Эмиль Ахмедов - О рождении и смерти черных дыр

• Название: О рождении и смерти черных дыр
• Автор: Эмиль Ахмедов
• Жанр: Физика
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-4439-2469-4, 978-5-4439-0267-8

В этой книге сделана попытка рассказать о том, что такое черные дыры: как они устроены, какие у них свойства, как они образуются и как их наблюдают астрономы. Дано доступное и простое объяснение многим физическим свойствам черных дыр.

Для старшеклассников и студентов младших курсов, увлекающихся физикой и математикой

---

Как известно, пространство-время, в котором мы живем, имеет четыре измерения. То есть для определения какого-то события (точки в пространстве-времени), скажем прохождения светового цуга[1]на некотором расстоянии от гравитирующего тела в некоторый момент времени, необходимо задать три пространственных координаты, определяющих данное положение цуга в пространстве, и одну временную координату, определяющую данный момент времени.

Изобразить все четыре измерения на листе бумаги не представляется возможным. Поэтому если мы хотим наглядности, необходимо сделать некоторые упрощения. Каждую точку пространства в фиксированный момент времени можно определить по расстоянию от нее до начала координат, а также по двум углам, которые являются аналогами долготы и широты на глобусе и определяют направление радиус-вектора из начала координат в обсуждаемую точку. Это и есть три координаты, которые необходимы для определения пространственного положения события в пространстве-времени (рис. 2).

Рис. 2. Здесь изображен пространственный срез – «фотография» пространства, то есть «один из кадров фильма», показывающего, как ситуация развивается во времени. Обычно положение точки в таком пространстве определяют с использованием декартовых координат (х, у, z). Однако есть и другой общепринятый способ определения ее положения в пространстве – через расстояние от начала координат и долготу с широтой

Ниже мы всегда будем рассматривать движения тел и света строго по радиусу, то есть без изменения долготы и широты. Также мы будем рассматривать идеальные сферические звезды, планеты или пылевые облака. В этом и состоит наше упрощение, так как в реальности пылевые облака, падающие на звезды, или даже гравитационные поля вращающихся черных дыр не обладают симметрией сферы[2].

Для наших целей главное, что, изображая пространство-время при таком упрощении, мы можем забыть про долготу и широту каждого события и рисовать только временную координату с · t и длину радиус-вектора события r (рис. 3). То есть в таком случае обсуждаемое изображение пространства-времени будет иметь два, а не четыре измерения.

Рис. 3. Если изображать на плоскости только временную координату с · t события и его расстояние r до центра системы координат, то каждая точка такой плоскости может представлять любое положение на сфере радиуса r в пространстве, то есть с любым значением долготы и широты. Иными словами, каждая точка нарисованной здесь плоскости суть двумерная сфера. Следует подчеркнуть, что на самом деле здесь изображена полуплоскость, так как r может принимать только неотрицательные значения

► Для тех, кто знаком со специальной теорией относительности, упомянем о еще одном допущенном упрощении. Дело в том, что мы изображаем пустое пространство – время (ct, r) на обыкновенной евклидовой плоскости (x, y). На такой плоскости расстояние Δl между двумя точками (ct1, r1) и (ct2, r2), разделенными пространственным Δx =Δr=r1−r2 и временным Δy =cΔt=c(t1−t2) смещениями, вычисляется с помощью теоремы Пифагора:

Δl2 = Δy2+Δx2 = c2Δt2+Δr2.

При этом, как следует из совокупности экспериментальных данных, такое расстояние в пространстве – времени следует вычислять по формуле Δs2=c2Δt2 −Δr2. Отличие в знаке существенным образом сказывается на аналитических вычислениях и свойствах геометрии пространства – времени. Учитывая это, последующее геометрическое моделирование вполне адекватно описывает физику черных дыр. ◄

Далее наши рассуждения будут достаточно строгими, хотя мы и будем использовать только наглядные геометрические образы без сложных аналитических математических обоснований, выходящих за рамки школьного курса. Рисуя картинки в этой книге, мы будем руководствоваться здравым смыслом и минимальным количеством данных, следующих из совокупности опытных фактов.

Итак, гравитация искривляет пространство-время. Это можно наглядно увидеть, изучая поведение лучей света в ее присутствии. Свет при этом удобен тем, что он самый быстрый в природе. Поясним, что мы будем считать лучом света. На рис. 1 изображен луч в том смысле, как он понимается в школьном курсе физики, а именно как путь, который проходит световой цуг в пространстве – траектория света. Нам же будет интересна кривая, вдоль которой проходит цуг в пространстве-времени, которую иначе называют мировой линией света. Именно это мы и будем считать лучом света, если не оговорено иное. Например, мировой линией покоящейся частицы является прямая, параллельная оси времени на рис. 3, тогда как ее траектория является точкой – проекцией такой прямой на ось r.

Далее, сделаем еще одно важное упрощение: пренебрежем тем, как пространство-время искривляется самими лучами света, несмотря на то, что они обладают энергией. То есть пространство-время может быть искривлено только некоторым массивным телом, а свет является лишь показателем этого искривления. Такое упрощение, как правило, делают и ученые, занимающиеся исследованием черных дыр. Исследователи еще только учатся учитывать влияние самих лучей и находить реальные световые мировые линии при наличии гравитирующих тел. Технически это оказалось очень сложной проблемой. Поясним, в чем состоит сложность этого предмета.

Рассмотрим задачу Ньютона – два массивных тела вращаются вокруг общего центра масс и взаимодействуют друг с другом за счет гравитационной силы[3]. Эта задача была точно решена еще Ньютоном.

Однако в современном представлении два тела взаимодействуют друг с другом при помощи гравитационного поля. (В частности, по этой причине гравитационное взаимодействие не является действием на расстоянии, тела действуют друг на друга полем.) Система из двух тел возмущает гравитационное поле и приводит к излучению гравитационных волн. Эта ситуация на наглядном примере будет рассмотрена в главе про теорию поля.

Учет гравитационного поля делает рассматриваемую задачу очень сложной. Она даже сложнее задачи трех тел в ньютоновой гравитации, то есть наличие поля усложняет ситуацию больше, чем наличие третьего тела. Задача может стать точно решаемой, только если не учитывать излучение гравитационных волн. В Солнечной системе такое излучение очень слабое, и им позволительно пренебречь. Поэтому предсказания гравитации Ньютона хорошо описывают поведение планет в Солнечной системе.

Однако, например, в так называемой двойной звездной системе, где массы обоих тел очень велики, радиусы их орбит достаточно малы, а центростремительные ускорения огромны, излучением гравитационных волн пренебречь нельзя. В таком случае задачу можно решить только приближенно.

Ее решение показывает, что звезды, излучая волны, теряют кинетическую и потенциальную энергию и постепенно падают друг на друга. Это явление действительно наблюдается в двойных звездных системах и находится в количественном согласии с предсказаниями общей теории относительности. В частности, оно согласуется с предположением наличия гравитационных волн.

При этом ученые продолжают работать над созданием точного прибора, который позволил бы наблюдать непосредственно сами гравитационные волны, а не только их косвенные проявления через уменьшение энергии в двойных звездных системах.

Теперь, чтобы понять, как работает предлагаемый в этой главе метод, рассмотрим, как движется свет в пустом пространстве без гравитирующих тел. Ясно, что в такой ситуации он движется по прямой. Пусть в начальный момент времени t0 из некоторой точки сферы радиуса r0 испускаются два луча света строго по радиусу. При этом один из лучей направлен наружу сферы, а другой – внутрь. Во времени этот процесс будет протекать так, как показано на рис. 4. Немного менее наглядным, но более удобным для наших целей будет изображение этого же процесса в обсуждавшемся выше пространстве-времени на рис. В1 цветной вкладки.

Теперь можно изобразить сетку из лучей света в пустом пространстве-времени на рис. В2. Ее можно представлять себе как состоящую из лучей, которые испускаются в разные моменты времени через одинаковые его промежутки с разных радиусов, отличающихся один от другого на числа, кратные одной и той же величине. В искривленном пространстве общего вида нарисовать подобную сетку гораздо сложнее, но ее отличие от рис. В2 собственно и показывает, насколько искривлено пространство-время.

Если читателю ясны приведенные выше геометрические построения, то он в принципе готов к изучению сферически симметричных черных дыр. Но, возможно, прежде чем двигаться дальше, нам будет полезно разобраться в некоторых положениях общей теории относительности. Для этого полезно наглядно представить искривление пространства-времени. Рассмотрим, например, леску, которую перемещают в пространстве, удерживая ее за концы. Она в процессе своей эволюции во времени описывает двумерную поверхность, геометрия которой нас и интересует. Ее можно воображать себе как поверхность пустыни. Барханы при этом наглядно представляют собой искривление рассматриваемого двумерного пространства-времени. Нам неважно, какое из направлений на поверхности пустыни является временным, а какое – пространственным. Во всяком случае, в кривом пространстве-времени это не всегда бывает очевидным.