Лев Кривицкий - Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции
Первыми отонами, существование которых вытекало из распространения на объективную реальность результатов теории относительности, были чёрные дыры (сокращенно – ЧД). Характерно, что некоторые представления о возможности подобных объектов зародились уже задолго до возникновения общей теории относительности и релятивистской космологии, на основе теории тяготения Ньютона. Первым, кто предсказал феномен чёрной дыры, был английский физик Джон Мичелл. Он на тринадцать лет опередил выдающегося французского космолога и философа Лапласа, независимо от него в 1796 г. обосновавшего возможность существования чрезвычайно массивных и вследствие этого невидимых объектов. Лаплас рассуждал просто и остроумно. Сила, действующая в гравитационном поле, должна неограниченно возрастать с увеличением массы источника и уменьшением расстояния до центра гравитации. Однако эта, по существу, негеоцентрическая ситуация имеет только внешнее сходство с проблемой ЧД, так как в рамках ньютоновской теории подобные объекты – это всего-навсего глубокие, пусть даже очень глубокие и «тёмные» гравитационные ямы, никак не связанные со свойствами пространства-времени.
Начало науки об отонах в виде учения о релятивистских чёрных дырах было положено в 1916 году немецким учёным Карлом Шварцшильдом. Заметим, что произошло это сразу же после формулировки Эйнштейном основных принципов ОТО и чуть раньше публикации работы Эйнштейна, положившей начало релятивистской космологии. Шварцшильд впервые получил точное решение уравнений Эйнштейна для так называемой «сферической симметрии», т. е. для некоторого математически описанного сферически-симметричного распределения вещества. В ходе решения оказалось, что при таком распределении должна возникнуть некоторая сфера с весьма специфичными свойствами. Если в области пространства-времени, ограниченной этой сферой, сосредоточится определённая масса вещества, никакой объект не может покинуть её. И не только объект, но и никакой вещественный носитель информации об объекте. Изобразительными средствами ОТО теория Шварцшильда «нарисовала» гравитационную яму бесконечной глубины, так как это на самом деле не яма, а дыра, бездонный провал в самом пространстве-времени. Искривление пространства-времени вблизи указанной сферы оказывается настолько сильным, что оно как бы прорывается, резко изменяются не только его метрические, но и топологические свойства. Представить это себе в какой-то степени наглядно можно, взяв лист бумаги и протыкая его иглой. До определённого момента лист будет искривляться, а затем – проколется или его плоскость прорвется. Место прокола – и есть некий аналог сферы Шварцшильда на плоском пространстве двухмерного листа, а края этого прокола – горизонт событий. Ни одно материальное тело, идущее по листу, не сможет двигаться дальше, попав за этот горизонт. Оно неизбежно проваливается и выпадает из пространства листа.
Черная дыра есть, прежде всего, ненаблюдаемый непосредственно объект, который сам «проглатывает» свои макроскопические связи с внешним миром. Она может образовывать сингулярности, подобные той, из которой скачкообразно «вырвалась» Метагалактика в момент своего возникновения. Она, наконец, представляет собой гравитационную ловушку, в которой могут мгновенно исчезнуть для внешних макроскопических наблюдателей различные макроскопические объекты, – даже если это объекты грандиозных масштабов.
Но как же могут образовываться подобные «чудотворные» с макроскопической точки зрения, катастрофические для плоско-созерцательного взгляда на космос гравитационные впадины? Теория звёздной эволюции, созданная трудами Л.Д. Ландау и С. Чандрасекара показала, что чёрные дыры должны образовываться в результате нормальной эволюции многих обычных, хорошо видимых нами звёзд. Всякая звезда «горит» и испускает свой таинственный блеск, пока в её недрах происходит термоядерная реакция, непрерывно поддерживаемая плазменным веществом звезды. Но вот водородное «горючее» подходит к концу, – ибо всему, даже таким грандиозным явлениям, как звёзды, рано или поздно приходит конец. Как только иссякает питающее звезду вещество, с ней происходит неминуемая катастрофа – так называемый гравитационный коллапс. Погибающую звезду – коллапсар – ожидает неудержимое сжатие под воздействием её собственного гравитационного поля. Расчёты показывают, что звезды, раз в 5 более массивные, чем наше Солнце, будут сжиматься неограниченно и обязательно превратятся в чёрные дыры. Звезда с массой Солнца при этом сократилась бы до размеров сферы с радиусом всего 3 км., в то время как сегодня радиус фотосферы Солнца составляет 0,7 млн. км. Масса же звезды остается прежней. На месте умершей звезды оказывается гравитационная могила с чрезвычайно специфическими свойствами. На близких расстояниях от этой могилы траектории всех макроскопических предметов, в том числе и света, испытывают существенные отклонения от тех, по которым они движутся вблизи других чрезвычайно плотных объектов, например, нейтронных звёзд. На расстоянии в полтора гравитационных радиуса свет может быть пойман на круговую орбиту и стать «спутником» чёрной дыры; в непосредственной же близости от шварцшильдовской сферы вообще не существует устойчивых орбит для физических тел, они не могут превратиться в спутники и неминуемо поглощаются ЧД. Кроме того, вблизи этой сферы имеет место сильное релятивистское замедление времени и бесконечное красное смещение у сигналов, испускаемых из окрестности ЧД.
Это означает, что для удалённого наблюдателя, т. е. для нас с вами, падающая на ЧД частица будет постепенно останавливаться, а все связанные с ней процессы замедляются, а затем и вовсе застывают. Подобно заколдованному мертвецу, чёрная дыра вокруг себя останавливает время, не допуская прохождения сигналов и «криков о помощи» в окружающий мир. Никакие сведения о событиях внутри «гравитационной могилы» получены быть не могут. По этой причине сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий. Мир под горизонтом существует как бы сам по себе и геоцетрическому миру недоступен.
И все же, несмотря на негеоцентрическую недосягаемость чёрных дыр, возможность их обнаружения была найдена. Именно вследствие необычных свойств чёрных дыр мы можем получить косвенные данные об их существовании. Прежде всего, ЧД есть невидимый объект, который своим мощным гравитационным полем оказывает существенное влияние на окружающее вещество. Невидимка обнаруживает своё присутствие по своему влиянию на окружающий макроскопический мир, оставляя на нём свои следы. Для обнаружения чёрных дыр астрономы ищут, прежде всего, «двойные» системы, состоящие из чёрной дыры и находящейся в её гравитационном поле звезды. Если существуют двойные звёздные системы, которые отнюдь не редкое явление в нашей Галактике, то почему бы не существовать паре «звезда – чёрная дыра»? При этом извечная предательница чёрная дыра неизбежно сыграет с попавшей с ней в пару несчастной звездой свою злую шутку. Вещество звезды будет в этом зловещем танце постоянно втягиваться в бездонное чрево дыры. При этом, раскручиваясь и разогреваясь до плазменного состояния, прежде остывавшее вещество разрушающейся звезды будет испускать согласно расчетам мощное рентгеновское излучение.
Такое предсказание было сделано ещё в 60-е годы российскими учёными Я.Б. Зельдовичем и О.X. Гусейновым. А в начале 70-х с помощью рентгеновских телескопов, установленных на спутнике «Ухуру», было открыто несколько источников рентгеновского излучения в составе двойных систем. Наиболее вероятным кандидатом в чёрные дыры признан знаменитый рентгеновский источник «Лебедь-X–I». Другим вероятным кандидатом является «Лебедь-Х-3».
Многообещающими и интенсивно изучаемыми являются также модели ЧД не только в двойных системах, но и в ядрах галактик, квазаров и т. д. Делаются попытки обнаружения ЧД по такому негеоцентрическому излучению, как гравитационные волны, хотя ввиду слабости гравитационного взаимодействия эффект «гравитационных сигналов» чрезвычайно труден для обнаружения в земных условиях. Мощное гравитационное излучение должно возникать при рождении дыр.
Чёрные дыры могут вызвать эффект «гравитационной линзы», искривляя своим сильным гравитационным полем лучи света и удваивая для земного наблюдателя изображения звёзд. Вследствие воздействия гравитационного поля ЧД могут возникать сильные концентрации звёзд в так называемой «потенциальной яме» вокруг горизонта событий.
Начало 70-х годов XX века в астрофизике было отмечено бурным всплеском глубоких исследований по проблеме пространственно-временных многообразий гравитационных полей чёрных дыр и их обнаружения. Шёл поиск новых негеоцентрических каналов информации, способных значительно усилить познавательный потенциал астрономической науки. Обнаружились глубокие связи между законами физики чёрных дыр и обычной термодинамики, основные понятия которой приобретают совершенно новое негеоцентрическое содержание. После пионерной работы английского физика-теоретика С. Хокинга открылось совершенно новое направление исследований на стыке теории гравитации и квантовой физики. Хокинг показал, что чёрные дыры не обязательно являются такими уж абсолютно чёрными, т. е. изолированными от макроскопического мира, как это думали раньше. Они могут «испаряться» и даже взрываться, а при определённых обстоятельствах даже излучать свет и потоки самых разнообразных частиц.
