Жанр: Научная фантастика
Войти в бездну 3. Стоя на краю
...нии же в черную дыру эти силы огромны даже еще на ее границе. Оказывается,
чем меньше масса и размер дыры, тем больше приливные силы на горизонте. Для дыры с
массой в тысячу масс Солнца приливные силы соответствуют давлению ста атмосфер. Такие
нагрузки человеческое тело уже выдержать не может. Для меньших черных дыр приливные
силы на границе еще больше...
Следовательно, если черная дыра имеет массу меньше тысячи солнечных масс, то
человек, приблизившись к ней, не может остаться в живых.
Разумеется, при падении космического корабля даже в очень большую черную дыру, на
границе которой человеку не угрожает опасность быть разорванным приливными силами,
корабль в конце концов начнет неудержимо падать к сингулярности, а тогда неограниченно
нарастающие приливные силы все равно рано или поздно разорвут любое тело. Таким образом,
не желая кончать жизнь самоубийством, космонавт не станет по собственной инициативе
проникать в черную дыру.
Мы рассмотрели столь ужасный мысленный эксперимент, чтобы показать суть основного
явления, возникающего внутри черной дыры, - безудержный рост приливных сил,
заканчивающихся сингулярностью. Почему это так важно?
Дело в том, что в окрестности самой сингулярности огромные приливные силы приводят
к изменению физических законов, установленных в условиях, далеких от столь экстремальных.
Сейчас только скажем, что в сингулярности пространство и время не только "искривляются"
сильнейшим образом, по и утрачивают, вероятно, свой непрерывный характер, распадаются на
отдельные неделимые более промежутки - кванты. Мы не будем детальнее останавливаться на
этом, во-первых, потому что читатель и так, наверное, устал от попыток представить себе столь
необычные вещи, а во-вторых, потому что теоретики еще сами толком не знают точно, что там
происходит. Это самый передний край гравитационной пауки.
Но уже то, что достоверно известно о "внутренности" черной дыры, крайне интересно.
Эти знания - плод большой и сложной работы многих теоретиков в разных странах мира.
Одна из самых больших трудностей состояла в том, чтобы выяснить, что происходит
внутри черной дыры в реальном случае, а не в какой-то идеализированной ситуации. Чем
отличается случай реальный от идеализированного? К идеализации теоретики прибегают для
того, чтобы упростить уравнения, которые они решают. Например, предполагали, что
сжимается идеально сферическая без малейших отклонений от шаровой формы звезда. Для
такой идеализированной задачи уравнения неизмеримо проще, чем в общем случае. Их удалось
решить и исследовать "внутренность" возникающей сферической черной дыры. Но даже после
получения решения потребовались десятилетия, чтобы физики окончательно осознали
структуру этой "внутренности".
А в действительности звезда никогда не может быть идеально сферической. В ходе
сжатия отклонения от сферичности нарастают. Что будет в этом случае? Прямые методы
решения уравнении здесь помочь не могли. Общих решений уравнений нет. Для получения
ответа потребовалось настоящее математическое остроумие.
Когда знакомишься с подобного рода работами, всегда остается загадкой: как можно
додуматься до столь необычного пути решения вопроса? Очень хорошо об этом сказал
открыватель законов планетных движений И.Кеплер: "Пути, которыми люди проникают в суть
небесных явлений, представляются мне почти столь же удивительными, как и сами эти
явления".
Первый успех был достигнут английским теоретиком Р.Пенроузом. Он показал, что при
сжатии реального неосферического тела внутри образовавшейся черной дыры неизбежно
возникает сингулярность, то есть область с бесконечными приливными силами тяготения.
Невозможность избежать возникновения сингулярности внутри черной дыры, как показал
Р.Пенроуз, следует, по существу, из факта невозможности начертить на бумаге карту всей
сферической Земли так, чтобы все точки, близкие на поверхности Земли, были близки и на
карте. Мы знаем, что на единой карте мира мыс Дежнева, например, и Аляска часто
изображаются на противоположных концах карты, а в действительности они рядом. Вот к
этому хорошо знакомому факту Р.Пенроуз остроумно и свел доказательство.
Но обязательно ли все тела, упавшие в реальную черную дыру, упадут и в сингулярность?
Много теоретиков пытались разобраться в этом. Эту проблему начали решать А.Дорошкевич в
середине 1970-х годов, затем над ней работали физик А.Старобинский и американские
теоретики. Теперь этот вопрос в основном исчерпан - удалось доказать, что падение в
сингулярность неизбежно.
Напомним еще раз, что о всех событиях, протекающих внутри черной дыры, наблюдатель,
оставшийся вне ее, знает, так сказать, только теоретически. Он не может получить о них
никаких сведений, никаких сигналов из-под горизонта черной дыры. Вот как поэтично говорит
об этом знаменитый индийский физик, лауреат Нобелевской премии С.Чандрасекар: "Исследуя
явления, связанные с горизонтами событий и невозможностью передавать через них
информацию, я часто повторял про себя сказку о природе, которую слышал в Индии лет
пятьдесят назад. Сказка эта называлась "Не потерялась, а просто исчезла" и повествовала о
личинках стрекоз, живущих на дне пруда. Их постоянно мучила одна загадка: что происходит с
ними, когда, став взрослыми, они поднимаются к поверхности пруда, проходят через нее и
исчезают, чтобы больше никогда не вернуться? Каждая личинка, ставшая взрослой и
готовящаяся подняться наверх, обязательно обещает вернуться и рассказать оставшимся внизу
подругам о том, что же происходит наверху. Ведь только так удастся подтвердить или
опровергнуть слухи, распространенные лягушкой: будто бы личинка, пересекающая
поверхность пруда и оказавшаяся по другую сторону привычного мира, превращается в
удивительное существо с длинным стройным телом и сверкающими крыльями. Но, выйдя из
воды, личинка превращается в стрекозу, которая, увы, не может проникнуть под поверхность
пруда, сколько бы она ни пыталась п как бы долго ни парила над его зеркальной поверхностью.
И в летописи, которую ведут личинки, нет ни одной строки о личинке, которая возвратилась бы
и рассказала, что же происходит с теми, которые пересекали границу их мира. И сказка
оканчивается жалобой: "Неужели ни одна из нас, хотя бы из жалости к тем, кого мы бросили
внизу, не вернется и не раскроет секрет?"
ОЧЕНЬ СЛОЖНО И ОЧЕНЬ ПРОСТО
Итак, мы познакомились с физикой черных дыр, с тем, что происходит в их окрестностях
и что может происходить внутри самих дыр. Черные дыры - совершенно исключительные
объекты, непохожие ни на что, известное до сих пор. Это не тела в обычном смысле слова и не
излучение. Это дыры в пространстве и времени , возникающие из-за очень сильного
искривления пространства и изменения характера течения времени в стремительно
нарастающем гравитационном поле.
Однако черные дыры являются в некотором смысле и очень простыми объектами. Их
свойства никак не зависят от свойств сколлапсировавшего вещества, от всех сложностей
строения вещества, его атомной структуры, находящихся в нем физических полей, не зависят от
того, было ли вещество водородом или железом и т.д. При образовании черной дыры для
внешнего наблюдателя все свойства сколапсировавшего тела как бы исчезают, они не влияют
ни на границу черной дыры, ни на что другое во внешнем пространстве, остается только
гравитационное поле, характеризуемое лишь двумя параметрами - массой и вращением
(присутствие глобального электрического заряда несвойственно небесным объектам). Этим
определяются и форма черной дыры, и ее размеры, и все остальные ее свойства. Так что с
полной определенностью можно сказать, что нет ничего проще черной дыры: человеческое
тело, например, несравненно сложнее - его двумя числами, как черную дыру, не
охарактеризуешь.
По поводу такой удивительной простоты черных дыр американский физик Кип Тори
как-то воскликнул: "Представьте себе, что мы могли бы судить о всех особенностях характера
женщины только по ее весу и цвету волос!"
Но нет и ничего более сложного, чем черная дыра, - ведь человеческое воображение
даже не в состоянии представить себе, до какой степени происходит искривление пространства
и изменение течения времени, что в них возникает дыра. Изучение физики черных дыр
позволяет расширить наши познания о фундаментальных свойствах пространства и времени.
Как мы увидим в дальнейшем, в окрестности черных дыр возникают, например, квантовые
процессы, обнаруживающие сложнейшую структуру так называемого физического вакуума.
Еще более мощные (катастрофически мощные) квантовые процессы происходят внутри самой
черной дыры (в окрестности сингулярности). Экспериментальное открытие черных дыр в
природе было бы чрезвычайно важным для естествознания. Мы смогли бы изучать новые
законы, управляющие свойствами пространства и времени в сильных гравитационных полях,
новые законы, управляющие движением материи в необычных условиях. Образно говоря,
черные дыры - это дверь в новую, широчайшую область нашего познания физического мира.
Дверь к новым невероятным возможностям - включая путешествия на колоссальные
расстояния...
Но насколько реальны черные дыры? Как мы уже говорили, искусственно их изготовить
пока нельзя. Однако возможно их возникновение во Вселенной естественным путем.
То, что знают астрономы об эволюции звезд, приводит к неизбежному выводу черные
дыры должны возникать в конце жизни массивных небесных тел. Как же протекает их
эволюция и почему следует столь определенный вывод?
Вещество обычной звезды, подобной нашему Солнцу, находится под действием двух
противоположных сил - тяготения, стремящегося сжать звезду к центру, и давления
раскаленных газов, стремящихся ее расширить. Их равенство обеспечивает устойчивое
состояние звезды. Ио горячая звезда непрерывно излучает энергию с поверхности, и если бы
эта потеря не компенсировалась, то звезда потеряла бы свою тепловую энергию и стала бы
сжиматься. Однако этого не происходит, ибо вблизи центра звезды, где температура достаточно
велика, идут термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением огромной энергии. При
этом ядерное "горение" претерпевают сначала водород, гелий, а затем и более тяжелые
элементы - углерод, кислород и т.д. Термоядерные реакции и являются источником энергии
звезд, которую они излучают в пространство
С течением времени исчерпывается запас ядерного горючего в звезде. Продолжительность
ядерного "горения" - этого активного периода жизни звезд - определяется скоростью потери
энергии на излучение и запаса ядерного топлива. И го и другое зависит от массы звезды.
Поэтому и продолжительность жизни звезды определяется ее массой. Звезды с массой, равной
солнечной, живут около 10 миллиардов лет. Более массивные звезды живут меньше. Так, звезда
массой 3 массы Солнца живет один миллиард лет, а звезда массой 10 масс Солнца всего 100
миллионов лег.
Когда исчерпается все ядерное топливо, звезда, продолжая терять энергию на излучение,
постепенно сжимается. Если масса ее не превышает массу Солнца более чем в 1, 2 раза, то
сжатие закончится, когда радиус звезды составит несколько тысяч километров. Плотность
вещества при этом может достигнуть 109 г/см3 . Такие звезды получили название белых
карликов. Они уже давно известны астрономам.
После превращения в белый карлик звезда остывает, практически не уменьшая своих
размеров. Давление газа, препятствующее дальнейшему сжатию белого карлика,
обеспечивается квантовыми силами, возникающими между достаточно тесно упакованными
электронами плазмы, составляющей звезду. Это давление в условиях звезды никак не зависит
от температуры ее вещества. Поэтому белый карлик может полностью остыть и превратиться в
черный карлик, не изменив своего размера.
Если масса звезды более 1, 2 массы Солнца, то в ходе ее сжатия плотность вещества
превысит 104 г/см3 . При такой плотности возникают ядерные реакции, поглощающие много
энергии. Равенство сил тяготения и давления нарушается, и звезда начнет стремительно
сжиматься.
В процессе этого сжатия может произойти ядерный взрыв, который мы наблюдаем как
вспышку сверхновой. При этом звезда сбрасывает оболочку и превращается в нейтронную
звезду Силы тяготения сжимают ее настолько, что в центре звезды плотность становится
сравнима с ядерной, 1014 -1015 г/см3 .
Нейтронная звезда - это своеобразное атомное ядро с поперечником в десяток
километров. В такой звезде ядерные частицы - нуклоны - очень тесно прижаты друг к другу.
Если ее масса не превосходит две массы Солнца, то нуклонный газ способен квантовыми
силами воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды. Таково конечное состояние этой
остывшей звезды. Правда, понятие холода к нейтронной звезде совершенно неприемлемо с
точки зрения земных представлений. Ведь в столь плотном газе тепло никак не должно
сказываться на величине давления, даже если температура газа сотни миллионов градусов.
Поэтому-то, хотя астрофизики часто называют нейтронную звезду холодной, в ее центре
температура может достигать сотен миллионов градусов, а па поверхности - миллиона.
Астрономы долго искали нейтронные звезды, но безуспешно. И эго вполне закономерно.
Звезду радиусом 10 километров и с температурой миллион градусов можно увидеть только в
самые крупные телескопы, если она к тому же достаточно близка к нам. Дело в том, что
излучающая поверхность нейтронных звезд очень мала и они, как правило, испускают
видимого света в миллион раз меньше нашего Солнца. Но если мы даже видим нейтронную
звезду, остается вопрос, как отличить ее от обычных слабых звезд.
Нейтронные звезды пытались обнаружить по воздействию их тяготения на близлежащие
звезды. В тесной двойной системе заметить слабую нейтронную невозможно - она тонет в
ярком свете своей соседки. Однако нейтронные звезды имеют такую же массу, как и
большинство других звезд. Астрономы стали искать в двойных системах звезды с нормальной
массой, но очень низкой светимостью. Однако эти попытки не увенчались успехом.
Открыли нейтронные звезды совершенно случайно, в 1967 году английские
радиоастрономы спустя 33 года после их теоретического предсказания. Оказалось, что вблизи
поверхности нейтронных звезд, которые обладают сильным магнитным почем, есть активные
области, излучающие направленные потоки радиоволн. Такая активная область вращается
вместе с поверхностью звезды, излучает пучок направленных радиоволн, как вращающийся
прожектор. Этот пучок бежит по небу, и когда попадает на Землю, мы наблюдаем вспышки
радиоизлучения, которые происходят через равные промежутки времени, соответствующие
периоду вращения звезды. Эти вспышки и зарегистрировали английские радиоастрономы.
Вспышки радиоизлучения пульсаров - как назвали новые космические объекты -
следовали с очень коротким периодом (около одной секунды и меньше). Такой период
вращения может быть лишь у звезды, поперечник которой не больше нескольких десятков
километров. Действительно, столь же быстро вращающаяся звезда с диаметром 1000
километров (например, белый карлик) будет просто разорвана центробежными силами, и
только у маленькой нейтронной звезды столь быстрое вращение еще не превышает предела
прочности. Так было доказано, что пульсары - это нейтронные звезды.
Пульсар - конечный этап активной жизни звезды не слишком большой массы, меньше
примерно двух масс Солнца.
Но в реальной Вселенной звезду окружает межзвездный газ. Он попадает на звезду,
разогревается при ударе о ее поверхность и испускает рентгеновские лучи. Если нейтронная
звезда входит в двойную звездную систему и из атмосферы второй (нормальной) звезды
истекает газ, то он может попадать в поле тяготения нейтронной звезды. В этом случае ноток
газа и интенсивность рентгеновского излучения становятся особенно велики. Такие
"рентгеновские пульсары" также обнаружены в двойных системах.
Итак, существование нейтронных звезд убедительно доказано. Но расчеты показывают,
что если звезда после исчерпания ядерного горючего, сжатия и возможных процессов
сбрасывания внешних оболочек имеет массу, все еще превышающую критический предел,
равный примерно двум солнечным массам, то даже действие огромных сил давления
сверхплотного ядерного вещества все же не сможет остановить процесс сжатия, и превращение
ее в черную дыру в конце эволюции становится неизбежным.
Правда, иногда высказывалась мысль, что, может быть, массивные звезды в конце
эволюции выбрасывают в пространство большую часть своей массы, а остаток, обладающий
массой меньше критической, превращается в белый карлик или нейтронную звезду. Но такой
путь эволюции большинству ученых представляется крайне искусственным и маловероятным.
Поэтому мы приходим к заключению, что черные дыры неизбежно должны возникать на
поздних стадиях эволюции массивных звезд и что "пожирающая" вещество нейтронная звезда
также рано или поздно станет черной дырой.
Не может быть заключения в рассказе о предмете, о котором мы вели речь. Рассказ о
вечно эволюционирующей, вечно молодой Вселенной не терпит итогов. Но что все же хочется
специально подчеркнуть, так это особенно бурное развитие науки о Вселенной - космологии,
приносящей новые удивительные открытия и новые фундаментальные знания. В эту науку
сейчас приходит новое молодое поколение ученых, берущихся за решение еще недавно
"неразрешимых проблем". Хочется, чтобы они были вооружены не только знанием, но и
вдохновением, настоящей влюбленностью в свое дело.
В приложении использованы выдержки из работ академика И.Новикова.
Из речи У. Черчилля в парламенте 10 мая 1940 года.
Андрей Мартьянов: "Стоя на краю"
Библиотека Альдебаран: http://lib.aldebaran.ru
Закладка в соц.сетях
