§25. ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Одной из основных характеристик небесных тел является вторая космическая скорость - это минимальная скорость, которую необходимо сообщить космическому кораблю для того, чтобы он оторвался от планеты в свободное пространство. Вывести формулу для вычисления второй космической скорости просто: кинетическая энергия тела должна быть не меньше, чем энергия гравитационного притяжения:

mv²/2 = GMm/r

v²/2 = GM/r

Соответственно, вторая космическая скорость определяется так:

v² = 2GM/r

Для всех известных небесных тел вторая космическая скорость намного меньше, чем скорость света: например, для Земли - 12 км/с, для Солнца - 435 км/с. Однако в процессе эволюции звезд они могут достигать состояния, при котором их вторая космическая скорость будет приближаться к световой или даже превышать ее.

Большинство звезд на протяжении большего времени своей жизни сохраняют стабильные размеры за счет того, что огромная сила гравитационного сжатия уравновешивается силой теплового и светового давления, порождаемого термоядерными реакциями в недрах звезд. Но когда запасы ядерного горючего в звездах оказываются исчерпаны, то гравитацию ничто не уравновешивает, и звезда начинает сжиматься.

Если масса звезды не превышает полутора масс Солнца, то сжатие вещества внутри звезды завершается на стадии, когда ядро звезд превращается в белый карлик (при массе, близкой к массе Солнца, их размер примерно равен размеру Земли - плотность вещества в белых карликах может доходить до тонны в кубическом сантиметре), а внешняя оболочка расширяется (что извне выглядит как звезда - красный гигант) и постепенно "растворяется" в пространстве. Так же будет и с Солнцем.

Если масса звезды находится в диапазоне от 1,5 до 2,5 масс Солнца, то сжатие вещества в звезде доходит до такого состояния, что электроны в атомах "вдавливаются" внутрь протонов, в звезде остаются одни нейтроны, притягивающиеся друг к другу ядерными силами. Звезда начинает представлять собой как бы гигантское атомное ядро. Это называется нейтронная звезда. Ее размеры составляют лишь несколько километров, а плотность вещества такая же, как в атомном ядре - 10¹² - 10¹⁴ граммов на кубический сантиметр.

Однако и у белых карликов, и у нейтронных звезд вторая космическая скорость меньше скорости света.

А вот для звезд с массой свыше 2,5 масс Солнца сжатие не может быть остановлено ни одной из известных на настоящий момент сил, и они могут сжаться до настолько малого размера, что для них вторая космическая скорость становится выше скорости света. Это означает, что свет не может выйти из этой звезды. Такая звезда поглощает свет, но не выпускает его обратно. Для внешнего наблюдателя такой объект выглядит как "черная дыра" в пространстве. Термин «черная дыра» применительно к таким объектам ввел Дж.Уилер в 1968 году. Впервые такие объекты были предсказаны еще в 1801 году известным астрономом Лапласом, но интерес к ним проявился лишь через полтора века, после открытий общей теории относительности и космологии.

С черными дырами связано такое понятие, как гравитационный радиус. Вспомним формулу для второй космической скорости: v² = 2GM/r. Если вторая космическая скорость равна скорости света (v = c) то "критическим" является расстояние, равное r_g=2GM/c². Ни для одного из небесных тел мы не можем сказать, что происходит внутри его гравитационного радиуса, потому что свет не может выйти за его пределы. Например, гравитационный радиус для Земли равен 9 миллиметров, а для Солнца - 3 километра. Это ничтожно малые величины по сравнению с размерами этих тел.

А вот для черных дыр гравитационный радиус больше, чем реальный радиус этих тел. Поэтому любое тело или вещество, попав внутрь гравитационного радиуса, как бы "исчезает" для внешнего наблюдателя.

Поскольку теория относительности утверждает, что скорость света является максимально возможной, то отсюда делается вывод, что материя, попав на черную дыру (или, что то же самое - попав внутрь гравитационного радиуса) полностью исчезает, поскольку не может ни вернуться назад, ни дать сигнал о своем существовании. Поэтому из предположения о том, что скорость света является максимально возможной, следует утверждение, что будто бы материя может бесследно исчезать, что противоречит общепринятым принципам материализма.

Теория относительности выдвигает разные искусственные разрешения этого противоречия. Высказывались предположения, что при приближении к гравитационному радиусу происходит замедление времени, и для внешнего наблюдателя приближение к гравитационному радиусу занимает бесконечное время (поэтому для внешнего наблюдателя материя как бы и не исчезает). Высказывались и весьма сомнительные предположения, что черные дыры являются особыми точками в пространстве-времени и даже чуть ли не переходами в другие Вселенные. Высказывались гипотезы, что черные дыры все-таки могут быть связаны с внешней средой - через гравитационное взаимодействие (но это требовало признать, что гравитационное взаимодействие распространяется быстрее света, что противоречит теории относительности). Наконец, сам Эйнштейн честно признавал, что, по его мнению, таких небесных тел, как «черные дыры» не существует[1]

, потому что, если признать их существование, то что-то одно - либо теория относительности, либо материализм - не верно. Признать неверной теорию относительности Эйнштейн, понятное дело, не хотел, но и открыто посягать на материализм тоже не рисковал.

Однако в конце ХХ века черные дыры были обнаружены экспериментально. Если предположить, что черные дыры способны к гравитационному взаимодействию, то в двойных системах, состоящих из обычной звезды и черной дыры, возможно перетекание газа от одной компоненты к другой. В поле тяжести черной дыры газ будет двигаться по спиральным траекториям и сильно нагреваться (до температур порядка 10 миллионов градусов). При этом должно возникать мощное рентгеновское излучение, интенсивность которого быстро меняется во времени. В 1980-е годы были обнаружены реальные космические объекты, способные претендовать на звание черных дыр - это объект SS 433 в созвездии Орла и невидимый спутник звезды HDE 226868 в созвездии Лебедя. Этот спутник имеет массу около 10 масс Солнца и период вращения 5,6 суток. В 1990-е годы было установлено, что черные дыры имеются во всех ядрах галактик, свидетельством чему является постоянный фон равномерного космического рентгеновского излучения, по своим свойствам похожего на реликтовое радиоизлучение.

Наблюдения черных дыр позволили установить следующее:

1) черные дыры (то есть объекты, масса и радиус которых позволяют утверждать, что их вторая космическая скорость больше световой) реально существуют

2) черные дыры можно зафиксировать по их гравитационному взаимодействию - то есть гравитационное поле способно проникнуть сквозь гравитационный радиус

3) утверждение теории относительности о замедлении хода течения времени по мере приближения к гравитационному радиусу не соответствует действительности - иначе процесс падения вещества на черную дыру для внешнего наблюдателя выглядело бы как облако газа вокруг черной дыры, плотность которого становится бесконечной по мере приближения к гравитационному радиусу, чего явно не наблюдается.

Таким образом факт обнаружения и наблюдения черных дыр свидетельствует о том, что скорость распространения гравитационного взаимодействия превышает скорость распространения электромагнитного взаимодействия (скорость света). Другими словами, экспериментальное обнаружение черных дыр является аргументом, свидетельствующим против теории относительности. Оценки, приведенные в §36, показывают, что скорость распространения гравитационного взаимодействия должна быть не ниже 10^{5 скоростей света}

^{Дополнения.}

^{1.        Интересно, что кроме «черных дыр», возможны и другие тела, которые взаимодействуют с окружающим пространством только через гравитационное взаимодействие. Такие частицы называются WIMP (подробнее о них – в §36). Все странности в поведении таких частиц удастся объяснить, если принять, что они движутся со сверхсветовой скоростью. Таким образом, после того как этот класс частиц будет обнаружен, то это будет еще одним свидетельством в пользу того, что, во-первых, гравитационное поле распространяется значительно быстрее света и, во-вторых, существуют материальные тела, также способные двигаться со сверхсветовой скоростью.}

^{2.        В 2005 году в интернете был опубликован материал, свидетельствующий о том, что факт существования черных дыр противоречит теории относительности. Говорится там, в частности, следующее:}

^{«До сих пор считалось, что черные дыры являются одним из наиболее убедительных подтверждений правоты общей теории относительности Эйнштейна, согласно положениям которой гравитация — не что иное как свойство пространства-времени, деформируемого массивными телами. Правда, сам Эйнштейн, указывает Джордж Чаплин, в существование черных дыр не верил. «К сожалению, он не пояснил, почему именно» — говорит г-н Чаплин. Корень проблемы, по всей видимости — в квантовой механике, другой революционной теории ХХ века, в формировании которой Эйнштейн также принял самое непосредственное участие.}

^{С точки зрения общей теории относительности, «универсального времени» во Вселенной не существует. Более того, скорость хода часов, вообще говоря, непостоянна и зависит от того, где они находятся. В то же время квантовая механика, как указывает Джордж Чаплин, имеет смысл только в том случае, если универсальное время все-таки существует — в противном случае ее аппарат просто неприменим.}

^{В особенности вопиющее расхождение двух теорий проявляется при попытке описания физики событий, происходящих у так называемого «горизонта событий» гипотетической черной дыры. Удаленному наблюдателю будет казаться, что время здесь практически остановилось. Но для экипажа звездолета, падающего в "мысленном эксперименте" на черную дыру, время будет идти как обычно. «Общая теория относительности предсказывает, что в горизонте событий ничего не произойдет», — говорит г-н Чаплин.}

^{Тем не менее, еще три десятка лет назад теоретики указали на то, что материя, согласно законам квантовой механики, должна у горизонта событий становиться «гиперчувствительной» к малейшим возмущениям. «Этот результат быстро позабыли, — говорит г-н Чаплин, — поскольку он не согласуется с предсказаниями общей теории относительности. Но на самом деле результат абсолютно верен».}

^{В продолжение темы:
1) 2006 год: теоретические расчеты приводят к выводу о сверхсветовой скорости материи, вылетающей из "черной дыры"
2) статья из журнала "Наука и жизнь" о "черных дырах": содержит ряд сомнительных утверждений, но при этом излагает теорию "черных дыр" с точки зрения теории относительности к началу XXI века}
3) статья из журнала "Успехи физических наук" о поиске черных дыр