Теории о черных дырах – Черные дыры. Факты и теория

Над Кириллом властвует оптическая иллюзия. Излучаемому свету в горизонте событий нужно много времени, чтобы добраться к другу. Если дыра длится вечно, то свет может идти бесконечно долго, и Кирилл не дождется перехода. Но, если дыра испарилась, то свет уже ничто не остановит, и он доберется к парню в момент взрыва излучения. Но вам уже все равно, ведь вы давно погибли в сингулярности.

— Что такое белая дыра?

В формулах общей теории относительности есть интересная особенность – симметричность во времени. Например, в любом уравнении вы можете представить, что время течет назад и получите другое, но все же правильно, решение. Если применить этот принцип к черным дырам, то рождается белая дыра.

Черная дыра – определенная область, из которой ничто не может выбраться. Но второй вариант, это белая дыра, в которую ничто не может упасть. Фактически, она все отталкивает. Хотя, с математической точки зрения, все выглядит гладко, но это не доказывает их существование в природе. Скорее всего, их нет, как и способа это выяснить.

— Что такое червоточина?

До этого момента мы говорили о классике черных дыр. Они не вращаются и лишены электрического заряда. А вот в противоположном варианте начинается самое интересное. Например, вы можете попасть внутрь, но избежать сингулярности. Более того, ее «внутренность» способна контактировать с белой дырой. То есть, вы попадете в своеобразный туннель, где черная дыра – вход, а белая – выход. Подобную комбинацию называют червоточиной.

Интересно, что белая дыра может находиться в любом месте, даже в другой Вселенной. Если уметь управлять такими червоточинами, то мы обеспечим быструю транспортировку в любую область пространства. А еще круче – возможность путешествий во времени.

Но не пакуйте рюкзак, пока не узнаете несколько моментов. К сожалению, велика вероятность, что таких формирований нет. Мы уже говорили, что белые дыры – вывод из математических формул, а не реальный и подтвержденный объект. Да и все наблюдаемые черные дыры создают падение материи и не формируют червоточин. И конечная остановка – сингулярность.

Но даже реальная червоточина лишена стабильности. Небольшое нарушение (например, ваше путешествие) может привести к коллапсу. Не верите? Тогда как насчет безопасности? Стабильная червоточина не обеспечит вам комфортного передвижения. Излучение внутри нее (реликтовое, звездное и т.д.) пребывает в синхронности на высоких частотах. Войти в такое место – это добровольное согласие поджариться.

Наблюдательные проявления черных дыр и кротовых нор

Астрофизик Александр Шацкий о фурье-образе, интерферометре «Радиоастрон» и объектах с нетривиальной топологией:

v-kosmose.com

Чем гипотеза о «черных дырах» хуже уфологических теорий?

Сегодня мы попробуем поговорить, на примере астрофизики, о том, что является хорошей гипотезой, что – плохой и почему. Поэтому в названии вторая часть выполняла скорее завлекательную функцию. Известно, что если вставить в название «НЛО», в зале будет больше людей. Но первая часть более существенна. Объясню, в чем был мотив. Мотив во многом связан с тем, что как ученые-астрофизики, мы сталкиваемся с тем, что постоянно приходят люди с идеями. В принципе, это замечательно. С другой стороны, многие люди, приходящие из самых лучших побуждений, имеют в основе своего подхода некий миф о том, как устроена наука. Вот об этом мы и попробуем поговорить. Я буду говорить примерно час. Конечно, можно дать и короткий ответ на вопрос, чем темная материя лучше НЛО. Ответ понятен. Но я все-таки потрачу час. Итак, как только мы произносим слово «гипотеза» в контексте естественных наук, мы сразу же вспоминаем Ньютона и его «гипотез я не изобретаю».

Что имел в виду Ньютон, говоря это? Имелось в виду то, что не изобретается ничего, в основе чего не лежат какие-то естественные наблюдаемые феномены. Это существенная вещь. И чем больше шагов между гипотезой и феноменами, тем хуже. Если мы прямо основываемся на феноменах, это очень хорошо. Если же мы скорее исходим из каких-то философских концепций, которые основаны на других философских концепциях, основанных, в лучшем случае, на здравом смысле, то, скорее всего, мы окажемся неправы.

Об этом нам говорит весь опыт развития науки. Давайте начнем с давних пор и рассмотрим старые гипотезы. Вот очень хорошая гипотеза, которая в некотором смысле противоречит тому, что мы видим вокруг. Шарообразность Земли. В принципе, концепция такой Земли с обратной стороной психологически страшно некомфортна. Когда люди 2500 лет назад начали впервые всерьез говорить о шарообразности Земли, хорошая это была гипотеза или плохая? Сейчас что бы мы сказали?

Важно, в каком контексте гипотеза возникла. Можно представлять себе одну ситуацию. Собрались философы в кружок. Один говорит, что Земля имеет форму диска. Потому что мы смотрим вокруг и видим диск. Другой говорит про форму куба. Третий говорит, что она имеет форму чемодана, а Москва – это его ручка. И вот прибегает последний опоздавший, а все хорошие фигуры разобрали. И он говорит о форме сферы.

Если гипотеза формируется так, это плохая гипотеза. Это именно изобретенная гипотеза. Может быть, эта гипотеза исходит из философских концепций. Сфера – это идеальное тело и мы решаем, что небесные тела – это идеальные тела, поэтому и должны быть сферическими. Все равно, это плохая гипотеза, если она возникает именно таким образом. Потому что – что значит, что сфера идеальна? Кому-то не нравится сфера. Но в случае с шарообразностью Земли, идея была в другом. Это была очень хорошая гипотеза. Были хорошие основания верить. Есть такая вещь, как лунные затмения. И люди 2500 лет назад качественно понимали, что происходит. Есть Солнце, Земля и Луна. И когда происходит затмение, Земля отбрасывает тень на Луну. Если бы Земля имела форму чемодана или стояла бы на слонах, вы бы на Луне увидели этих слонов. Если вы видели несколько затмений, вы можете смекнуть, что со всех сторон тень круглая. Ведь затмения происходят по-разному. А тень везде круглая. И вы можете заключить, что Земля – действительно сфера. Это замечательная гипотеза, которая основана на прямых наблюдениях. Никаких слонов не видно, край всегда круглый. Это позволило людям давно это понять и измерить эту сферу.

Как известно, в третьем веке до н. э. Эратосфен провел свои замечательные измерения размера Земли. Естественно, он не обходил вокруг Земли. Но он измерил кусочек дуги. Он заметил, что бывают моменты, когда Солнце находится прямо в зените, а дальше можно ехать на север, измерить дугу и померить угол. И вы получите этот уголок. И дальше по простой формуле вы получаете длину окружности. Мало того, что гипотеза была хорошая. Она была применена на наблюдениях и все замечательно сходилось.

Это пример почти идеальный. Когда на основе наблюдений возникает сложная теория, она применяется на наблюдениях и получается новая, фундаментальная величина. Ведь тогда Земля – это весь мир. А измерить размер мира – это существенно. Что же у нас в современной науке? Здесь, как и тысячи лет назад, следует разделять два типа гипотез. Есть рабочие гипотезы, которые достаточно редко высказывают, иногда их высказывание достаточно справедливо критикуется. Есть научная кухня, люди там работают. Например, вы приходите в корейский ресторан. И иногда лучше не знать, что происходило на кухне. Вкусно – кушайте. Примерно это происходит и в науке. Никаких табу для внутреннего обсуждения, конечно же, нет. С коллегой можно обсуждать все, что угодно.

Иногда говорят, что ученые уперлись в теорию относительности. Это не так. Есть некая активность по созданию альтернативных теорий. Обсуждать можно все, что угодно. А на публичное обсуждение надо выносить что-то лучшее. И это совсем другой класс гипотез. Существенная мораль этого слайда в том, что есть эта часть, о которой люди снаружи просто не знают. Обсуждаемые гипотезы – это отдельный класс. И естественно, что в современной науке есть некие табу на переход из рабочих гипотез на обсуждаемые публично. Публичное обсуждение означает не семинары, конечно. Это публикации. То, что доступно широкому кругу людей.

В современной науке нельзя опубликовать голую идею. Это очень важный факт. Если человек приходит со своей идеей… например, человек никогда не занимался космологией, а занимался чем-то совсем другим. И вдруг у него возникла идея. Он даже посмотрел литературу и выяснил, что никто эту идею не высказывал. Это не обязательно, что она никому не приходила в голову. Это один из самых важных моментов, о которых я хочу сегодня сказать.

Если вы не знаете о существовании какой-то гипотезы, это не значит, что она не пришла в голову профессионалу где-то и когда-то. Это означает, что он не смог пойти существенно дальше этой идеи. Можно опубликовать модель, но не идею. Мало того, что нужно ответить на очевидно возникающие вопросы. Нужно еще и сразу защититься от самой простой критики. Но лучше сделать еще и предсказания для следующих наблюдений. И тогда уже модель, сценарий, концепция могут стать предметом публичного обсуждения. Существенно, что сейчас наука большая. Я не удивлюсь, если во времена того же Ньютона можно было написать Ньютону письмо с какой-то интересной идеей.

И такие случаи были. Черные дыры, с одной стороны, предсказал Лаплас, с другой – Митчелл, который вообще был геологом. Сейчас наука большая, и такое почти невозможно. В любой области, даже очень узкой, есть, как минимум, десятки очень компетентных людей, которые занимаются только этим. И на самом деле практика показывает, что почти все идеи кому-нибудь, но приходили в голову. И если о них неизвестно, то только потому, что их не удалось развить. Итак, гипотезы надо обосновывать и проверять.

Хорошим примером плохой гипотезы является астрология. Во-первых, сейчас мы говорим не о месте астрологии в культуре 4 века назад, а о ее месте сейчас. Во-вторых, нет никаких разумных оснований для гипотез, которые лежат в основании всей астрологической концепции. Но это не главное. Все читали «Чапаев и пустота». Там есть замечательный момент, когда Чапаев в ипостаси Чапаева чистит лошадь, а Петька пытается его запутать и спрашивает его, где эта лошадь. И тот отвечает: «Ты обалдел, что ли? Вот она!» Если есть факт, на который можно указать рукой, неважно, что лежит в основании. Проблема астрологии не только в том, что у нее нет хороших теоретических оснований. Так еще и можно статистически проверять предсказания. И предсказания не проходят эти проверки. Создатель любой концепции обязан сам ее проверять. То, что астрологи этого не делают, с точки зрения современной науки является страшно серьезным аргументом против всего этого здания, потому что это просто ненормально. Методология совершенно другая.

Иной подход применяется к тому, что происходит в голове исследователя или группы исследователей. Там табу гораздо меньше. Там могут обсуждаться идеи, которые ни во что не вписываются. Неправильно думать, что все ученые свято соблюдают методологию. Люди пробуют самые разные подходы. И я не удивлюсь, если кто-то проверяет какую-то идею, потому что ему был какой-то сон. Конечно, никто об этом не напишет в статье. Но толчки для работы могут быть самые разные. Важно, чтобы после этой мотивации внутри головы была уже собственно научная часть. Если она есть, и она нормально пройдена, гипотеза переходит из разряда «внутри головы».

В основе методов обращения с гипотезами есть две составляющие. Первое – это консерватизм, связанный с тем, что появляется на публике. Второе – это антидогматизм. Например, открыли новый тип источников. И можно перебирать самые разные идеи. Человек может не верить в существование внеземных цивилизаций. Но, видя очень странный наблюдаемый факт, он может подумать об этой идее. Может быть, он будет думать о ней с точки зрения, как ее закрыть. Это тоже нормально. Но важно, что нет принципиального запрета внутри головы на рассмотрение такого типа идей.

С другой стороны, есть полузапрет, связанный с публичным представлением этой идеи. Тут подход будет достаточно консервативным. На мой взгляд, когда открываешь новую статью, нормальная реакция – это искать там недостатки. Мне кажется, что нормальный ученый должен подходить к любой статье так, как будто ее прислали ему на рецензию. И тогда он должен не пытаться понять, как это замечательно, а пытаться найти там изъяны. И эта комбинация очень консервативного отношения к другим работам и к публичному представлению своих работ и антидогматизма при самой работе создает очень здоровую атмосферу.

Вот простой пример. С одной стороны, черные дыры как бы не открыты. С другой стороны, мы верим, что они есть, но без фанатизма, потому что это является хорошей стандартной моделью. Еще одна очень важная составляющая. В науке очень важна конкуренция. Она важна в двух ипостасях. Опять-таки, это консерватизм и антидогматизм. С одной стороны, каждый человек, публикующий идею, должен понимать, что все будут искать в ней недостатки. Это серьезный момент конкуренции.

Почему нужно публиковаться в хороших журналах? Потому что там просто тяжелее опубликоваться. Соответственно, люди, еще не прочтя статью, но видя, в каком журнале она опубликована, исходят из того, что сам автор выбирает хороший журнал. Если человек сам посылает статью в плохой журнал, скорее всего, он думает, что материал не пройдет в сильный, не пройдет жесткий отбор. Значит, проще статью вообще не читать. Журналов по астрономии выходят десятки. Но есть топ-пять журналов, которые можно читать. Там почти не бывает провальных статей.

С другой стороны, человек не может долго сидеть на идее, он должен пытаться ее развить. Мысли приходят в голову всем. И если она пришла тебе в голову, и ты пять лет о ней думаешь, но не доводишь до статьи, за это время она придет в голову другому. Так что в науке почти невозможно спрятать результат. Психология ученого этому противоречит.

Теория заговора в духе того, что ученые уже давно открыли инопланетян, летающие тарелки и т. д. драматически противоречит психологии ученого. Еще можно верить, что спецслужбы их нашли. Но тогда они не должны были говорить об этом ученым, потому что ученые тут же бы проболтались. В литературе это даже развитый сюжет. Это была бы очень большая проблема. Человек придумывает нечто, что несет колоссальную угрозу человечеству. Он будет стоять перед страшно тяжелым выбором. Ученый будет сильно переживать. Зная о существовании сильного результата, сохранить его в тайне нельзя.

И поиски внеземных цивилизаций здесь очень хороший пример. Вся эта тематика была страшно популярна среди ученых в 60-е – 70-е гг. Люди серьезно этим занимались. Насчет конспирации был такой замечательный момент, когда были открыты радиопульсары. Одна из первых идей была как раз о связи этого с искусственным сигналом, слишком уж он хороший. И на очень короткое время ученые действительно не публиковали ничего. Они хранили это в тайне несколько недель, что само по себе говорит об уровне терпения ученых. И эти поиски – это очень хороший пример эволюции гипотезы.

Повторюсь, что в 60-е – 70-е это была хорошая тематика. Ей занимались серьезно достаточно много физиков, астрофизиков, проводились конференции, сигналы пытались посылать и т. д. И результат был абсолютно нулевой. Про него сейчас просто забыли. Не нашли ничего. Пытались цепляться за все, что угодно, консерватизма не было. Открыли звезду с потрясающе аномальным химическим составом. Технеций в звезде. Технеций живет очень мало. Откуда он взялся? Была идея, что это искусственный технеций, но потом придумали замечательный процесс, который сейчас стандартен в звездной теории термоядерного синтеза о том, как сделать этот технеций.

Иосиф Шкловский вполне серьезно сказал, что Фобос, спутник Марса, внутри полый и является искусственным. Когда появились новые наблюдательные данные, пришлось сказать, что все-таки Фобос вполне нормальный. И таких примеров достаточно.

Вся идея о внеземных цивилизациях пережила взлеты и падения, причем очень быстро, лет за 20. И сейчас статус этой области исследований сильно изменился. Это не является ни популярным, ни очень достойным делом. Произошло замечательное расслоение. Есть два термина, которые стали маркерами разных областей. Есть SETI – «поиск внеземного разума».

И сейчас эта деятельность потихонечку продолжается. Остаются энтузиасты. Но появились и другие энтузиасты. Появилась уфология. Появилась некая деятельность, которая является ненаучной, поскольку в основу положено не какое-то здоровее чувство, желание узнать, а положено, что это есть и надо просто найти. Нарушена презумпция невиновности. Если следователь убежден в виновности и просто ищет доказательства, он, конечно, всегда найдет что-то. Но важно установить истину. И отличие науки от лженауки как раз в том, что одна пытается установить истину, а другая ищет улики, которые доказывают заранее вынесенный вердикт. Это очень хороший пример.

Практика показывает, что нет нужды в специальной области, которая была бы с этим связана. Есть нормальные астрофизические исследования. Технические возможности растут драматически. Сейчас почти во всех диапазонах, кроме радио, за ночь снимается все небо. И если там что-то такое интересное есть, это обязательно откроют не в результате специальных поисков, а просто делая астрофизику. Оно само попадет в кадр. Важно просто не забывать о том, что это может попасть в кадр.

Сейчас разрабатывают самый крупный в мире комплекс радиотелескопов. Это будет система телескопов. Это будет самый дорогой наземный проект такого рода. И там последним пунктом среди его задач стоит «поиск внеземного разума». Люди про это помнят. Они примерно оценивают, как это можно выделить. И так, по всей видимости, успех и придет в результате стандартных поисков. Мы видели, что концепция распространенности внеземного разума претерпела эволюцию. Это, конечно, не единичный пример.

Вернемся к той же астрологии. Люди говорят: «Как же! Ведь Кеплер занимался астрологией!» Да, занимался. Просто это было 400 лет назад. И в этом нет ничего удивительного. Это как с прыжками в высоту. Можно посмотреть, как прыгали 60 лет назад, и пробовать прыгать так же. Но результата не будет. И 400 лет назад занимались астрологией. Но гипотезы претерпевают эволюцию. И это связано и с нормальной наукой. Поэтому есть всякие полезные высказывания, что идеи умирают вместе со своими создателями.

Идея, которая когда-то была замечательным фактом науки, потом оказывается неверной. И через какое-то время уже не надо этим заниматься. Все уже стало ясно. Хороший пример – это гипотеза о стационарности Вселенной.100 лет назад это казалось самым естественным. Причем фигура была зигзагообразной. С одной стороны, 400 лет назад тот же Ньютон не сильно сомневался в том, что мир создан. Значит, у него есть конечный возраст. Потом наука постепенно открывала новые факты, которые плохо укладывались в формат Книги Бытия. И более логичной стала казаться вечная, бесконечная и неизменная Вселенная. И 100 лет назад это была главенствующая картина. Главенствующая настолько, что когда Эйнштейн попытался применить свои уравнения ко всей Вселенной и получил, что она не стационарна, он добавил туда такое философское слагаемое, которое компенсировало бы возможное сжатие и делало бы все стационарным. Идея конечной Вселенной на тот момент была страшно некомфортной. Эйнштейн сказал, что здравый смысл – это предрассудки, усвоенные человеком до восемнадцати лет. И здравый смысл просто повлиял на уравнение теории. И когда в 22-м году Александр Фридман…

Кстати, если спросить, кто в мире из российских ученых самый известный в астрофизике, – это будет формально даже не астрофизик, Александр Фридман. Он был математик, метеоролог. Так вот, он получил решение уравнения Эйнштейна безо всякого дополнительного слагаемого и сказал, что Вселенная должна или расширяться или сжиматься. Это еще ниоткуда не следовало из наблюдений, но очень быстро было открыто расширение Вселенной. Поэтому гипотеза стационарной Вселенной не имеет сейчас права на существование. При этом есть люди, которые продолжают этим заниматься. Это в основном люди, которым в 65-м году было столько, сколько мне сейчас. Очевидно, что скоро идея исчезнет совсем.

Вторая идея, которая когда-то была очевидна для всех, – это распространенность планет типа Земли. Точно так же, как и со стационарностью. Если существует единая картина в науке, о которой все говорят, – это не значит, что говорящие об этом ученые не разделяют стандартную гипотезу и абсолютную истину. Я могу говорить вам, что черные дыры существуют. Это стандартная гипотеза сейчас. Но внутри своей головы я понимаю, что могут появиться факты, которые покажут, что природа избегает формирования черных дыр. И создает что-то гораздо более удивительное. Так вот о распространенности планет. 50 лет назад люди знали планетную систему в количестве один экземпляр.

Тяжело строить статистику из одного экземпляра. Люди всегда рассуждали с точки зрения, что наша планетная система стандартна. Это нормальный принцип, что мы достаточно типичны. Это один из принципов, которые лежат в основании науки. Оказалось, что в данном случае это не так. Солнечная система как раз очень нетипична.

Вот красивая картинка. По горизонтальной оси отложен размер орбиты системы в астрономических единицах. По вертикальной – масса планеты в единицах массы Юпитера. Видно, что, во-первых, мы открываем планеты примерно как Юпитер и расположенные очень близко от звезды или чуть подальше, но все равно ближе, чем сидит Юпитер. Оказывается, что планетные системы типа нашей достаточно редки.

Конечно, мы не можем сейчас технически увидеть планету типа Земли на расстоянии одной астрономической единицы. Но уж Юпитер на своем месте мы могли бы открыть. И видно, что нет никакого максимума. Оказалось, что все теории, которые давали планетную систему типа нашей, имеют очень ограниченную область применимости и не объясняют стандартную систему. Вот еще один пример. Это планета вокруг Фомальгаута. Это массивная планета, находится достаточно далеко. Мы видим, как она крутится. Мы изучаем статистику, разные планетные системы. И все модели эволюции формирования планетных систем существенно продвинулись. И старые гипотезы, которые были в ходу даже 20 лет назад, нуждаются в существенной модификации, потому что не соответствуют фактам.

Тем не менее, когда-то эти отброшенные гипотезы были стандартными гипотезами. Это очень важный момент в жизни науки. И здесь происходит путаница. То, что сейчас является стандартной гипотезой, выглядит как сейчас установленная истина. Здесь нужно отличать одно от другого, потому что иначе создается впечатление, что ученые все время врут. Раньше мы знали, что есть протоны и электроны. А потом открыли нейтроны. Оказалось, что учили все не так. Или казалось, что электроны можно представлять как шарик, крутящийся вокруг ядра. Потом оказалось, что все по-другому, так, как мы даже представить себе не можем, а можем только уравнения написать. Это важно понимать.

Меняется жизнь, меняется формат рассказа. Сейчас формат скорее такой клипово-новостной. Вот ученые что-то открыли, а у журналиста есть 15 минут, чтобы вам это показать. Это может выглядеть только как утверждение об истине. Если вы начинаете новость со слов «по всей видимости», редактор это вычеркивает и говорит: «Или открыли, или не открыли!» И оказывается, что обо многих вещах просто невозможно рассказать в СМИ. Как в старом анекдоте: рассказать можно доступно, правильно, коротко – выберите два любых. Часто происходит доступно, коротко, но неправильно. Так что со стандартными гипотезами есть путаница.

Задача ученого состоит не столько в использовании стандартных гипотез. Он использует, например, 10 стандартных гипотез. Он работает с девятью, а одну пытается закрыть или изобрести свою вместо нее. Это то, чем ученые занимаются. Но чтобы бить по одной, ему нужно взять другие как некую данность. Потому что менять сразу все не получится. Есть много стандартных гипотез. Все эти моменты могут быть неправильными.

Есть темное вещество. Это стандартное предположение. Я готов спорить со всеми, что оно существует. Но я понимаю, что могу проиграть. Странная материя, может быть, существует. Не надо убеждать редактора журнала в этом – это обсуждаемая гипотеза. И так по всему списку, включая пункт по числу измерений. Мы знаем, что есть x, y, z. Все. Трехмерное пространство. При этом современные теории оперируют многомерными пространствами. Это стандартная гипотеза. Если у вас пешеход идет из пункта А в пункт Б, пространство трехмерно. А вот если у вас черная дыра испаряется, тут может быть существенно, что есть еще 7-8 измерений, куда она тоже может испаряться. Таким образом, трехмерность мира может быть неверной.

Далее. Космология. Здесь мы наиболее ярко сталкиваемся со стандартными моделями, про которые все понимают, что они могут быть неправильными. Публикуются разные обсуждаемые альтернативы стандартным моделям. Но важно понимать, что есть две группы людей. Они вроде занимаются одним и тем же: например, черными дырами. Я занимаюсь астрофизикой черных дыр. Я ничего не знаю про альтернативы, детали, про то, что происходит внутри. Я использую это как стандартную гипотезу и дальше проверяю стандартную астрофизику. А есть люди, которые работают над альтернативами черных дыр. Это совсем другая деятельность. Пока они не создали ничего, что я мог бы взять для астрофизики.

Ситуация примерно такова и в космологии. Есть стандартная l-CDM модель. CDM – это холодная темная материя. l– это добавленное Эйнштейном дополнительное слагаемое, l-член, который и является темной энергией. В эту модель входят изотропия и однородность пространства. Это гипотеза. Мы не можем сказать, изотропно и однородно ли пространство в большом масштабе. У нас есть наблюдения, которые говорят, что все однородно и изотропно. Но точность всегда конечна. И из-за конечности скорости света и конечности жизни Вселенной мы не можем это утверждать. Все выглядит так, как будто Вселенная однородна и изотропна. Этого достаточно, чтобы сделать эти предположения стандартными. Но это не значит, что это нельзя менять.

Темное вещество. Опять же, мы не знаем, что оно есть, не можем его поймать, хотя его вокруг навалом. Это составляющая стандартной модели. Темное вещество – это хорошая стандартная гипотеза. Вселенная на 70 с лишним процентов состоит из темной энергии, на 23% – из темной материи и несколько процентов – это обычное вещество, с которым мы сталкиваемся.

Какое на сегодняшний день самое достоверное доказательство того, что есть темное вещество? Это сталкивающиеся скопления галактик. Это оптическое изображения. Два скопления галактик. Синим показано распределение вещества. Его можно показать, поскольку мы можем измерять массу. Можно обнаружить по гравитационному воздействию любое вещество и построить карту. Это карта распределения темного вещества. Оно доминирует. Вот распределение рентгеновского газа. Он удерживается силой гравитации.

Что видно? Видно, что галактики находятся там же, где и темное вещество. А газ находится посередине между ними. Это сталкивающиеся скопления галактик – они пролетели друг сквозь друга. После этого пролета оказалось, что газ и основная масса оказались разделены. Единственное разумное объяснение этому в том, что основная масса сосредоточена не в газе и звездах, а в некоторой темной материи, которая сама собой и с газом особо не взаимодействует. Объяснить эту картину без гипотезы о темной материи, конечно, можно. Но объяснение будет очень неестественным. А с ней – это самая естественная модель.

В лабораториях темную материю ищут. Есть несколько экспериментов. И здесь как раз проявляется и конкуренция и консерватизм. Есть эксперимент DAMA/LIBRA. Они заявляют, что уже давно видят темную материю. Они видят сигнал, который интерпретируют таким образом. Больше никто такого не видит. Все эксперименты немного разные, они не копируют друг друга. Есть некие ноу-хау, которыми люди не хотят делиться. Это неправильно.

Есть и эксперименты, которые находятся в противоречии друг с другом. Проводятся независимые проверки. Летает на спутнике замечательный итальянский прибор Памела. Они видят некий странный сигнал, который часть людей интерпретирует как сигнал об аннигиляции темной материи. Летает гамма-обсерватория имени Ферми. У американцев есть традиция называть спутники в честь известных ученых и называть после удачного запуска. Чтобы не было: «Михаил Ломоносов сгорел в верхних слоях атмосферы». Когда частицы темной материи аннигилируют друг с другом, они превращаются в другие частицы, в том числе порождают гамма-кванты. Их можно уловить. Этот гамма-спутник, как ожидается сейчас, увидит сигналы от темного вещества. Постоянно появляются новые данные, которые сразу выкладываются в открытый доступ. Это, кстати, новая и очень хорошая традиция в науке. Люди проверяют друг друга, находят ошибки, что очень важно. Буквально сегодня была статья об этом.

С одной стороны, люди выкладывают этот результат. С другой, – сразу пишут, что он предварительный. Далее. Есть много примеров гипотез, которые вначале были страшной экзотикой, потом переходили в стандартные гипотезы. Замечательный пример – нейтрино. Нейтрино – частица, которая была теоретически введена Паули по очень хорошей причине: наблюдался некий процесс, в котором не сохранялась энергия. Люди самого верхнего уровня серьезно обсуждали, что закон сохранения энергии может не выполняться в индивидуальных квантовых процессах. Это была публично обсуждаемая теория. Паули сказал, что, может быть, есть частица, которая очень слабо взаимодействует с веществом.

Оказалось, что он прав. Обнаружили эту частицу, назвали «нейтрино». Солнце, например, его излучает. Мы можем теперь заглянуть в самый центр Солнца. Нейтрино излучают и атомные реакторы. Вначале была безумная гипотеза, потом стала стандартной гипотезой, а сейчас стала просто инструментом. Мы изучаем Солнце, то, как внутри устроена Земля, благодаря нейтрино. Это нормальная эволюция.

Общая теория относительности тоже постоянно проверяется. И те, кто ее проверяют, конечно, хотят ее опровергнуть. 99% ученых, которые сталкиваются с общей теорией относительности, используют ее – им нужна какая-то теория гравитации, которая надежна, проверена. Есть небольшой процент людей, которые занимаются непосредственно теорией гравитации. И им бессмысленно заниматься общей теорией относительности. Они пытаются строить что-то новое.

Есть много теорий, которые расширяют теорию относительности, но в них пока нет нужды. Можно использовать альтернативы, но нет в этом большого смысла. Черные дыры – это естественное следствие общей теории относительности. И опять же все делится на две части. Астрофизики используют черные дыры как некую стандартную модель, пытаются ее проверить, а есть теоретики, которые пытаются строить альтернативы.

И была очень хорошая фраза относительно источников в созвездии Лебедя. Рентгеновские источники обозначают буквой X (икс). Черная дыра в источнике Лебедь X-1 – это самая консервативная гипотеза. Если попытаться всунуть туда что-то другое, понадобятся самые безумные модели.

Сейчас самая надежная черная дыра находится в центре нашей галактики. Мы видим, как звезды крутятся вокруг черной дыры. Мы можем померить массу. Это масса около 3 млн. масс Солнца. Мы ее знаем с точностью до одного миллиона, но это очень высокая точность. Это не может быть 10 и не может быть 1. И очень трудно придумать что-то, кроме черной дыры, чтобы объяснить, что можно запихнуть в такой маленький объем такое большое, и чтобы оно не светило.

В прошлом году появилась очередная очень хорошая работа, которая описывает очень простую вещь. Вещество течет на центральный объект. Есть поток газа. Если там нет горизонта, а есть какая-то стенка, то вещество ударится о стенку и выделит энергию. И энергии выделяется много. Понятно, что, если просто взять ноутбук и бросить на нейтронную звезду, при падении, просто от удара, энергии выделится больше, чем в Хиросиме.

Глядя, как вещество падает на центральный объект нашей галактики, мы видим, что очень мало высвечивается. И можно посчитать, сколько должно было высветиться по дороге, а сколько – от удара о любую стенку. И получается, что стенки там нет. Это не совсем прямое доказательство. Но ставятся очень жесткие ограничения на модели, которые могли бы с помощью разумной физики объяснить такой плотный и компактный объект, не прибегая к концепции черной дыры.

Есть другие системы, двойные, где вещество течет на компактный объект со звезды-соседки. Если здесь есть нейтронная звезда, вещество накапливается (водород) и происходит термоядерный взрыв. Теперь представим, что у нас тут черная дыра. Взрыва не будет. И их нет. Можно показать, что во многих альтернативах черным дырам накопление вещества все равно происходит. И какие-то вспышки должны быть. И их искали. И выяснилось, что модели, которые считались хорошей альтернативой черным дырам, не проходят. Есть прямой тест, который их убивает. Так что мы не можем доказать, что это черная дыра. Но если приходит человек и говорит, что это не черная дыра, а «такая-то штука», мы можем показать, что такая штука там не может находиться. Потому что можно сделать четкое предсказание, которое не выдерживает проверки наблюдением.

Мораль такая. Часто у людей, которые сталкиваются с какой-то сложной моделью, возникает желание махнуть рукой и сказать, что все проще. Нет. Может быть, вы придумали что-то, что будет работать. Но это будет сложнее, чем стандартная гипотеза. Стандартная гипотеза сейчас – это всегда самое простое. Можно придумать модели без темного вещества. Но такие модели, если они могут объяснить все наблюдаемые факты, будут более странными и замысловатыми, чем гипотеза о темной материи, или же они не будут что-то объяснять.

Тут приходит в голову такой миф одного из островных народов. Почему у попугаев яркие перья? Вначале у него были серые перья. Но попугай пошел купаться, разделся на берегу и стал ждать, пока придет другая птица. Она пришла, разделась, он схватил ее яркие перья и убежал. Это прекрасно объясняет, почему у попугая яркие перья, но не объясняет, почему они были яркие у той птицы. И альтернативы, которые пытаются подменить гипотезы, похожи. Они могут что-то объяснить, но они не объясняют следующий уровень. Поэтому их нельзя принять за разумные гипотезы. Но при этом есть очень интересные альтернативы. Три я выписал.

Модифицированная ньютоновская динамика – это альтернатива темной материи, модель, в которой нет темного вещества, но закон тяготения хитро меняется. Этим можно многое объяснить. Но когда растет комплекс данных, оказывается, что нужно вводить новые темные сущности. Есть альтернатива черным дырам – гравистары. Все очень хорошо, но это странный объект. Так может быть на бумаге. Но как это получается в реальности, непонятно. А как сделать черную дыру, мы знаем. Есть альтернатива темной энергии. Нужно просто отказаться от однородности и изотропности.

Если Вселенная в очень большом масштабе неоднородна, может быть, наша наблюдаемая область расширяется в большую область, поэтому расширяется ускоренно. Все замечательно, но для этого мы должны сидеть точно в центре. И если ввести это в новый принцип, это будет куда менее комфортно для большинства ученых, чем ввести новый вид полей или свойство вакуума, которое обеспечивает это ускоренное расширение. Итак, большие комплексы данных или ключевые факты убивают многие альтернативы.

Есть замечательная концепция странного вещества. Она появилась вначале как плохая гипотеза. Мы состоим в основном из протонов и нейтронов. Они состоят из кварков. Кварки – это последний уровень материи. Как только они были предложены в середине 60-х гг., два советских ученых сказали, что в нейтронных звездах плотность такая большая, что может так получиться, что протоны и нейтроны настолько сближены, что кварки уже не заперты внутри, а образуют единое целое. Тогда это была просто гипотеза.

Потом были открыты другие типы кварков. И удалось показать, что можно сделать такое вещество стабильным. Но пока в теории, экспериментально это не измерено. Это странная материя. Странная, потому что там есть кварк, который называется странным. У кварков вообще такие странные названия. Если эта гипотеза верна, это самое устойчивое состояние вещества. И при высоких плотностях вещество само собой туда переходит, потому что это энергетически выгодно. Нейтронные звезды сталкиваются друг с другом.

Есть двойные системы, состоящие из двух нейтронных звезд. Они сближаются, сливаются, выделяется большое количество энергии. И разбрызгиваются капельки странного вещества – страпельки. А дальше они могут, летая по Вселенной, заражать другие нейтронные звезды, превращая их в странные. И при некоторых параметрах все нейтронные звезды должны быть странными. Если это так, основная часть вещества войдет в получившийся компактный объект, а часть будет разбросана по пространству. Это сейчас такая гипотеза на троечку с плюсом.

Есть хорошие теоретические основания думать, что это так и есть. С другой стороны, все попытки найти свидетельства существования странного вещества пока ни к чему не привели. Но это легитимная теория, и будет интересно, если кварковое вещество существует. Итак, вернемся к изначальному вопросу: чем же темное вещество лучше, чем НЛО? Оказывается, что почти всем. Хотя пока не нашли ни грамма темной материи. Темная материя – это очень консервативная гипотеза, объясняющая большой комплекс наблюдательных данных гораздо лучше, чем любая альтернатива этой модели.

Гипотеза же о том, что есть внеземные НЛО, – это очень экстравагантное объяснение набора неподтвержденных данных. Существенно и то, что гипотеза о технологических НЛО противоречит ряду стандартных гипотез. Мы сейчас не видим ни одного автомобиля. Но любой химик скажет, что можно взять кубический сантиметр воздуха откуда угодно, проанализировать его – и этого будет достаточно, чтобы доказать, что снаружи есть автомобили. Даже можно будет оценить их количество снаружи. Точно так же, если верны стандартные гипотезы о том, как может выглядеть цивилизация, это вступает в противоречие с тем, что почти за каждой околицей приземляется летающая тарелка.

Источник

www.alter-science.info

Предложена новая теория, согласно которой черные дыры — это кротовые норы

Несмотря на то что мы многого не знаем о черных дырах (как они выглядят, что происходит с материей при падении в них, сколько их в нашей Галактике), астрофизики и астрономы точно уверены в их существовании.

Как бы то ни было, новая теория, предложенная исследователями из Левенского католического университета в Бельгии, утверждает, что черные дыры — по сути, червоточины, служащие коридорами в другие Вселенные.

Одна из главных причин, приведших к этому предположению, — постоянная проблема, связанная с природой черных дыр: после пересечения горизонта событий черной дыры материя падает на нее и, вероятно, уничтожается. Такое абсолютное уничтожение материи (и «информация», которую она представляет) не соответствует принципам квантовой теории, которая гласит, что информация не может быть создана или уничтожена.

Мгновенная симуляция слияния двух черных дыр. Столкновение двух вращающихся червоточин вызвало бы подобное искажение пространства-времени, оставляя за собой «эхо» в сигнале / LIGO LabCaltech

Для того чтобы примирить это понимание с огромным, невероятно мощным гравитационным феноменом, который мы называем черными дырами, команда ученых из Левенского университета предположила, что на самом деле «экзотические компактные объекты», действующие таким образом, — кротовые норы. Например, наблюдение гравитационных волн от двух сливающихся черных дыр также можно объяснить столкновением двух вращающихся червоточин.

Пабло Буэно, один из исследователей проекта, комментирует это так:

«У кротовых нор нет горизонта событий: они действуют как кратчайший путь в пространстве-времени, по которому можно перейти, словно по длинному коридору, выводящему нас в другую Вселенную, а факт их вращения изменяет производимые ими гравитационные волны».

Если черные дыры — действительно неправильно интерпретированные червоточины, у ученых должно получиться засечь «эхо» их гравитационных волн после затухания изначальных волн.

Им уже удалось поймать гравитационные волны с помощью лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (англ. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) и интерферометра Virgo. Следующий шаг в проверке теории о кротовых норах — поиск гипотетического «эха» того события.

«Подтверждение эха в сигналах LIGO или Virgo стало бы практически неопровержимым доказательством того, что астрофизических черных дыр нет. Время покажет, существует это эхо или нет. Если результат будет положительным, это станет одним из величайших открытий в истории физики», — говорит Буэно.

naked-science.ru

Удивительная история черных дыр

Алексей Левин
«Популярная механика» №11, 2005

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

Озарение Джона Мичелла

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

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

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

Модель Шварцшильда

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

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

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

От неверия к утверждению

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

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

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

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

Там, за горизонтом

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

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

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

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

Чернодырное излучение

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

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

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

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

Этот феномен называется эффектом Хокинга, в честь замечательного английского физика-теоретика, который его открыл в середине 1970-х годов. Стивен Хокинг, в частности, доказал, что горизонт черной дыры излучает фотоны точно так же, как и абсолютно черное тело, нагретое до температуры T = 0,5 x 10^–7 x M_s/M. Отсюда следует, что по мере похудания дыры ее температура возрастает, а «испарение», естественно, усиливается. Этот процесс чрезвычайно медленный, и время жизни дыры массы M составляет около 10⁶⁵ x (M/M_s)³ лет. Когда ее размер становится равным длине Планка—Уилера, дыра теряет стабильность и взрывается, выделяя ту же энергию, что и одновременный взрыв миллиона десятимегатонных водородных бомб. Любопытно, что масса дыры в момент ее исчезновения все еще довольно велика, 22 микрограмма. Согласно некоторым моделям, дыра не исчезает бесследно, а оставляет после себя стабильный реликт такой же массы, так называемый максимон.

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

Глубины космоса

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

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

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

Фабрика черных дыр

А нельзя ли разогнать частицы в ускорителе до столь высокой энергии, чтобы их столкновение породило черную дыру? На первый взгляд, эта идея просто безумна — взрыв дыры уничтожит все живое на Земле. К тому же она технически неосуществима. Если минимальная масса дыры действительно равна 22 микрограммам, то в энергетических единицах это 10²⁸ электронвольт. Этот порог на 15 порядков превышает возможности самого мощного в мире ускорителя, Большого адронного коллайдера (БАК), который будет запущен в ЦЕРНе в 2007 году.

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

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

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

elementy.ru