта событий чёрной дыры можно сопоставить определённую температуру

где h -- приведённая постоянная Планка (постоянная Дирака), c -- скорость света в вакууме, k -- постоянная Больцмана, G -- гравитационная постоянная, M? -- масса Солнца и, наконец, M -- масса чёрной дыры. При этом не только спектр излучения (распределение его по частотам), но и более тонкие его характеристики (например, все корреляционные функции) точно такие же, как у излучения чёрного тела. Развивая теорию, можно построить и полную термодинамику чёрных дыр.

Однако такой подход к чёрной дыре оказывается внутренне противоречивым и приводит к проблеме исчезновения информации в чёрной дыре. Причиной этого является отсутствие успешной теории квантовой гравитации. Существование излучения Хокинга предсказывается не всеми квантовыми теориями гравитации[4] и оспаривается рядом исследователей.[5]

Кротовая нора

Кротомвая норам, также «кротомвина» или «червотомчина» (последнее является дословным переводомангл. wormhole) -- гипотетическая топологическая особенность пространства-времени, представляющая собой в каждый момент времени «туннель» в пространстве между двумя асимптотически плоскими областями пространства^{[источник не указан 33 дня]}. Эти области могут быть как связаны и помимо кротовой норы, представляя собой области единого пространства (см. пример на рисунке), так и полностью разъединены, представляя собой отдельные пространства, связанные между собой только посредством кротовой норы.