Черные дыры и общая теория относительности

В 1916 году А. Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности (ОТО), которая и легла в основу современных представлений о гравитации. С тех пор в этой области, казалось, наступил длительный период “мирного развития”. Теорию разрабатывали, совершенствовали, из нее выводили все новые следствия. Пожалуй, самым впечатляющим среди них стали черные дыры — один из трех возможных исходов в жизни любой звезды.

Два других конечных состояния — белые карлики и нейтронные звезды — были подтверждены наблюдениями, но не привлекли особого внимания. А вот черные дыры сильно взволновали умы и прочно вошли в нашу “картину мира”. Теоретики открывают все новые их свойства (конечно, на бумаге), поэты пишут о них стихи, представляя их то как врата в иные миры.

Да и вообще стало выясняться, что попытки пересмотреть, а то и полностью опровергнуть ОТО никогда не прекращались. Выяснилось и то, что черных дыр, оказывается, не признавал и сам Эйнштейн и А. Эддингтон — один из первых физиков, пропагандировавших его теорию и способствовавший экспериментальной проверке другого ее вывода — об искривлении лучей света в гравитационном поле.

Им не нравилось в первую очередь то, что черная дыра — это масса, которая не только не выпускает лучи света, но и безостановочно, совершенно неудержимо сжимается в математическую точку. Эддингтон всю Жизнь отрицал, что силы отталкивания не способны сдержать катастрофическое сжатие. Эйнштейн же считал, что не могут существовать объекты, меньшие своего гравитационного радиуса: ведь сила тяготения тела, сжатого до гравитационного радиуса (он зависит от массы тела), становится бесконечной.

Черные дыры на кончике пера

Или Подробности из жизни гипотетического объекта, вычисленного разными учеными за двести лет

В результате двойной ошибки

В 1798 году П. Лаплас, исследуя распространение света в гравитационном поле, убедился, что неиэлучающие, то есть абсолютно черные тела возможны, если их поле тяготения станет столь сильным, что не выпустит световых лучей наружу. На современном языке это означает, что вторая космическая скорость от такого тела превышает скорость света. Необходимо лишь, чтобы его масса М была сосредоточена в области с радиусом, меньшим гравитационного R. Последний же равен 2GM/c2, или же приблизительно 1x5x10-28xМ, где G— постоянная тяготения; масса M измеряется в граммах, a R — в сантиметрах. Для Солнца гравитационный радиус составляет примерно 3 км.

Конечно, для своего вывода Лаплас использовал классическую механику и теорию тяготения Ньютона. Он не мог знать, что здесь не подходит ни то, ни другое: распространение света подчиняется законам релятивистской механики, а сильное поле тяготения описывается общей теорией относительности. Тем не менее, как это иногда бывает в истории науки, обе ошибки Лапласа точно скомпенсировали друг друга.

...И обрели они имя

Полтора века этот вывод не привлекал внимания ученых. О нем вспомнили только в 1938 году, когда Р. Оппенгеймер и Дж. Снайдер рассчитали ход эволюции и конечное состояние для наиболее тяжелых звезд — с массой примерно в 3 солнечных и более. Для них гравитационное сжатие (коллапс) после выгорания ядерного топлива становится катастрофическим, неудержимым, и, когда радиус звезды сравняется с ее гравитационным радиусом, она превратится в “объект Лапласа”. Такие гипотетические тела и назвали черными дырами.

Генераторы энергии! 

Кроме “обычных” черных дыр (ЧД), возникающих в конце эволюции звезд, законы физики разрешают существовать и “сверхтяжелым” ЧД с массой до 108 солнечных. Они могут образоваться, например, при сжатии больших скоплений галактического газа. Предполагают, что именно такие объекты подпитывают энергией ядра активных галактик и квазары (наблюдения указывают, в частности, на наличие большой массы в центре галактики М-87). Однако этот вопрос еще не проработан теоретиками.

Чем легче, тем старше. Черные дыры с массой меньше трех солнечных в результате гравитационного коллапса образоваться не могут: ведь чтобы в ЧД превратилась, например, Земля, ей надо сжаться до шарика радиусом меньше 1 см. Столь чудовищное cжатие невозможно ни в каких естественных процессах в современной Вселенной.

Но в первые мгновения после Большого взрыва, когда плотность вещества Вселенной была неимоверно велика, имелись условия и для возникновения черных дыр сколь угодно малых масс (в результате коллапса случайных неоднородностей первичного вещества). Правда, наблюдательных данных о существовании подобных объектов тоже пока нет.

 

А все-таки она излучает! 

Утверждение об абсолютной замкнутости и стационарности ЧД верно лишь в рамках обычной, неквантовой теории тяготения. Но в 1974 году английский физик-теоретик С. Хокинг показал, что квантовые эффекты должны заставить ЧД непрерывно излучать, теряя энергию, то есть как-то проявлять себя вовне, меняться, я жить”. Поэтому надо помнить, что само название “черная дыра” сейчас потеряло свой первоначальный смысл.

Дело в том, что огромное поле тяготения ЧД делает физический вакуум вокруг нее неустойчивым: всегда присутствующие в нем виртуальные (короткоживущие) пары частиц превращаются в реальные (долгоживущие). Одна из компонент пары уходит внутрь ЧД, а другая вылетает наружу, и ее можно зарегистрировать. При этом оказалось, что излучение черной дыры — чисто теплового характеризую есть неотличимое от излучения-абсолютно черного тела, нагретого до определенной температуры. Но ведь ЧД и есть именно такое тело. Это удивительный случай, когда физическая абстракция вроде материальной точки или идеального газа становится реальностью.

Ничто не вечно в мире

С. Хокинг установил, что температура ЧД обратно пропорциональна ее массе. Эта элементарная зависимость полностью предопределяет “биографию” ЧД. Пусть образовалась черная дыра с определенной начальной массой, которая сразу же задает и начальную температуру. От нее зависит, какие частицы излучает тело. При низких температурах — это частицы, не имеющие массы покоя: фотоны и нейтрино. Но в любом случае излучение уносит энергию, а значит, и масса ЧД неизбежно будет уменьшаться, что вызовет ее нагрев. Итак, температура черной дыры и интенсивность ее излучения неудержимо растут со временем. А при этом, как известно, в составе излучения появляются все более тяжелые элементарные частицы. Процесс развивается лавинообразно и завершается грандиозным взрывом: за последние десятые доли секунды жизни ЧД в микроскопически малом объеме мгновенно выделяется энергия миллиона мегатонны* бомб.

Заднечисленные рассуждения

Познакомившись с расчетами С. Хокинга, физики удивились: как это они сразу не сообразили, что необходимость, неизбежность излучения ЧД вытекает из фундаментальных термодинамических принципов? Ведь упавшее внутрь черной дыры тело полностью, исчезает из мира, доступного восприятию наблюдателя. Но тогда исчезает и содержащийся в теле запас энтропии. И если бы не было теплового излучения Хокинга, восполняющего эту убыль, мы столкну-' лись бы с нарушением второго начала термодинамики, гласящего, что энтропия любой системы уменьшаться не может.

Если даже их нет, их надо было выдумать

Итак, черные дыры помогли увидеть неожиданные аспекты термодинамики, обогатив наше понимание природы теплоты. До расчетов С. Хокинга мы знали единственный механизм образования тепловой энергии — превращение упорядоченного движения частиц в хаотическое, что проявляется и при трении двух кусков дерева, и при нагреве плазмы в современных токамаках. Физика черных дыр указала новый механизм появления тепла — за счет недостатка информации о внутренней структуре объекта. И независимо от того, существуют эти объекты в природе или нет,— спасибо им, они уже с лихвой оправдали себя как предмет и инструмент теоретического исследования и, можно думать

Техника молодежи. 1980. № 8

http://www.modcos.com/articles.php?id=138 Эхо черных дыр

Рубрика: