Почему у черной дыры время замедляется
Перейти к содержимому

Почему у черной дыры время замедляется

  • автор:

Немного о времени

Ход времени нельзя повернуть назад. Время своими свойствами резко отличается от трех других пространственных компонент в пространственно‑временном континууме. Время может замедлиться или ускориться, что доказывается экспериментальными данными.

Такие вот случайно выхваченные из разных теорий свойства. Такое вот оно — это обидчивое время. Но, дальше‑больше.

«На границе наблюдаемой Вселенной происходит нечто»,‑ считает Кэти Мак, астрофизик из Института теоретической физики Периметра в Канаде. «Вселенная расширяется после Большого взрыва, и это расширение растягивает время. Когда вы видите вещи в очень далекой Вселенной, из‑за расширения Вселенной для того, чтобы все произошло, требуется больше времени» — говорит она.

Там где гравитация очень сильна, время, как мы его понимаем, может полностью разрушиться. Возле горизонта событий черных дыр мощное гравитационное притяжение резко замедляет время. А при пересечении горизонта пространство и время «меняются» местами.

Поинтересуемся, как же ведут себя взаимодействия между различными системами, а также непосредственно пространство, материя и энергия в замедленном или почти «остановившимся» времени. Ученые практически не озадачиваются этим вопросом — говоря «ведут себя одинаково», точно так же как и в любом временном масштабе, вводя при этом понятие собственного (внутреннего) времени. То есть, не смотря на то,

  • что мы имеем «проблемы» с малыми размерностями в пространстве (неопределенность Гейзенберга),
  • что мы почти уверены в существовании квантов пространства (петлевая квантовая гравитация),
  • что мы почти подошли к признанию неделимого (в очень малых масштабах) промежутка времени (планковское время)

нам без всякого доказательства постулируется тезис: ни при каком замедлении, ни при каком ускорении (течении) времени никаких дополнительных эффектов не происходит ни у энергии, ни у материи, ни у пространства. То есть, замедлив течение времени при ускорении ракеты (конечно же, для внешнего наблюдателя) мы не заметим ничего, так как живем по внутренним часам.

Давайте снова обратимся к черным дырам. Теория говорит: материя, падающая в черную дыру упадет в неё за ограниченное время по внутренним часам, за «спагетифицируется» и приблизится к сингулярности. Странность заключена в том, что масса черной дыры растет, горизонт событий увеличивается, а материя и энергия в черную дыру по нашим часам не попадает. Да ладно бы наши часы, она не попадает за горизонт по часам всей окружающей Вселенной. По часам всех законов Вселенной снаружи от горизонта событий, по часам всех взаимодействий, происходящих снаружи черной дыры. За все время жизни Вселенной материя не упадет в черную дыру по часам внешнего наблюдателя.

1. Обычно дотошные наблюдатели говорят о том, что «застревает» свет — мы не увидим падение частицы в черную дыру, но это оптическая иллюзия, а реально частица падает за короткий срок. Однако, изучение движения частицы в поле Шварцшильда в свободном падении по геодезической приводит нас к выражению

где rg — радиус Шварцшильда, m – масса покоя частицы, с –скорость света и Е полная энергия частицы. Время движения частицы от r = r1 к горизонту события rg определяется интегрированием указанного выражения, причем интеграл расходится при r → rg . Это означает, что по часам далекого наблюдателя частица никогда не пересечет горизонт событий, так как время до горизонта будет равно [1]. Следовательно, речь идет не только о застрявшем свете, как оптической иллюзии, но и застрявшем гравитационном эффекте и всем, что наблюдается и соответственно откликается в этом процессе с внешней стороны от горизонта событий.

2. Ничего, скажет дотошный наблюдатель, все черные дыры ДОЖИВУТ свою жизнь по своим внутренним часам, по которым материя попадет внутрь черной дыры за конечный срок. А кто сказал, что окружающее пространство позволит ДОЖИТЬ? Умирающее окружающее пространство, живущее в своем «коротком» времени свой «короткий» срок. Перестанет существовать пространство, кончится время жизни Вселенной, каждого, каждого листа времени, окружающего черную дыру. Куда черная дыра будет испаряться и главное в чем существовать — Вселенная умерла.

Конечно же, выше приведены гипотетические рассуждения, но подобных «аргументов» найдется великое множество. Это говорит о том, что имеют право на обсуждение и альтернативные точки зрения на время, поскольку в фундаменте этого явления есть неприятные «шероховатости».

Некоторые ученые, изучающие микроскопические взаимодействия фундаментальных частиц, ставят под сомнение саму идею времени. Почти сорок лет назад известный физик Джон Уилер из Принстона и Брайс де Витт из Университета Северной Каролины разработали экстраординарное уравнение, которое обеспечивало возможную платформу для объединения относительности и квантовой механики [2]. Уравнение Уилера‑Де Витта не содержит временной переменной. Он сразу стало спорным, в частности, потому, что добавляло еще один непонятный поворот в нашем понимании времени. «Времени никогда не было, нет и никогда не будет. Оно только в наших головах и уравнениях, которые мы используем каждый день. Во Вселенной процессы не обязаны подчиняться какой‑то периодичности и интервалам. Нам неизвестны явления способные описать время», — говорил при жизни Джон Уилер.

«Можно сказать, что время просто исчезло из уравнения Уилера‑Де Витта. Это вопрос, которым озадачены многие теоретики. Возможно, лучший способ мышления о квантовой реальности — отказаться от понятия времени, чтобы фундаментальное описание вселенной было вневременным» — говорит Карло Ровелли, физик из Университета Средиземноморья в Марселе, самый продвинутый теоретик в вышеупомянутой петлевой квантовой гравитации.

В рамках квантовой химии явным образом определяется и решается стационарное уравнение Шредингера не зависящее от времени для молекулярных систем с большим набором ядер и электронов ĤΨ = ЕΨ , где Ĥ –оператор Гамильтона, а Е полная энергия системы [3].

В микромире есть элементарные процессы в которых элементы пространства и материи (или энергии) непрерывно взаимодействуют друг с другом с определенными скоростями и для описания этих взаимодействий время не нужно. Периодически появляются работы, в частности по исследованию квантовых систем, в которых предполагается независимость от причинно‑следственных связей. С другой стороны в квантовом мире время должно квантоваться и демонстрировать вероятностную неопределенность. Эти требования вносят заметный дискомфорт и разлад в сложившуюся картину мира и описывающие его модели.

Ньютон, вводя в своем труде «Математические начала натуральной философии» писал, что нельзя измерить Абстрактное время, но если предположить, что оно существует, получается удобная и эффективная конструкция для описания природы. Таким образом, наше обыденное чувство времени есть лишь некое приближение, некая абстракция, которая хорошо работает в макромире.

Обратившись к сути вопроса времени и его измерению, можно увидеть, что мы просто измеряем скорости тех или иных процессов. В химии, например, время это скорость химических реакций. И для человека время это скорость его химических реакций, скорость взаимодействия химических процессов, а деградация этих процессов соответственно старость. В квантовом мире время это скорость взаимодействия ковариантных квантовых полей. Упрощенно, время это счетчик этих взаимодействий.

Время это придуманная человеком удобная абстракция для обобщения скоростей миллионов различных взаимодействий и характеризирующая эти взаимодействия одним параметром. Нам удобно манипулировать этим усредненным параметром вместо наблюдения за каждым взаимодействием в отдельности, нам удобно считать, что существует единое время, которое лежит в основе каждого движения или процесса.

Заменяя абстрактное понятие времени на скорость взаимодействия, можно прийти к более удачным конструкциям в уравнениях и избежать многочисленных временных парадоксов. К примеру, квантовые события в планковских масштабах в новой парадигме больше не упорядочены ходом времени, изменения в квантовых полях происходят и они характеризуются скоростями протекания при взаимодействии между собой. В квантовой физике «не существование» привычного времени и обыденного пространства просто характеристика квантового взаимодействия.

Добавим, что скорость обладает «временными» свойствами, такими как одно направленность и квантовая не детерминированность. Скорость взаимодействий может меняться, увеличивать или уменьшаться. Выраженное через нее время также приобретает эти свойства, убирая логический дискомфорт в формулах и придавая значимость в рассуждениях и доказательствах.

Нам не надо заботиться о сохранении всех законов природы для малых и больших времен (в парадигме самого времени), все достигает логичной гармонии в рамках взаимодействий между системами и скоростей этих взаимодействий.

Итак, в моделях мира одним из основных параметров по сути является скорость, а время его удобное, постоянно применяемое, но абстрактное обобщение.

Литература

  1. Новиков И.Д., Фролов В.П., Физика черных дыр., Москва «Наука», 1986, ( стр. 14)
  2. Торн К., Уилер Дж., Гравитация.
  3. Новаковская Ю.В., «Квантовая химия — Общие представления об описании молекулярных систем».

Искривления пространства и времени у черной дыры в точных цифрах

Все три аспекта искривления пространства – времени (искривление пространства, замедление и искажение времени, пространственный вихрь) описываются математическими формулами. Эти формулы были выведены из теории относительности Эйнштейна. Результаты их прогнозов отображены на рис. 5.5 количественно – в отличие от рис. 5.1–5.4, изображающих искривления лишь качественно.

Рис. 5.5. Численно точное изображение искривления пространства и времени вблизи быстровращающейся черной дыры. Скорость вращения составляет 99,8 процента от максимально возможной (Рисунок Дона Дэвиса по моему наброску.)

Искривленная форма поверхности на рис. 5.5 в точности такова, какой мы бы видели экваториальную плоскость дыры из балка. Изменяющиеся цвета отображают замедление времени, как если бы его замерял некто, зависнув на постоянной высоте над горизонтом. В области перехода от синего цвета к зеленому скорость течения времени составляет 20 процентов от его скорости вдалеке от дыры. В области перехода от желтого к красному время замедляется до 10 процентов от его «нормальной» скорости. А у самого подножия, в районе черной окружности, время замирает. Это горизонт событий; он выглядит как окружность, а не как сфера, поскольку мы рассматриваем лишь экваториальную плоскость и используем только два измерения нашей Вселенной (нашей браны). Если бы мы восстановили третье пространственное измерение, горизонт выглядел бы сплюснутой сферой – сфероидом. Скорости, с которой пространство закручивается вокруг черной дыры, показаны белыми стрелками: на горизонте событий пространственный вихрь вращается быстро, а по мере того, как мы будем подниматься на космическом корабле вверх, он будет замедляться.

На численно точном рис. 5.5 не показана внутренняя область дыры. Об этом мы поговорим позже, в главах 26 и 28.

Искривление, показанное на рис. 5.5, являет собой сущность черной дыры. Из его подробного математического описания физики могут получить любые сведения о дыре, за исключением природы сингулярности, находящейся в ее центре. Чтобы разобраться с сингулярностью, нужны малоизученные законы квантовой гравитации (см. главу 26).

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

1. Миры за пределами пространства и времени

1. Миры за пределами пространства и времени Я хочу знать, как Бог сотворил этот мир. Меня не интересует то или иное явление. Я хочу знать Его мысли, остальное — частности. Альберт

Черные дыры и структура пространства-времени

Черные дыры и структура пространства-времени

Черные дыры и структура пространства-времени

Черные дыры и структура пространства-времени 1. Черные дыры 2. Черные дыры и квантовая механика 3. Разрешение загадок 4. Структура пространства-времени

4. Структура пространства-времени

4. Структура пространства-времени Все эти идеи глубоко затрагивают наши представления о структуре пространства-времени. Обратите внимание, что начали мы с теории поведения частиц на сферической плоскости, ограничивающей черную дыру, то есть имели дело с 2+1

1 РЕАЛЬНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

1 РЕАЛЬНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ глава, в которой Эйнштейн разрушает абсолютное пространство и время Ньютона Профессору Вильгельму Оствальду, 13 апреля 1901 Лейпцигский университет, Лейпциг, Германия Высокочтимый господин Профессор! Пожалуйста, простите отца, который

2 ИСКРИВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

2 ИСКРИВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ глава, в которой Герман Минковский объединяет пространство и время, а Эйнштейн их искривляетАбсолютное пространство-время МинковскогоПредставление о пространстве и времени, которое я хочу раскрыть перед вами, уходит корнями в

Глава 12. Конец пространства-времени

Глава 12. Конец пространства-времени Должность Лукасовского профессора математической физики в Кембридже Стивену Хокингу предложили в 1979 году. Одна из самых престижных академических должностей в мире, которую занимали Исаак Ньютон и Пол Дирак, теперь была предложена

4. Искривления пространства и времени, приливная гравитация

4. Искривления пространства и времени, приливная

Эйнштейновский закон искривления времени

Эйнштейновский закон искривления времени Эйнштейн бился над загадками гравитации с 1907 года. Наконец в 1912 году его посетило гениальное озарение. Он понял, что массивные тела вроде Земли или черных дыр могут искривлять время и это искривление является причиной

Муравей на батуте: искривленное пространство черной дыры

Муравей на батуте: искривленное пространство черной дыры Представьте, что вы муравей, который живет на детском батуте – резиновом полотнище, натянутом между высокими шестами. Под тяжестью лежащего на нем камня батут прогибается вниз (рис. 5.1). Вы – слепой муравей

Линзирование невращающейся черной дыры

Линзирование невращающейся черной дыры Чтобы разобраться с узором из гравитационно линзированных звезд вокруг тени, а также с мнимым движением звезд при перемещении камеры, рассмотрим сначала невращающуюся черную дыру и лучи света, исходящие от единственной звезды

Линзирование быстровращающейся черной дыры – Гаргантюа

Линзирование быстровращающейся черной дыры – Гаргантюа Пространственный вихрь, образующийся из-за огромной скорости вращения Гаргантюа, влияет на гравитационное линзирование. Звездный узор на рис. 8.1 (Гаргантюа) заметно отличается от изображенного на рис. 8.4

Гравитационные пращи у двойной черной дыры

Гравитационные пращи у двойной черной дыры Третий способ – это моя собственная сумасбродная – крайне сумасбродная! – вариация одной из идей Дайсона [Dyson 1963].Представьте, что вы решили за несколько лет облететь изрядную часть Вселенной, совершив не просто

Нейтронная звезда на орбите вокруг черной дыры

Нейтронная звезда на орбите вокруг черной дыры Волны исходили от нейтронной звезды, вращающейся вокруг черной дыры. Звезда весила в 1,5 раза больше Солнца, а черная дыра – в 4,5 раза больше Солнца, при этом дыра быстро вращалась. Образованный этим вращением

Глава 4. Искривления пространства и времени, приливная гравитация

Глава 4. Искривления пространства и времени, приливная гравитация Об истории эйнштейновских концепций искривления времени и пространства и их связи с приливной гравитацией и законами теории относительности можно прочитать в первых двух главах моей книги «Черные

Глава 4. Искривления пространства и времени, приливная гравитация

Глава 4. Искривления пространства и времени, приливная гравитация Простейшее количественное представление эйнштейновского закона искривления времени: положите рядом две пары одинаковых часов, чтобы они находились в покое друг относительно друга и находились

В чёрной дыре

Мы отправляемся на экскурсию к центру чёрной дыры — посмотреть, что находится внутри. Путешествие, что и говорить, непростое, но с нами опытный гид — астроном Владимир Сурдин.

— Всем привет! Я Владимир Сурдин, классический астроном, работаю в ГАИШе МГУ — изучаю процессы звёздообразования. Я развил теорию активных ядер галактик, в которых рождается огромное количество ярких массивных звёзд. Сейчас размышляю над тем, какие космические явления виноваты в возникновении пузырей Ферми. Это два накачанных очень горячим газом гигантских пузыря, взметнувшихся над центром Галактики в разные стороны от её диска. Вот такие у меня научные интересы.

А ещё я выступаю с научными лекциями, пишу книги и вожу космические экскурсии. Добро пожаловать на экскурсию в чёрную дыру!

Что взять с собой

Любое путешествие начинается со сбора чемоданов, но что взять в этот раз? Сложно сказать наверняка, что нам может пригодиться, всё-таки пока мы слишком многого не знаем о чёрных дырах. Но есть несколько вещей, захватить которые просто необходимо.

Часы

Чем сильнее гравитация объекта, тем медленнее течёт время в его окрестностях, так уж устроено четырёхмерное пространство-время в нашей Вселенной. А у чёрной дыры, как известно, гравитация огромная, поэтому чем больше дыра, тем медленнее с нашей точки зрения там всё происходит. И ещё: чем выше скорость объекта, тем больше его масса. Так что для всех объектов, которые движутся на очень высоких скоростях, время замедляется. А мы собираемся лететь быстро! Надо будет сверять часы с земными, чтобы понимать, насколько растягивается наше время по мере приближения к чёрной дыре. За лишнюю минуту, проведённую нами у сверхмассивной чёрной дыры, на Земле могут пройти столетия!

Телескопы

Прежде чем подходить к таким опасным объектам, как чёрные дыры, вплотную, нужно понаблюдать за ними издалека. Для этого нам понадобится телескоп, а лучше несколько разных. Рекомендую взять обычный — оптический, а также рентгеновский и гамма-телескоп, чтобы наблюдать излучение космического вещества в разных частях спектра.

Сейчас главные результаты в астрономии получают именно таким способом — сопоставляя данные с телескопов разных типов, которые видят Вселенную в разном свете.

Удобная тянущаяся одежда

Гравитация — штука мощная, особенно вблизи чёрных дыр. Не исключено, что нас будет сжимать и растягивать в разные стороны, поэтому любимые джинсы, рубашка или кроссовки могут порваться. Лучше всего для космического путешествия подойдёт гидрокостюм, как у дайвера. Он заменяет сразу все виды одежды и прекрасно сохраняет тепло.

Книги о чёрных дырах

Лететь далеко, и чтобы в дороге не было скучно, рекомендую изучить объект нашего интереса. Есть несколько отличных популярных книг про чёрные дыры, например:

· Игорь Новиков. Чёрные дыры и Вселенные, Чёрные дыры во Вселенной, Энергетика чёрных дыр.

· Уильям Кауфман. Космические рубежи теории относительности.

· Стивен Габсер и Франс Преториус. Маленькая книга о чёрных дырах.

Смартфон

Мы заберёмся так далеко от Земли, что можем наткнуться на что-то совсем необычное, например внеземную цивилизацию. Вокруг чёрных дыр ведь тоже обращаются планеты, как вокруг звёзд. Как объяснить инопланетянам, кто мы такие? Как продемонстрировать, чего достигло человечество за долгие годы своего существования? Конечно же, с помощью смартфона, вершины эволюции земных технологий! Он позволит нам показать новым друзьям любые объекты земной культуры и достижения науки. Ну, смартфон-то вы и без напоминаний возьмёте.

Друзья

Самое важное в любом путешествии — хорошая компания, поэтому зовите с собой друзей. Я вот беру с собой кота — кота Шрёдингера.

Как найти чёрную дыру

1. Сурдин и Кот стоят около обсерватории на высокой горе.

Сурдин. Что ж, я готов. Можем отправляться

Кот. Но как нам её найти? Она же абсолютно чёрная!

2. Они оказались внутри обсерватории, рядом с ними телескоп.

Сурдин. Верно, поэтому нужно искать летающее вокруг неё вещество

3. Крупным планом затылки Сурдина и Кота, они смотрят на ночное небо, которое виднеется в открытой части купола.

Сурдин. Там, где недавно взорвалась массивная звезда. Чёрные дыры часто рождаются из взрывов сверхновых, а их трудно не заметить.

4. Длинный кадр с названием «Жизненный цикл массивной звезды»

5. Кот смотрит в телескоп, радостно вскинув лапы. Сурдин стоит рядом, важно скрестив руки на груди.

Кот. Вижу кольцо света, а внутри тёмное пятно!

Сурдин. Это аккреционный диск с чёрной дырой внутри — отправляемся туда!

6. Кот. Чёрная дыра всё ближе!

Пожиратели звёзд и одинокие бродяги

Сурдин. Итак, перед нами чёрная дыра звёздной массы. Это значит, что она в десятки раз тяжелее Солнца. При этом её радиус очень мал — всего несколько километров. Типичная разновидность чёрных дыр, которые открывают наши спутники, — это источники рентгеновского излучения в двойных звёздных системах.

Кот. Почему в двойных?

Сурдин. Потому что нужен источник вещества, которое будет падать на чёрную дыру. Таким источником может служить обычная звезда, которая обращается в паре с чёрной дырой. С поверхности обычной звезды газ притягивается к чёрной дыре, падает на неё, формирует аккреционный диск и очень характерно себя при этом проявляет — быстрыми колебаниями яркости и высокой температурой.

Тут нужна большая страшная иллюстрация, как черная дыра сжирает звезду

Кот. Рядом с чёрными дырами всегда есть звёзды, от которых те подкармливаются веществом?

Сурдин. Нет, просто если рядом есть звёзды, чёрная дыра себя ярко проявляет. А если чёрная дыра гуляет сама по себе, открыть её очень трудно. Способ есть, но он практически нереализуем. Такая дыра обнаруживает себя как источник гравитации и никаким иным образом. Оказываясь рядом с ней, световые лучи меняют направление, преломляются — это называется гравитационной линзой. Одиночная чёрная дыра может проявлять себя как гравитационная линза. Есть несколько проектов по поиску таких микролинз. Но ни одной одиночной чёрной дыры небольшой звёздной массы мы пока не обнаружили. Зато вероятных чёрных дыр в парных системах найдены уже многие сотни.

Огромной гравитационной линзой может быть и целая галактика. На фото — Космическая Подкова, система из двух гравитационно-линзированных галактик в созвездии Льва. Подкова — это далёкая галактика, прямо перед которой на луче зрения расположена галактика LRG 3-757 (огромная, в сто раз массивнее нашего Млечного Пути). Свет дальней галактики, проходя через гравитационное поле ближней, немного меняет направление, и изображение фоновой галактики становится подковообразным.

Тайна девятой планеты

Кот. Я слышал про планетолога Константина Батыгина, который вроде бы доказал, что где-то далеко за Плутоном у Солнца есть ещё одна огромная планета. Но он никак не может отыскать эту загадочную «планету Х». Может, там не планета, а маленькая чёрная дыра?

Сурдин. Я бы сказал, отыскать планету не могут Майкл Браун и Константин Батыгин. Потому что Батыгин — это чистый математик, а Браун — известный астроном-наблюдатель и источник идей. Вместе они математически прогнозируют существование 9-й массивной планеты в Солнечной системе — примерно в тысячу раз дальше от Солнца, чем Земля. Её всё никак не найдут, и возникает здравая идея, что это чёрная дыра: мы её не видим, но она обладает солидной массой и где-то там путешествует.

В одной из научных статей подсчитали, что чёрная дыра такой массы должна быть размером с теннисный мяч. Но как увидеть абсолютно чёрный теннисный мяч на расстоянии сто миллиардов километров от Земли?

При этом Солнце постоянно выбрасывает из себя потоки плазмы — солнечный ветер. Они долго летят и, удаляясь от Солнца, встречаются с межзвёздной плазмой. Образуется межпланетное газовое вещество, которое окружает Солнечную систему. Если бы там путешествовала чёрная дыра, она питалась бы этой смесью. Тогда мы бы увидели её как источник, например, рентгеновского или гамма-излучения. Но мы этого не видим. Поэтому маловероятно, что рядом с нами есть чёрная дыра.

Вы, конечно, знаете, что, помимо твёрдого, жидкого и газообразного, у вещества есть четвёртое агрегатное состояние — плазма, ионизированный газ. Мы просто хотели напомнить, что в этом состоянии находится 99,9% вещества во Вселенной.

Кот. Что ж, раз надежды найти чёрную дыру в Солнечной системе нет, значит, нужно лететь дальше. Намного дальше!

Время и пространство поменялись местами

Сурдин. Приближаясь к чёрной дыре, стоит помнить, что это исключительно плотный и массивный объект. Она обладает такой сильной гравитацией, что засасывает всё, что пролетает рядом, и не выпускает ничего обратно. Даже свет не может улететь с поверхности чёрной дыры — поэтому она и чёрная.

Кот. Как же нам не попасть в плен её гравитации?

Сурдин. Самый простой вариант — наблюдать издалека и не приближаться. Но тогда практически ничего не будет видно. Поэтому мы попробуем аккуратно выйти на орбиту вокруг чёрной дыры. Если держаться на расстоянии двух радиусов чёрной дыры от её центра, можно летать, как спутник вокруг Земли, и наблюдать окрестности. Но если мы подойдём к чёрной дыре ближе, чем на полтора радиуса, то неизбежно начнём по спирали приближаться, пока не упадем в неё.

Согласно современным представлениям, на орбите вокруг чёрной дыры могут обращаться планеты — сотни и даже тысячи планет.

Радиус чёрной дыры называют радиусом Шварцшильда, а её поверхность —горизонтом событий. Это сферическая граница, на которой достигается баланс между притяжением гравитационного поля чёрной дыры и силой света, пытающегося покинуть её. Горизонт событий проницаем лишь в одну сторону: сквозь него можно пролететь внутрь, но нельзя вылететь наружу.

Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам на нём должны возникать потоки горячих частиц, испускаемых во Вселенную, — излучение Хокинга. Поэтому, хоть материя и не может вырваться за пределы горизонта событий, чёрные дыры тем не менее «испаряются».

Конечно, любая чёрная дыра растёт, потому что пустоты в космосе нет. Космическое пространство заполнено более или менее разреженным веществом, поэтому все современные чёрные дыры поглощают окружающее вещество. Одни — активно, если рядом есть звезда, с которой удобно стягивать газ, другие просто летают в космосе и потихоньку кормятся разреженным межзвёздным газом. А раз кормятся, значит, растут. Но ближе к концу жизни Вселенной, когда окружающее вещество будет съедено, дыры начнут терять свою массу и постепенно исчезнут.

Карл Шварцшильд — немецкий астроном, механик и оптик, математически рассчитавший параметры чёрной дыры. В начале Первой мировой войны он попал на фронт, в окопах потерял здоровье и через несколько недель умер в госпитале. Но перед самой смертью успел послать Эйнштейну практически законченную статью о чёрных дырах.

Кот. Но что там внутри, за горизонтом событий?

Сурдин. За горизонтом событий пространство и время меняются своими свойствами. На Земле время безостановочно течёт, а в пространстве мы можем оставаться на своих местах: сели на стул и никуда не перемещаемся. Но при этом время остановить мы не можем, оно всё равно бежит вперёд. Пересекая горизонт событий, мы попадаем в совершенно иную ситуацию. Там уже, как ни пытайся, остановиться в пространстве не получится, какие бы реактивные двигатели нас ни тормозили. Теория относительности говорит, что, попав внутрь горизонта событий, мы будем падать к центру чёрной дыры независимо от своих усилий. Пространство приобретает свойства времени, и все движения происходят только в одну сторону — к геометрическому центру, к сингулярности.

На орбите вокруг чёрной дыры

В течение нескольких кадров Сурдин и Кот летают по орбите вокруг чёрной дыры. Мимо них пролетают осколки астероидов, планеты, инопланетный космический мусор, чайник и т.д.

1. Кот. В центре чёрной дыры — сингулярность? Но что это?

Сурдин. Это такая точка, дальше которой не могут думать даже учёные. Никто не знает, что ждёт того, кто на самом деле рискнул бы отправиться к сингулярности

Сурдин. Нам нужна теория, которая объяснит, что там находится

3. Кот. А если погуглить?

Сурдин. Нет такой теории! Нужно совместить две несовместимые концепции: теорию относительности и квантовую механику. Даже Хокинг этого не смог

4. У Кота загорается хвост. Сурдин пытается поймать пролетающий мимо огнетушитель.

Кот. Мя-я-я-я-у-у-у! Горю-ю-ю!

Сурдин. Падающее вещество сильно нагревается. Мы превратимся в пепел раньше, чем подлетим к дыре

5. Сурдину удаётся потушить огонь. Цепляясь за астероиды, Кот пытается выбраться с орбиты обратно в космическое пространство.

Кот. Надо уносить ноги!

Сурдин. А лучше выбраться целиком

6. Кот и Сурдин снова оказались в космическом пространстве, чёрная дыра виднеется вдалеке.

Кот. Есть менее опасный способ попасть в чёрную дыру?

Сурдин. Да, нужно упасть по прямой в самый её центр.

Монстр в центре лабиринта

Сурдин. Колоссальная гравитация этой маленькой чёрной дыры приводит к тому, что пространственная материя искажается внезапно, и вещество резко затягивается в чёрную дыру. Если мы начнём погружаться в неё, нас разорвёт. Нужно искать огромную чёрную дыру, чтобы этот же эффект распространялся на бóльшую площадь пространства, и материя искажалась не так сильно.

Кот. Есть чёрные дыры побольше?

Сурдин. Кроме маленьких чёрных дыр звёздной массы есть сверхмассивные чёрные дыры, которые весят как миллионы или миллиарды Солнц. Есть и третий вид, обнаруженный лет десять назад, — чёрные дыры промежуточных масс: не единицы и десятки масс Солнца, не миллионы и миллиарды масс Солнца, а что-то вроде 10 000 солнечных масс. Находят их в центре шаровых звёздных скоплений — это сравнительно небольшие объекты, насчитывающие сотни тысяч звёзд.

Но для погружения лучше всего подойдёт сверхмассивная чёрная дыра. Она может активно пожирать близкие звёзды, излучая массу энергии, а может тихо сидеть в центре галактики, искривляя траектории пролетающих мимо звёзд. Такая «тихая» сверхмассивная чёрная дыра массой в 4,5 миллиона солнечных есть и в центре Галактики. Но смотрим мы на неё сквозь диск Галактики — обзор загораживают огромные облака газа и пыли, поэтому разглядеть нашу родную дыру мы не можем. Зато можем изучать движения звёзд вокруг неё. За эту работу, которая велась 25 лет, американский и немецкий астрофизики недавно получили Нобелевскую премию.

Лауреатами Нобелевской премии по физике 2020 года стали Роджер Пенроуз «за открытие того, что образование чёрных дыр является строгим следствием общей теории относительности», а также Райнхард Генцель и Андреа Гэз — «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики».

А значит, искать самых крупных космических монстров незачем — всего-то и надо, что подлететь к центру Галактики. Вперёд!

Кот. Я вижу гигантскую чёрную дыру. Что за необычная форма диска — он и окружает её, и делит пополам, как кольцо Сатурна!

Сурдин. Когда мы смотрим на кольцо Сатурна, мы видим ту его часть, которая находится ближе, чем сама планета. А дальнюю часть кольца мы не видим, потому что планета её от нас закрывает. Но у чёрной дыры мы видим и дальнюю часть аккреционного диска, которая, казалось бы, должна быть закрыта всепоглощающим горизонтом событий. Дело в том, что идущие из-за чёрной дыры лучи света под действием колоссального притяжения огибают её и попадают в наши телескопы. Таким образом, мы видим дальнюю часть кольца сразу с двух ракурсов, потому что приходящие лучи могут обогнуть чёрную дыру как сверху, так и снизу.

Интересно, что американский астрофизик Кип Торн придумал, как выглядит чёрная дыра, за несколько лет до того, как астрономам удалось получить её первое изображение. Для фильма «Интерстеллар» он рассчитал параметры сверхмассивной чёрной дыры в рамках общей теории относительности, а режиссёр красиво воплотил его расчёты на экране.

Кот. Не для кота такая красота. Хвостом чую опасность, а точнее, гравитацию. Раз эти монстры всё притягивают, значит, и Землю могут засосать?

Сурдин. Если во время своего путешествия чёрная дыра случайно заглянет к нам в Солнечную систему, то, приближаясь, она сначала разбросает в стороны все планеты своей гравитацией. Всё-таки чёрная дыра намного массивнее Солнца, так что встреча с ней — это прежде всего потеря стабильности в движении объектов Солнечной системы. Если чёрная дыра врежется в планету, планета разрушится приливным влиянием дыры, а всё планетное вещество будет проглочено.

Кот. Ох… А много их, этих чёрных дыр?

Сурдин. Чёрных дыр во Вселенной не так уж много, по нашим подсчётам — около миллиарда, и разбросаны они далеко от нас. Солнечная система живёт пять миллиардов лет, и пока ни с одной чёрной дырой близко не встречалась, так что впереди нас, вероятнее всего, ждёт ещё несколько спокойных миллиардов лет.

Для сравнения: звёзд в видимой Вселенной примерно миллион миллиардов миллиардов.

Кот. Это лучшее, что я узнал о чёрных дырах!

Сурдин. Но есть гипотеза, что в космосе летают микроскопические чёрные дыры размером с нанометр и массой как у Эвереста. Такая дыра, в принципе, могла бы незаметно летать в космосе и время от времени пролетать сквозь Солнечную систему, не привнося никаких гравитационных возмущений. Врезавшись в Землю, она тоже больших неприятностей не доставит. Это как если бы земной шар проткнули горячей спицей. На поверхности появится что-то вроде небольшого вулкана — этакое горячее пятнышко. Потом чёрная дыра уйдёт вглубь Земли, где мы её вообще замечать не будем. Ну и с той стороны, где она выйдет, тоже образуется вулканчик. Упадёт она, вероятнее всего, в океан, который занимает две три земной поверхности. Поэтому мы даже не поймём, что на нас что-то свалилось, — просто метеор на небе промелькнёт. Мало их, что ли, мелькает?

Кот. А не выяснится однажды, что мы живём внутри чёрной дыры?

Сурдин. Это практически невозможно. Мы наблюдаем, как связаны друг с другом пространство и время. Мы можем находиться в одной точке пространства, но не можем находиться в одной точке временной шкалы. Мы непрерывно движемся из прошлого будущее, значит, мы не в чёрной дыре.

Паста по-чернодырски

Сурдин. Итак, мы подлетаем к сверхмассивной чёрной дыре, чтобы прыгнуть в самый её центр. Возможно, нас не порвёт на куски, но точно растянет. Стивен Хокинг назвал это эффектом спагеттификации.

Приближаясь к очень массивному компактному объекту, вы ощутите на себе действие приливного эффекта. Ваша голова будет чуть ближе к сингулярности, ноги чуть дальше. На них будут действовать настолько разные силы, что голова полетит вперёд намного быстрее, чем ноги. Приливный эффект растянет вас в макаронину.

Кот. А когда мы вернёмся из чёрной дыры, то на всю жизнь макаронами останемся?

Сурдин. Боюсь, обратно мы не вернёмся. Чёрная дыра — это путь в один конец. Но нам может повезти, и тогда мы окажемся в совершенно другой точке Вселенной. Для этого чёрная дыра должна оказаться червоточиной.

С ветерком по Галактике

Сурдин. Червоточина, или кротовая нора (по-английски и то и другое называется wormhole), — это ещё одно решение уравнений Эйнштейна, первым из которых как раз являются чёрные дыры. Второе решение выглядит так: две точки пространства могут быть объединены очень сильно деформированной областью пространства-времени. Каждая из этих точек будет выглядеть снаружи как чёрная дыра, то есть место, куда можно нырнуть и не вынырнуть. Но на самом деле там нет сингулярности и две дыры связаны между собой туннелем. Нырнув в один туннель, в принципе, можно вынырнуть через другой. Причём такое путешествие займёт гораздо меньше времени, чем движение от одной точки к другой по обычному пространству.

Но это решение очень неустойчиво. Точно так же мы можем найти математическое решение, при котором карандаш будет стоять на поверхности на своём острие. Математик легко скажет, как его надо поставить, но в жизни мы этого никогда не сделаем, и карандаш обязательно упадёт в какую-то сторону под действием самых малых возмущений. Так же и нырнувший в кротовую нору человек создаст малое колебание геометрии пространства-времени — туннель схлопнется и перестанет существовать.

Недавно астрономы обнаружили антигравитационное явление под названием тёмная энергия. Вселенная расширяется — что-то расталкивает галактики, заставляя их разлетаться. Это что-то — тёмная энергия, по сути, антигравитация. Если бы можно было прихватить с собой в червоточину немного антигравитационной тёмной энергии, то, похоже, туннель для путешествия между различными точками Вселенной удалось бы стабилизировать.

1. Сурдин и Кот на астероиде на удалении от сверхмассивной чёрной дыры, но ее видно. Сурдин устанавливает на поверхность астероида телескоп.

Кот. Ладно, так и быть, вечно всё приходится делать самому. Дальше я полечу один!

Сурдин. Уверен, что готов туда лететь? Назад дороги нет

2. Кот задумчиво смотрит вверх, в сторону черной дыры

Кот. Да. Надо же проверить, что будет, если отправить кота Шрёдингера в чёрную дыру. Я смогу держать с вами связь оттуда?

Сурдин. Нет, чёрная дыра не выпускает информацию

3. Сверяют время на наручных часах.

Кот. Значит, выйду на связь, когда вынырну с другой стороны

Сурдин. Надеюсь, надо сверить часы. Время совпадает

4. Кот прыгает с астероида и удаляется в сторону чёрной дыры. Сурдин и кот машут друг другу рукой. Сурдин смотрит в телескоп.

Кот. Смотрите внимательно, как надо падать в чёрную дыру, — показываю один раз

5. В течение следующих кадров мы наблюдаем падение Кота в телескоп глазами Сурдина. Закадровым текстом астроном комментирует происходящее.

Сурдин. Он падает всё быстрее и быстрее, его растягивает в макаронину

6-7. Кот замедляется. Крупный план на его часы. Они показывают другое время.

Сурдин. Он попал в такое мощное гравитационное поле, что время стало течь медленнее. Стрелки идут реже, чем мои

8. Кот начинает краснеть.

Сурдин. Краснеет, свету трудно выбраться из мощного гравитационного поля чёрной дыры. Кванты света, теряя энергию на то, чтобы попасть ко мне, становятся всё более красными, потом инфракрасными, потом радиоквантами

9. Кот исчез, видно только его часы, которые полностью остановились.

Сурдин. Часы остановились, он покраснел до полной черноты и пропал из виду. Значит, он пересёк горизонт событий и подобрался к сингулярности. Надеюсь, он выберется из чёрной дыры и расскажет, что там внутри

10. Растянутый кот летит внутри чёрной дыры к туннелю кротовой норы.

11. И вылетает с другой стороны рядом с далёкой звёздной системой.

Кот. Получилось. Теперь надо найти обитаемую планету и связаться с Владимиром Георгиевичем. Надеюсь, инопланетяне уже изобрели радио

Подвёрстка (в любое место, можно ближе к началу)

Кто придумал чёрные дыры

Впервые гипотезу о существовании чёрных дыр выдвинул английский естествоиспытатель Джон Мичелл в XVIII веке. Термина такого ещё, конечно, не было — Мичелл писал о невидимых звёздах. Изучив механику Ньютона, он пришёл к мысли, что если нам известна скорость света, то мы легко можем рассчитать размер и массу космического тела, с поверхности которого свет не сумеет улететь. Ведь к тому моменту скорость света была измерена — её знал уже Ньютон, астрономы измеряли скорость света с погрешностью не более 25%.

Термин «чёрная дыра» появился в середине 1960-х. Так назвал компактные и массивные небесные объекты американский физик Роберт Дикке, сравнив их с печально известной тюрьмой «Чёрная дыра» в Калькутте, откуда люди никогда не возвращались. Затем «чёрные дыры» пару раз мелькнули в заметках журналистов. А когда во время лекции в Калифорнийском технологическом институте Джон Арчибальд Уилер, один из создателей атомной и водородной бомбы, рассказывал об этом решении уравнений Эйнштейна, кто-то из студентов проронил слова black hole. Уилер выражение подхватил и через некоторое время использовал уже как научный термин.

Почему в черной дыре должны остановиться часы?

11.01.2019

Тело, свободно падающее под действием сил гравитации, находится в состоянии невесомости и испытывает действие только приливных сил, которые при падении в чёрную дыру растягивают объект в одном направлении, а в другом — сжимают (так называемая спагеттизация падающего). Величина этих сил растёт по мере приближения к центру дыры. Поэтому любые объекты, в том числе и часы, будут разорваны.

Время в черной дыре действительно должно замедляться. Гравитационное замедление времени — это экспериментально наблюдаемое изменение темпа хода времени в гравитационном потенциале. Сложность в том, что время, измеряемое часами, не является, строго говоря, временем внешнего наблюдателя, так как наши часы тоже испытывают гравитационные силы Земли, Солнца и других объектов, а значит, и время тоже отчасти искажено. Однако именно такие тяжелые объекты как черные дыры, позволяют сравнительно легко наблюдать это искажение, поскольку их гравитация намного выше всей нашей звездной системы. Грубо говоря, чем более тяжелый и компактный объект, тем сильнее искажается пространство и замедляется ход времени. В предельном случае черной дыры время должно остановиться в принципе, а вместе с ним и часы.

Что на самом деле происходит внутри черной дыры со временем и пространством, не известно: после прохождения горизонта событий теряется любая информация об объекте, и теория квантовой гравитации так же еще не разработана.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *