Черные дыры и пространственно-временные парадоксы

Частица, падающая на черную дыру, должна двигаться по временноподобной мировой линии, поскольку движение со сверхсветовыми скоростями, согласно теории, невозможно.Это подтверждается, в частности, тем, что на своем  пути к сингулярности падающий в  черную дыру астронавт нигде не превышает  локально измеренную скорость света. Согласно же теории Ньютона, астронавт должен испытывать все возрастающее ускорение, и поэтому он упадет на сингулярность  с бесконечно большой скоростью, безусловно превышающей скорость света.

Из диаграммы ясно: ничто  попавшее в черную дыру не может  избежать падения на центральную  сингулярность, поскольку даже внутри дыры частицы должны следовать по линиям, наклоненным к вертикали  под углом меньшим 45°. При этом внутри черной дыры, сразу за горизонтом событий, происходят фундаментальные  изменения характера пространства-времени. Если во внешнем пространстве тела свободны двигаться в произвольном направлении, то внутри черной дыры допустимо  единственное движение — к сингулярности  и разрушению в ней.

В заключение отметим, что  диаграмма Пенроуза симметрична; это  означает существование второй такой  же вселенной по “другую сторону” от черной дыры. Решения уравнений, описывающих пространство-время  в окрестности шварц-шильдовской  черной дыры, обладают определенной симметрией, которая указывает на то, что дыра может связывать нашу Вселенную  с другим, аналогичным миром.

Имеет ли этот “другой мир” физический смысл или это чисто  математическое следствие решения уравнений поля? В случае шварцшильдовской черной дыры этот вопрос носит чисто гипотетический характер; мы не можем проникнуть в “ДРУГУЮ вселенную” — послать туда или получить оттуда какой-либо сигнал. Все, что попадает в черную дыру, исчезает в сингулярности. Для совершения путешествия из нашей в другую вселенную или оттуда в наш мир потребуются сверхсветовые скорости, недопустимые, согласно теории относительности. Поэтому представление о второй вселенной интересно лишь с математической точки зрения. Тем не менее, возможность взаимосвязи между двумя мирами через черную дыру, так называемый мост Эйнштейна — Розена (или “кротовая нора”), привлекла к себе пристальное внимание ученых. Возникла мысль, что этот мост связывает не разные миры, а две точки одного—нашей Вселенной. Но даже если это и так, путешествовать между ними в пространстве-времени с помощью шварцшильдовских черных дыр мы не сможем, поскольку при этом нам не избежать сингулярности.

Часто встречаются математические задачи, имеющие два решения, одно из которых имеет физическое толкование, а второе приходится отбрасывать  как бессмысленное. Примером может  служить извлечение квадратного  корня из числа; например, корень из 64 может быть равен как +8, так и - 8. Вспомним третий закон Кеплера: расстояние от Солнца а (а. е.) и орбитальный период Р (годы) для любой планеты связаны  соотношением Р2 = а3. Если Р2=43=64, то период определяется как корень квадратный из 64. Безусловно, мы считаем период равным 8, а не - 8 годам.

Что же касается самой сингулярности, то мы знаем о ней слишком мало: известные нам физические законы отказывают, когда речь идет о бесконечной  плотности вещества и бесконечных  силах тяготения. Пенроуз и другие ученые убедительно показали, что  коллапс большой массы вещества неизбежно завершается образованием сингулярности и что, по крайней  мере в случае сферически симметричного  коллапса, непременно возникает горизонт событий, скрывающий эту сингулярность  от внешнего наблюдателя. Сингулярность  представляет собой такую область  пространства, где известные нам  законы природы не выполняются, и  поэтому мы не можем предсказать, как там развиваются события  и каковы их результаты. Если бы сингулярность  можно было наблюдать непосредственно, т. е. если бы существовала так называемая голая сингулярность, то мы лишились бы и тех небольших возможностей предсказывать развитие событий  во Вселенной, которые ныне нам доступны: ход наших рассуждений был  бы запутан непредсказуемым поведением сингулярности. Но поскольку сингулярности  “прячутся” за горизонтами событий, что бы в них ни происходило, это  никак не отражается на находящейся  вне горизонта событий наблюдаемой  части Вселенной. Если сингулярности  действительно ненаблюдаемы, то сам  факт их существования можно во внимание не принимать.

Не столь ясен вопрос о  том, обязательно ли формируется  горизонт событий вокруг всякого  коллапсирующего тела. Не вызывает сомнений образование такого горизонта  в процессе коллапса сферически симметричной массы, в результате которого возникает  невращающаяся черная дыра, но коллапс  несферических или очень протяженных  объектов ставит в этой связи ряд проблем. Многие ученые разделяют гипотезу Пенроуза о так называемой космической цензуре, согласно

которой Вселенная устроена так, что сингулярности всегда образуются только в пределах горизонта событий; однако справедливость этой гипотезы пока не имеет строгого доказательства, за исключением простейшего и  несколько идеализированного случая сферического коллапса.

Внутри черной дыры гравитация доминирует над всеми другими  силами, но если космическая цензура  все-таки есть, то мы никогда не сможем наблюдать последствий этой преобладающей  роли тяготения в экстремальной  точке — центральной сингулярности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.Черные дыры  во Вселенной

Черные дыры могут внезапно обнаружиться во множестве различных  астрофизических объектов. Возможно, нам когда-нибудь удастся открыть  черные дыры массой от 2—3 до 100 масс Солнца, образовавшиеся в результате гравитационного  коллапса звезд. Черные дыры массой в  несколько тысяч солнечных масс могут находиться в центре массивных  шаровых звездных скоплений; существует мнение, что сверхмассивные черные дыры в несколько миллионов и  даже миллиардов масс Солнца могут  быть ядрами активных галактик, в частности  радиогалактик, или таких загадочных объектов, как квазары. На другом конце  шкапы масс располагаются первичные  черные дыры, масса которых может  принимать самые различные значения в интервале, ограниченном снизу  массой примерно в миллиард тонн. Высказывалась  мысль, что большое количество невидимого вещества Вселенной может быть заключено  в черных дырах, блуждающих в межгалактическом пространстве. Если таких дыр много, то их гравитационное воздействие может  существенным образом сказаться  на ходе развития Вселенной; обсуждению этой проблемы посвящена следующая  глава.

Черные дыры столь часто  привлекались для “объяснения” самых  разнообразных астрономических  явлений, что возникает опасение, как бы они не превратились в единственный способ разрешения астрофизических  проблем. Конечно, в некоторых случаях  использование представлений о  черных дырах вполне обоснованно, но не следует забывать, что на сегодняшний  день реальность существования черных дыр окончательно не доказана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.Доказательство  существования чёрных дыр 

Пылевой диск вокруг чёрной дыры

Снимок Орбитального телескопа  Хаббла, содержит основные три характерные  черты:

-Внешняя белая область является ядром или центром галактики NGC4261..

-Внутри ядра существует коричневый диск спиральной формы, он весит в сотни тысяч раз больше, чем наше Солнце. Поскольку он вращается, мы можем измерить радиус вращения и скорость составляющих диска, следовательно, можем определить вес объекта, находящегося в центре.

-Это объект, величиной с нашу Солнечную систему, но весит в 1, 200, 000, 000 раз больше нашего Солнца. Это означает, что гравитация примерно в миллиард раз больше гравитации на Солнце. Практически несомненно, что этот объект является черной дырой.

Черная  дыра в M87

M87 является активной галактикой, в которой мы наблюдаем интересные  объекты. Вблизи её ядра (или  центра) существует спиральной формы  диск горячего газа. Хотя объект  не превышает в размерах размер  нашей Солнечной системы, он  весит в три миллиарда раз  больше, чем Солнце. Это означает, что гравитация настолько сильна, что свет не может убежать.  Там существует черная дыра.

Падение вещества в зону горизонта событий.

Космический телескоп Хаббл, возможно, впервые, позволил получить четкое доказательство существования  черных дыр. Он наблюдал исчезновение вещества, падающего в зону действия черной дыры, за так называемый "горизонт событий".

Наблюдаемые слабые световые импульсы потоков горячего газа в  ультрафиолетовом спектре обесцвечивались  и затем исчезали, образовывая  завихрение вокруг массивного, компактного  объекта по имени Cygnus XR-1. Этот механизм падения, похожий, к примеру, на падение  воды на краю водопада, соответствует  четкой аналогии теоретических расчетов падения вещества в черную дыру.

Горизонт событий - это  область пространства, окружающая черную дыру, попав в которую, вещество уже  никогда не сможет покинуть эту область  и провалится в черную дыру. Свет еще может преодолеть огромную силу гравитации и послать последние  потоки от пропадающего вещества, но только в течение небольшого промежутка времени, пока падающее вещество не попадет  в так называемую зону сингулярности, за которую уже не может выйти  даже свет.

Согласно общеизвестным  теориям никакой другой астрономический  объект, кроме черной дыры не может  обладать зоной горизонта событий.

Черные дыры были выявлены путем наблюдения картин по засасыванию (перетеканию) в них масс звездного  газа. Оценивая, сколько массы переходит  в крошечную область пространства, можно определить, сколько черная дыра занимает места и ее массу.

Никто до сих пор никогда  не видел, чтобы вещество уже попавшее в зону горизонта событий, падало в черную дыру. Обычно наблюдалась  картина простого перетекания вещества из соседней с черной дырой звездой. При этом, черная дыра была полностью  сферически окутана массой перетекающего  газа и сама напоминала по внешнему виду небольшую звезду, но излучающую свет в спектре, близком к ультрафиолетовому  или в нейтронах.

Этот секрет был скрыт  от общественности довольно долго. Ученые занимались дотошным анализом и проверкой  этих данных.

Сам Хаббл, конечно, не видел  зоны горизонта событий - это слишком  малая область пространства на таком  расстоянии, чтобы ее можно было бы оценить. Хаббл измерил хаотические  флуктуации в ультрафиолетовом свете  кипящего газа, пойманного в зоне гравитационного  воздействия черной дыры. Хаббл поймал уникальные моменты "затухающей последовательности импульсов", которые очень быстро ослабевали.

Этот механизм соответствует  общепринятой теории, предсказанной  учеными: когда вещество падает близко в зоне горизонта событий, свет от него быстро тускнеет, поскольку, чем  ближе к центру черной дыры, тем  сильнее сила гравитации и тем  более длинными становятся волны, постепенно переходя от ультрафиолетового спектра  к нейтронному, а затем и вовсе  исчезают. Этот эффект носит название "красного смещения".

Наблюдаемый фрагмент падающего  вещества исчез с поля зрения телескопа  Хаббла прежде, чем он фактически достиг горизонта событий. Быстродействующий  фотометр Хаббла отбираемый световые импульсы со скоростью 100000 измерений  в секунду. Ультрафиолетовая разрешающая  способность Хаббла позволила видеть слабое мерцание падающего вещества в пределах 1000 миль от горизонта  событий.

Динамические модели предсказывали  и раньше, что Cygnus XR-1's относится к  черной дыре. Газ не может непосредственно  падать в нее, как в канаву, но образовывает завихрение в виде сглаженного  спирального диска.

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Пространственно-временные парадоксы

Теории о путешествиях во времени, всегда остаются одними из самых впечатляющих вслед за разработками в области телепортации, торсионных полей и антигравитации. Впрочем, путешествию во времени не повезло  больше - до сих пор не только нет  очевидцев перемещения во времени, но и универсального определения  времени. В каком-то смысле каждый из нас - настоящий путешественник во времени, правда, это не впечатляет, тем более  что двигаться в этом понимании  можно только “вперед”.

По теории относительности  выходит, что при скорости, близкой  скорости света, время должно замедляться. Однако скорость света практически  недостижима в отличие, скажем, от скорости звука, барьер которой был  преодолен в последней четверти прошлого века. Далее, по теории Эйнштейна  следует, что, когда тело развивает  скорость, близкую к скорости света, его вес начинает увеличиваться  и в точке достижения этой скорости практически бесконечен. Еще одна аксиома, которая также сопровождает теории о времени, гласит: первое путешествие, если ему суждено будет произойти, будет связано не с изобретением сверхбыстрого транспорта, а с  открытием особой среды, в которой  любое транспортное средство могло  бы разогнаться до нужной скорости. Коридор во времени может быть образован и сугубо “природными” явлениями: черными дырами, тоннелями, космическими струнами и так далее.

Наиболее вероятным претендентом на “коридор времени” называют черные дыры, о природе которых до сих  пор известно очень мало. Принято  считать, что когда звезды, масса  которых превышает массу Солнца как минимум в четыре раза, гибнут, то есть когда их “топливо” сгорает, они взрываются из-за давления, вызванного их собственным весом. В результате взрыва образуются черные дыры, гравитационные поля в которых настолько мощны, что эту область не может покинуть даже свет. Всякий объект, достигающий  границы черной дыры - так называемого  горизонта событий, - всасывается  в ее недра, причем снаружи не видно, что происходит “внутри”.

Черная дыра окружена гравитационным полем, в котором тела достигают  скорости света. Предполагается, что  в глубине черной дыры - предположительно, в центре, в так называемой точке  сингуляра - законы физики прекращают действовать, и пространственная и  временная координаты, грубо говоря, меняются местами, а путешествие  в пространстве становится путешествием во времени. Кроме того, физики предположили, что если есть черные дыры, затягивающие все, оказавшееся в зоне воздействия, то где-то там, в “ядре” дыры, должна быть некая “белая дыра”, выталкивающая  материю со столь же сокрушительной силой.

В центре черной дыры находится  коридор, где пространство и время  меняют свои характеристики. Однако есть одно “но”: прежде чем тело достигнет  зоны, где законы традиционной физики перестают действовать, оно будет  разрушено. Эта точка зрения была высказана физиком Калифорнийского  института технологии Кипом Торном, автором монографии “Черные дыры и искривление времени”.

Торн предложил другой способ достижения необходимого для  путешествия во времени ускорения. Он, основываясь на той же теории Эйнштейна, по которой пространство и время везде постоянно, изучал другие “прорехи” в пространственно-временном  континууме. Эти норы-тоннели якобы  способны возникать между отдаленными  объектами благодаря казуальной скрученности пространства. Тоннели  могут связывать отдаленные в  пространстве точки, которые существуют в принципиально разных временных плоскостях. Кип Торн абсолютно серьезно в преддверии открытия этих тоннелей предлагал для поддержания их открытыми покрывать поверхность туннеля неким веществом с отрицательной плотностью энергии. Гравитационные силы будут стремиться разрушить туннель, захлопнуть его, а покрытие будет расталкивать стенки и удерживать от коллапса.