Александр Петров - Гравитация От хрустальных сфер до кротовых нор
Обсудим более детально вопрос о существовании чёрных дыр. Проблема во многом связана с тем, насколько верна теория гравитации, из которой существование таких объектов следует. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждённой наблюдениями, является ОТО. Но, строго говоря, эта теория не проверена для условий в непосредственной близости от чёрной дыры. С другой стороны, попытки описать сверхплотные и свехкомпактные объекты в центрах галактик не так, как это предлагает ОТО, приводят к экзотическим моделям, которые вызывают больше вопросов, чем дают ответов.
Чёрные дыры промежуточных масс определяются массами от сотен до тысяч солнечных масс, а их гравитационные радиусы могут быть от сотен до тысяч километров. Нижней границей считается масса порядка 200 М☉, как предел для отдельной звезды, Они предлагаются как возможные источники энергии сверхъярких источников рентгеновского излучения. В качестве механизма формирования таких чёрных дыр рассматриваются, прежде всего, ассоциации молодых звёзд и, возможно, ядра шаровых скоплений В 2002 году космический телескоп «Хаббл» производил наблюдения, показавшие вероятность существования в шаровых скоплениях М15 (в созвездии Пегаса) и Mayаll II (в галактике Андромеды) именно среднемассивных чёрных дыр. Такая интерпретация точно так же основывается на размерах и периодах орбит звёзд в данных шаровых скоплениях. Однако в этом случае нет той уверенности, как в существовании сверхмассивных чёрных дыр. Оказывается, что вместо чёрных дыр в центрах шаровых скоплений вполне могут быть и группы нейтронных звёзд, давая тот же результат наблюдений. В нашей Галактике среднемассивная чёрная дыра с массой порядка 1300 солнечных масс, возможно, находится внутри группы из семи массивных звёзд на расстоянии 3 световых лет от Стрельца А*.
Наконец, кратко обсудим чёрные микродыры, их массы много меньше звёздных, а минимальная величина ограничивается только квантовыми принципами. Их часто и называют квантовыми чёрными дырами, поскольку они (возможно) должны подчиняться законам квантовой механики. Такие дыры, мы уже понимаем, не могут образоваться обычным образом в результате коллапса. Но тогда как? Одним из наиболее вероятных механизмов является генерация чёрных дыр на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда плотность материи и её флуктуации были чрезвычайно велики. Такие чёрные дыры называют первичными. Некоторые варианты теории квантовой гравитации не исключают рождение микродыр при высокоэнергичных взаимодействиях в современную эпоху. Предполагается, что это могут быть взаимодействия космических лучей с атмосферой, либо взаимодействия частиц в ускорителях типа Большого адронного коллайдера. Но все эти предсказания пока остаются гипотетическими Упомянув о чёрных микродырах, нельзя не сказать несколько слов об излучении, теоретически предсказанном Стивеном Хокингом, известным английским теоретиком. Это излучение, правда, имеет больше отношения к квантовой теории поля и термодинамике, чем к чисто гравитационным явлениям, но прямо связано с чёрными дырами. Что же это такое? Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Гравитационное поле рядом с горизонтом увеличивает энергию виртуальных (короткоживущих) пар в вакууме, превращая их в реальные (долгоживущие), Один из компонентов пары становится реальной частицей снаружи (и вблизи) горизонта событий и, имея положительную энергию, может уйти в бесконечность; другой появляется внутри (и вблизи) горизонта и падает с отрицательной энергией внутрь чёрной дыры (см. рис. 8.5). В итоге чёрная дыра становится источником непрерывного потока частиц, уходящего в бесконечность. При формировании такого излучения никакая частица не пересекает горизонта событий, который тем самым по- прежнему обладает свойствами клапана.
Этот эффект и называется излучением Хокинга или испарением чёрных дыр. Оказывается, что скорость испарения обратно пропорциональна массе чёрной дыры. То есть, чем дыра меньше, тем быстрее испаряется, а на конечной стадии, буквально, происходит вспышка. Большинство исследователей сходятся в том, что в современную эпоху уже нет первичных чёрных дыр — все они успели испариться. Большим же чёрным дырам такая участь не грозит, поскольку они испаряются медленно, а из окружающего пространства, так или иначе, получают дополнительную энергию. Одним из постоянных источников пополнения массы является реликтовое электромагнитное излучение. Оно является результатом ранних стадий эволюции Вселенной, имеет микроволновой диапазон и температуру 2,73 К, Исходя из этих данных, определяется граничная масса чёрной дыры, когда испарение Хокинга компенсируется притоком массы извне — она приблизительно равна массе Меркурия.
Сказавши «А», нельзя не сказать «Б». Одно цепляется за другое. Если уж мы упомянули об испарении Хокинга, нужно ненадолго вернуться к проблеме исчезновения информации в чёрных дырах. Обратимся к мнению по этому вопросу самого Хогинга. Он долгое время считал
Рис. 8.5. Рождение пар частиц у горизонта событий чёрной дыры
теорему об «отсутствии волос» у чёрных дыр неким абсолютом, как и большинство его коллег. При этом придерживался той позиции, что излучение чёрных дыр чисто тепловое и потому не содержит информации о падающей в чёрную дыру материи. Однако в 2004 году Хокинг изменил своё мнение. Поскольку испарение чёрных дыр уменьшает массу, то уменьшается площадь горизонта. А с площадью горизонта прямо связана энтропия. То есть излучение должно уносить энтропию, а с ней уже можно связать и информацию. В таком случае должна быть точная связь между начальной энтропией чёрной дыры и энтропией излучения, а значит, информация не может быть потеряна полностью.
Кротовые норы
Крот недавно прорыл под землёй новую длинную галерею от своего жилья к дверям полевой мыши и позволил мыши и девочке гулять по этой галерее сколько угодно.
Ганс Христиан Андерсен «Дюймовочка»Идея кротовых нор принадлежит Альберту Эйнштейну и Натану Розену (1909–1995). В 1935 году они показали, что ОТО допускает, так называемые, «мосты» — проходы в пространстве, через которые можно, казалось бы, значительно быстрее, чем обычным путём попасть из одной части пространства в другую, или из одной вселенной в другую. Но «мост» Эйнштейна–Розена — динамичный объект, после проникновения в него наблюдателя выходы сжимаются.
А нельзя ли предотвратить сжатие? Оказывается, можно. Для этого необходимо пространство «моста» заполнить особым веществом, препятствующим сжатию. Такие «мосты» называют кротовыми норами, в англоязычном варианте — wormholes (червоточины).
Особое вещество кротовой норы и обычное отличаются тем, что по разному «продавливают» пространство–время, В случае обычной материи его кривизна (положительная), напоминает часть поверхности сферы, а в случае особой материи кривизна (отрицательная) соответствует форме поверхности седла. На рис. 8.6 схематически представлены 2–мерные пространства отрицательной, нулевой (плоские) и положительной кривизны. Поэтому для деформации пространства–времени, которая не позволит кротовой норе сжаться, необходима экзотическая материя, которая создаёт отталкивание. Классические (не квантовые) законы физики исключают такие состояния материи, а вот квантовые законы, более гибкие, допускают. Экзотическая материя препятствует формированию горизонта событий. А отсутствие горизонта означает, что можно не только попасть в кротовую нору, но и вернуться. Отсутствие горизонта событий также приводит к тому, что путешественник, любитель кротовых нор, всегда доступен телескопам внешних наблюдателей, с ним можно поддерживать радиосвязь.
Рис. 8.6. Двумерные поверхности разной кривизны
Если мы представляем, как образуются чёрные дыры, то как создаются «кротовые норы» в современную эпоху и создаются ли вообще, совершенно неясно. А с другой стороны, сейчас есть почти общепринятое мнение, что на ранней стадии развития Вселенной кротовых нор было очень много. Предполагается, что перед началом Большого взрыва (о котором мы будем говорить в следующей главе), перед расширением Вселенная представляла собой пространственно–временную пену с очень большими флуктуациями кривизны, перемешанную со скалярным полем. Ячейки пены между собой соединялись. А после Большого взрыва эти ячейки могли остаться соединёнными, что и может быть кротовыми норами в нашу эпоху. Этого типа модели обсуждались в публикациях Уилера в середине 1950–х годов.
