Черные дыры — это совершенно новые объекты, качественно отличающиеся от всего известного науке. Черной дырой называется масса, сжавшаяся настолько сильно, что возросшее гравитационное поле не выпускает даже лучи света. Из черной дыры не может вылететь никакая частица, не может выйти никакое излучение, так как ничто не способно двигаться быстрее света. В сильном гравитационном поле черной дыры медленнее течет время, а свойства пространства описываются неэвклидовой («искривленной») геометрией. По современным представлениям, в черные дыры превращаются достаточно массивные звезды в конце своей эволюции. Процесс их сжатия получил название гравитационного. Поле тяготения не выпускает света, когда звезда сжимается до размеров гравитационного радиуса. Для превращения в черную дыру Солнце должно сжаться до радиуса 3 км. В черную дыру могут падать и тела, и свет, но из нее ничто не может выйти. Граница области, откуда не может выйти излучение, носит название горизонта событий, или просто горизонта. Когда тела падают в черную дыру, ее масса и, следовательно, ее размер (гравитационный радиус пропорционален массе) возрастают. Таким образом, падение теп только увеличивает черную дыру, поэтому ее иногда сравнивают с бездонной пропастью (черную дыру нельзя ничем заполнить!). Внешний наблюдатель никогда не узнает, что происходит внутри черной дыры. Попробуем подойти к краю этой бездонной пропасти и попытаемся заглянуть внутрь. Впрочем, слово «заглянуть» здесь не уместно. Увидеть, что происходит внутри черной дыры, даже достигнув ее края, невозможно. Для этого космонавту придется последовать внутрь черной дыры. А такое путешествие сопряжено с риском. Ведь из черной дыры ничто не возвращается, ничто не выходит во внешнее пространство. Никогда не сможет вернуться и космонавт, какими бы двигателями ни обладала его космическая ракета, Не может космонавт послать нам какое-либо сообщение о своих наблюдениях. Но в принципе такое путешествие возможно.
Прежде чем отправиться в путешествие вместе с космонавтом, напомним еще об одном гравитационном явлении, хорошо известном,— о приливных гравитационных силах. Эти силы проявляются потому, что все тела, находящиеся в поле тяготения, имеют некоторые размеры. Гравитационные поля всегда неоднородны, и разные точки притягиваемых тел испытывают разное тяготение. Пусть тело находится в поле тяготения планеты. Ближайшие к планете его части будут притягиваться сильнее, чем отдаленные. Эта разность сил тяготения, называемая приливной силой, стремится растянуть, разорвать тело. Приливная сила тем больше, чем резче меняется поле тяготения от точки к точке и чем больше расстояние между точками, то есть чем больше размер тела. Разумеется, s обычных условиях, скажем в кабине космического корабля, летящего вокруг Земли, приливные силы ничтожны, незаметны, так как малы размеры корабля. Несущественно их действие и на обычные тела, расположенные на поверхности Земли. Но эти силы пропорциональны размерам тел. Именно они вызывают, например, приливы в океанах. Но вернемся к нашему космонавту. Поместим его сначала на поверхность невращающейся сферической звезды. Ее поверхность сжимается под действием все усиливающегося тяготения. Силы внутреннего давления вещества звезды практически уже не оказывают никакого сопротивления нарастающей гравитации. Поверхность звезды пересекает гравитационный радиус и продолжает сжиматься дальше. Процесс остановиться не может, и за короткий промежуток времени по часам наблюдателя, расположившегося на поверхности звезды, эта звезда сожмется в «точку», а ее плотность станет бесконечно большой. Возникает сингулярность пространства — времени. Бесконечно сильно искривится пространство, и столь же сильно исказится течение времени. Вблизи сингулярности и приливные гравитационные силы будут стремиться к бесконечности. Значит, любое тело (в том числе и наблюдатель) будет разорвано. Тело, падающее в сферическую черную дыру, которая образуется после сжатия звезды, также достигает сингулярности. Можно ли избежать попадания в сингулярность, если тело уже находится под горизонтом черной дыры? Оказывается, нет. Попадание в сингулярность неизбежно. Как бы ни маневрировал космический корабль, как бы мощны «и были его двигатели, он быстро упадет в сингулярность. Силы тяготения заставят все тела (и даже свет внутри черной дыры) двигаться только к центру. Движение от центра невозможно. Максимальное время, которое космический корабль может просуществовать под горизонтом черной дыры массы М до падения в сингулярность: (здесь Мо означает массу Солнца). Для того чтобы просуществовать это максимально возможное время, космический корабль должен выполнить следующий маневр. Необходимо включить двигатель на полную мощность при подлете к горизонту — к сфере гравитационного радиуса — и почти остановиться у самого горизонта. После этого выключить двигатель и дать кораблю свободно падать по радиусу от горизонта до сингулярности. Время падения и будет максимальным временем существования. Любые попытки космонавта как-то затормозить падение корабля внутри черной дыры или придать ему орбитальное движение приведут только к тому, что корабль упадет в сингулярность за более короткий промежуток времени по часам космонавта. Это сокращение времени падения связано с известным из специальной теории относительности замедлением времени при разгоне космического корабля. Чем быстрее движется корабль, тем медленнее на нем идут часы. Внутри черной дыры выигрыш от продвижения корабля меньше, чем потери, связанные с замедлением времени. Вне черной дыры и внутри нее на космонавта и его корабль действуют приливные силы. Приведем их численные значения. Пусть космический корабль свободно падает в черную дыру массы М. В корабле находится космонавт, рост которого 1,8 м, масса — 75 кг. Космонавт расположился в корабле так, что направление его туловища совпадает с направлением на центр черной дыры. Тогда на космонавта будет действовать растягивающая сила Fi, направленная вдоль его туловища: где R—расстояние корабля от центра черной дыры. Но приливная сила не только растягивает тело космонавта, она и сжимает его в перпендикулярном направлении. Сдавливающая сила F2 равна: Мы видим, что человек в космическом корабле может приблизиться к черной дыре и достичь ее границы (сферы гравитационного радиуса, не рискуя быть разорванным и раздавленным приливными силами, лишь в том случае, если черная дыра достаточно большая. Тогда R=r , входящие в кубе в знаменатели написанных выше выражений для F1 и F2, будут достаточно большими. Человек способен выдержать давление и натяжение не более 100 атм, что равно 10я дин/см2. Используя приведенные соотношения, находим, что человек может достичь границы той черной дыры, которая имеет размер больше 3000 км и, соответственно, массу больше тысячи солнечных. К меньшим черным дырам человеку приближаться опасно. Разумеется, когда космический корабль оказывается даже в очень большой черной дыре, на границе которой человеку не угрожает опасность быть разорванным приливными силами, в дальнейшем корабль будет неудержимо падать в сингулярность. При этом приливные силы неограниченно нарастают и рано или поздно разрывают любое тело. Таким образом, проникновение в сферическую черную дыру для космонавта равносильно самоубийству.
Казалось бы, мы пришли к крайне неутешительному выводу. Никто никогда не станет проникать внутрь черной дыры и исследовать ее изнутри не только потому, что не сможет вернуться назад во внешнее пространство, но еще и потому, что, попав в черную дыру, должен очень быстро приблизиться к сингулярности, где будет разорван приливными силами тяготения. Однако напомним, что мы рассматривали черную дыру, возникающую из точно сферического тела, и вывод о неизбежности попадания в сингулярность внутри черной дыры относится только к этому крайне искусственному случаю. В сферической черной дыре сила тяготения направлена прямо в центр, и неудивительно, что она сжимает точно к центру все вещества, создавая сингулярность. Но реальные тела не бывают строго сферическими. Может быть, если сжимается несферическое, например, сплюснутое и вращающееся тело, то оно вовсе не сжимается до бесконечной плотности, а достигает некоторого минимального размера под горизонтом и начинает вновь расширяться, и сингулярность никогда не возникает? А если и возникает, то всегда ли вещество, падающее в черную дыру, устремляется к сингулярности? Нельзя ли космонавту в маневрирующем корабле избежать этого?
Здесь мы вступаем в область, где очень много нерешенных проблем и нет ответов даже на самые важные вопросы. О том, что должно происходить внутри реальной черной дыры, когда нет идеальной сферической симметрии, известно очень мало. Для ответа на эти вопросы надо решить такие сложные математические уравнения, с какими современная математика справиться пока не может. И все же, кое-что известно. Прежде всего удалось установить, что если при коллапсе несферического и вращающегося тела образуется черная дыра, то внутри нее неизбежно возникает и сингулярность. Это важное утверждение было доказано английским теоретиком Р. Пенроузом. Но узнать что-либо о природе этой сингулярности не удалось. Возникают ли там бесконечные приливные силы—не известно. Все ли частицы веществе и кванты излучения под горизонтом черной дыры неизбежно падают в сингулярность — тоже не известно. Известно только, что внутри черной дыры хотя бы одна (1) частица вещества или один (1) квант излучения не смогут существовать сколь угодно долго после возникновения горизонта черной дыры и должны прекратить существование в сингулярности. Вот и все. Очень немного, и физики хотят узнать больше. Исследования продолжаются. Построены очень искусственные модели коллапса электрически заряженного сферического шара. Здесь возникает удивительная ситуация; в игру вмешиваются гравитационные силы, создаваемые электрическим полем шара. При сильном сжатии эти силы становятся весьма существенными. Общая картина коллапса заряженного шара следующая. Вещество шара сжимается, образуется черная дыра, вещество уходит глубоко под горизонт, но не достигает бесконечной плотности — на определенном этапе сжатие сменяется расширением. Вне шара имеется сингулярность, но вещество шара на нее не наталкивается.
Вещество шара не может расшириться и выйти из-под горизонта черной дыры в пространство, где оно начало сжиматься. Ведь мы помним, что из-под горизонта черной дыры ничто не выходит. Спрашивается, куда же происходит расширение? Оказывается, вещество шара расширяется не во внешнее пространство, где оно сжималось, а «в глубь» черной дыры. Образно говоря, вещество расширяется в «новом пространстве». Мы не случайно подчеркнули, что в сильном поле тяготения пространство и время сильно искривлены и могут иметь очень сложную топологическую структуру. Происходит ли нечто подобное в случае коллапса реального тела (а не в крайне идеализированных условиях)? — не известно. Большинство специалистов считает, что в реальной ситуации после образования черной дыры все вещество достигает сингулярности. В сверхсильном и быстро меняющемся гравитационном поле даже теории тяготения Эйнштейна уже недостаточно для описания того, что происходит. Вблизи самой сингулярности должны вступать в силу законы квантовой физики. Развивается бурный процесс рождения частиц из вакуума. Возможно, что пространство и время приобретают вблизи сингулярности квантовую природу. Исследование этих удивительных процессов только начинается.
И.Д. Новиков, доктор ф.-м. наук
По материалам журнала Земля и Вселенная № 5 1977 год
***
Letzte Kommentare
Artikel
Fotos
Eigene Seiten