Черные дыры и современная научная картина мира - Астрономия и современная картина мира

...А вдали наблюдается мир полосатых и пестреньких дыр. С бесконечным (по модулю) z, произвольно меняющих цвет... (Из старого астрофольклора)

Стандартная картина черной дыры

"Всех впускать, никого не выпускать". (Правило полицейской засады)

В последние два-три десятилетия в астрономическую картину мира (АКМ) вторглись и заняли в ней одно из самых заметных мест всем известные ныне "черные дыры". Значительная доля работ по современной астрофизике прямо посвящена им или упоминает (использует) их как нечто уже самоочевидное и само собой разумеющееся. Черная Дыра (ЧД) как яркий ( прошу прощения за каламбур) образ из астрономии и физики распространился, уже в качестве аналогии, метафоры или аллегории, в сферу гуманитарных наук, культуры и особенно в экономику. К тому же "...из всех творений человеческого разума: от мифологических единорогов и драконов до водородной бомбы, пожалуй, наиболее фантастическое - это черные дыры. Однако из физических законов с неизбежностью следует существование черных дыр" [32]. - Так характеризует черную дыру один из крупнейших в мире специалистов по теории гравитации проф. Кип Торн (США).

Мы знаем, что черная дыра (ЧД) как теоретический объект астрономии много старше своего имени. Впервые ЧД появилась в работе английского астронома Дж. Мичелла (1724-1793) еще в 80-х гг. XVIII в., а в 1796 г. ЧД открыл П. С. Лаплас. Говорят, их провидел и знаменитый физик, великий дилетант Г. Кавендиш. Естественно, открытия эти были совершены в рамках ньютоновой теории тяготения и ньютоновой же теории света как потока "световых частиц". Любопытно, что формула для размера ("гравитационного радиуса" rg) черной дыры, полученная в этом приближении, тем не менее точно совпала с полученной через полтора столетия с позиций ОТО - теории тяготения XX в.: rg = 2GM/с2 (где G - гравитационная постоянная, М - масса тела, с - скорость света).

Согласно ОТО, вещество, изначально оказывающееся внутри образующейся ЧД, испытывает необратимое падение, коллапс в ее центральную точечную сингулярность, в которой плотность формально становится бесконечной. Показано было, что в рамках ОТО коллапс в центральную сингулярность, независимо от формы и начального распределения плотности в теле, неизбежен [33].

Еще одно фундаментальное свойство ЧД - то, что, как считают, для внешнего наблюдателя падающее на нее вещество (и даже излучение) при приближении к гравитационному радиусу rg (поверхности Шварцшильда) как бы неограниченно замедляется, и "достигает" rg лишь асимптотически за период времени t ( ( - то есть, говоря прямо, никогда не достигает... Тем более невозможно, с точки зрения внешнего наблюдателя, для падающего извне тела достигнуть центральной сингулярности внутри ЧД. Это, так сказать, происходит еще позже, чем никогда...

В таком виде ЧД и "употребляется", как правило, в релятивистской астрофизике. Такой она стала известной и вообще астрономам. Такой она рисуется и в общей научной картине мира, - такой она канонизирована в НКМ.

Открытие С. Хокинга: черная дыра как физическое "абсолютно черное тело". Уже давно было известно, что решений уравнений Эйнштейна, относящихся к нашей теме, существует два: одно описывает необратимый коллапс материи и образование ЧД, другое отличается от первого главным образом противоположным направлением движения материи (антиколлапс вместо коллапса, "белая дыра", БД, вместо черной). В рамках ОТО эти два решения - разные и независимые, и одно не может "сшиваться" с другим, переходить в него - так же, как два корня уравнения х2=4, то есть +2 и -2 не могут "сшиваться" и переходить один в другой... Наблюдательное различие двух решений, для ЧД и для БД, однако, в том, что центральная сингулярность в ЧД считается принципиально ненаблюдаемой, в то время как аналогичная сингулярность в БД принципиально вполне наблюдаема. Правда, БД недолго привлекали внимание теоретиков. Оказалось, что образовавшиеся на заре существования Вселенной БД стали бы к нашей эпохе вполне ненаблюдаемыми; новые же БД образоваться не могут как раз из-за невозможности, в рамках ОТО, превращения коллапсара в антиколлапсар, то есть ЧД в БД. Появление БД допускается лишь как непредсказуемое проявление "у нас" образования ЧД "в ином мире".

Еще одно обстоятельство, связанное с черными дырами. Ряд теоретиков подчеркивали, что в планковской окрестности точечной сингулярности в ЧД, совершенно аналогично такой окрестности космологической сингулярности, фундаментальные законы нашей физики также не работают. Но сингулярность в ЧД (и, стало быть, действующая в ней "не наша" физика) считается принципиально ненаблюдаемой... Насколько основательно это представление?

В развитии картины ЧД в середине 70-х гг. произошел поворот, какого никто не ждал. А именно, С. Хокинг открыл, что, собственно говоря, "черные дыры не так уж черны" [35], и должны излучать как нормальное физическое черное тело ("абсолютно черное тело" с температурой Т ~ М-1; "до-хокинговская ЧД" - это абсолютно черное тело с Т = 0). Если масса ЧД, медленно, но с ускорением уменьшающаяся за счет этого "испарения", достигнет 1015 г, последний миллион тонн массы излучается в темпе гигантского ядерного взрыва.

Результаты Хокинга, после обычного для нетривиального открытия, но на этот раз, к счастью, краткого периода неверия в них (начиная с самого Хокинга), были признаны, подтвердились как теоретически корректные, и приобрели важнейшее значение. Они позволили существенно уточнить тот довольно обширный участок астрономической картины мира, который занят красочными изображениями разнообразнейших черных дыр - от "микродыр" до "галактических", с массой до 1010( ((- масса Солнца).

Как ни странно, открытие Хокинга (строго говоря, доказавшее, что черных дыр, как их до того представляли, просто не существует) - парадоксальным образом способствовало резкому повышению "уровня веры" в них!.. Причина в том, что это открытие устранило у черных дыр оттенок чрезмерной фантастичности. Открытие Хокинга превратило ЧД из запредельного, полумистического объекта в более привычный для астрономии элемент астрономической картины мира. После этого ЧД еще больше утвердились в качестве одного из самых заметных (хотя еще и не открытых!) объектов исследования в астрономии. Все шире стало распространяться убеждение, что ЧД вот-вот будут, наконец, открыты как компактные релятивистские объекты с массой (3( ("предел Чандрасекара"для нейтронной звезды, - при большей массе она "спадает" в ЧД).

В конечном счете причина такой реакции на открытие Хокинга и в том, что оно никак не отразилось на наших представлениях о возможных наблюдаемых свойствах ЧД: ведь ЧД малой начальной массы должны были давно испариться и, значит, наблюдательно не фиксируемы; объекты же звездной и большей массы, согласно формуле Хокинга, излучают столь ничтожную энергию, что ни о какой наблюдательной фиксации этого излучения таких ЧД, на фоне неизмеримо более мощных сопутствующих процессов, не может быть и речи.

В то же время все основные "до-хокинговские" свойства у "новых", "не таких уж черных" дыр (но и по Хокингу неотличимых от неизлучающих) - полностью сохраняются: коллапсирование материи на объект; характерный гравитационный радиус; формирование аккреционных дисков, в которых гравитационная энергия превращается в другие формы, - в тепловую, в излучение и т. п. "Хокинговская" ЧД, как правило, остается и более чем достаточно "черной" (эффективная Т (0), и вполне невылазной в ближайшую сотню миллиардов лет "ямой" (дырой). Так что сохранение термина "черная дыра" оправдано и "после Хокинга" куда более, чем термина "атом" (неделимый) в нашем ХХ веке.

Но в открытии Хокинга есть еще один важный аспект, который пока не привлекал должного внимания. Хокинг ведь показал, что ЧД, по меньшей мере в конце своего существования, при взрывном излучении и разбросе остатка массы (макроскопически, кстати, не очень малого) как бы обнажает свою внутреннюю сингулярность. Этим, видимо, подрывается знаменитый постулат Пенроуза и др. о "космической цензуре" - ненаблюдаемости "голой сингулярности". Но нам тут важно другое: хокинговского конца эволюции ЧД не могло бы быть, если бы не происходило перехода ЧД в ее эволюции от коллапсирования к фазе антиколлапса. Это означает, что хотя мы, принимая ОТО, и считаем коллапсарное и антиколлапсарное решения несшиваемыми, эйнштейновский "Господь Бог" делает это в черных дырах...

Достаточно очевидно, за счет чего он исхитряется достигать того, чего "сам Эйнштейн" (его ОТО в руках его научных наследников) делать не умеет: Хокинг начал (только начал!) учитывать квантовые свойства черных дыр. Очевидно, результат Хокинга - это первая ласточка из еще неведомой нам страны квантовой гравитации. Еще не зная ни расположения, ни географии, ни законов этой страны, мы (в лице нашего полномочного представителя С. Хокинга) из самого факта существования ее получаем фундаментальную информацию о свойствах соседнего с нею, то есть подверженного ее влиянию нашего мира, - что влечет неизбежное существенное изменение нашей научной картины мира (НКМ).

Проблема физических свойств черной дыры: открытие В. Ф. Шварцмана

Все согласны с тем, что это идея сумасшедшая. Вопрос в том, достаточно ли она сумасшедшая, чтобы быть правильной. Н. Бор

По словам С. Вейнберга, в науке "главная трудность состоит в том, что люди не воспринимают всерьез уже полученные теорией результаты". Попробуем же "воспринять всерьез" теоретические результаты Хокинга. Присовокупим к ним еще один, в принципе хорошо известный теоретический (логический) результат, тоже извлекаемый из еще не созданной (!) квантовой теории гравитации. Речь идет о давно осознанном, но недостаточно оцененном обстоятельстве, что внутри планковской области, в небольшой, но конечной окрестности математической сингулярности не только в рождающейся Вселенной, но и внутри каждой ЧД наша фундаментальная физика "не работает". Это означает, как неоднократно отмечали специалисты, что "внутри планковской области... может быть что угодно" (А. А. Старобинский); "...в начале Вселенной была другая физика, которой мы не знаем. То же самое внутри черных дыр" (И. Д. Новиков) и т. д. По существу, это обстоятельство общепризнано. Делался и вывод, что благодаря ему не исключено и "сшивание" в планковской сингулярности (в отличие от математической, точечной сингулярности ОТО, она вполне физична, не содержит бесконечностей и имеет конечный размер) коллапсарного и антиколлапсарного решений задачи о движении материи в гравитационном поле. Но, как представляется, не вполне обоснованно предполагалось, что обратный выброс (как бы "взрыв" из ЧД) происходит в некие другие, например, бесконечно удаленные во времени пространственно-временные области (или, в лучшем случае, в какие-то неопределенные в пространстве области нашего мира). Это означало, практически, ненаблюдаемость для нас процесса антиколлапса "наших" черных дыр.

Впрочем, дискуссия о том, где и когда происходят антиколлапсы наших (наблюдаемых нами) коллапсов, умерла, так и не начавшись, под влиянием одного весьма существенного для нее обстоятельства. Даже допустив, что антиколлапс происходит в то же пространство, где происходил и предшествовавший ему коллапс в данном объекте, теоретики не ощущали актуальности этой проблематики из-за одного простого обстоятельства: согласно господствующим представлениям, для внешнего наблюдателя падающая в ЧД масса, как отмечено выше, лишь асимптотически, при t ( ( достигает гравитационного радиуса rg черной дыры, и уж тем более не может, даже в пределах всей временной бесконечности будущего, попасть в центральную сингулярность ЧД... Так что, какие бы неизвестные нам законы физики там ни действовали, хотя бы они, допустим, не только дозволяли, но и предписывали немедленный обратный выброс (антиколлапс) материи из ЧД, проявиться для нас он мог бы лишь после истечения бесконечно большого времени... Говоря привычным языком теоретической физики, такого рода явление должно быть отнесено к принципиально ненаблюдаемым. А к таковым у теоретиков еще с конца 20-х гг. аллергия... Поэтому они могут, казалось бы, спать спокойно, какими бы экзотическими ни оказались в будущей теории квантово-гравитационные законы и поведение материи в планковской фазе, в центральной сингулярности ЧД. "Все хорошо, прекрасная маркиза...

...За исключением пустяка"! Не исключено, что все же, так сказать, в какой-то мере "кобыла околела", со всеми предшествовавшими этому печальному событию обстоятельствами...

А обстоятельства в данном случае состоят в том, что еще в 1976 г. в совместной статье С. А. Каплана (1921-1978) и В. Ф. Шварцмана (1945-1987) [36] была опубликована (и доведена до числа) идея, которая должна была бы, послушай мы Вейнберга, радикально изменить всю ситуацию с черными дырами. (Из разговора со Шварцманом, незадолго до его неожиданного трагического ухода из жизни, я узнал, что идея эта пришла ему в голову еще в 60-х гг., но он не отнесся к результату достаточно серьезно, и лишь под влиянием С. А. Каплана включил этот результат в их совместную статью. Каплан же высоко оценил вывод).

Суть идеи до неприличия очевидна (апостериорно, как всегда в таких случаях!), и "доказательство теоремы было достаточно простым, чтобы вызвать недоверие" [37]. "Еще одна истина взошла над нами, и, как обычно при встрече с истиной, мы оказались не на высоте" [38]. Вероятно, крайний скепсис, проявляющийся у специалистов при встрече с нетривиальной новой истиной, связан с тем, что "...мы хотим узнать что-то новое, но не слишком новое. И лишь тогда, когда нам, беднягам, это не удается, совершаются великие открытия" (Р. Оппенгеймер).

Суть результата В. Шварцмана в том, что материи, коллапсирующей (аккрецируемой) на черную дыру, для достижения ее гравитационного радиуса rg (поверхности Шварцшильда), вопреки долго господствовавшему мнению, достаточно конечного времени - вместо бесконечного! Итак, Викторий Шварцман уточняет существующие представления "в бесконечное число раз"! Принципиально, однако, важно не только это, но и то, что находимая им величина времени, требуемого для достижения падающим веществом rg, не просто конечна (1020 лет - тоже конечный интервал времени, но практически он "равен бесконечному"), а и наблюдательно невелика, - см. ниже.

Решающий дело эффект, указанный Шварцманом, состоит в том, что, еще не проникнув в ЧД, собирающееся у ее поверхности Шварцшильда вещество (или даже излучение - достаточно хотя бы всегда и везде в нашей Вселенной присутствующего реликтового излучения) увеличивает массу ЧД. А вследствие этого, согласно приведенной выше формуле, растет гравитационный радиус черной дыры; поверхность Шварцшильда ее расширяется и, двигаясь с конечной скоростью навстречу асимптотически замедляющемуся аккрецируемому веществу, захватывает его, и оно таким образом оказывается внутри черной дыры. Подчеркнем - это зафиксирует именно "нужный" - внешний наблюдатель! То есть речь идет прямо о нас...

Релятивистские подсчеты В. Ф. Шварцмана показали, что эффект действительно радикален. Так, в "галактическую" (сверхмассивную) ЧД с массой 109( вещество, падающее на нее с расстояния 2 rg, проникает за какие-то полторы недели! В ЧД звездной массы с соответствующего расстояния вещество падает за (( ( 10-3 с! ("Рабочая" формула Шварцмана: (( (102rg/c).

Как отмечено выше, фундаментальный результат Шварцмана не привлек внимания теоретиков, не показался им заслуживающим доверия, хотя они, разумеется, знали о нем. Так, в разговоре со мной, когда я выразил восхищение блестящим выводом Шварцмана, один известный авторитет в области космологии и релятивистской астрофизики утверждал, что результат Каплана и Шварцмана (тогда мы еще не знали конкретного автора идеи) - ошибочен, и брался продемонстрировать это "за 20 минут" (которых, к сожалению, у нас тогда не оказалось...). Разговор этот был в начале 1986 г. Печатных откликов на результат не было - он как бы не существовал...

И тем не менее в том же 1986 г. в книге выдающихся специалистов И. Д. Новикова и В. П. Фролова "Физика черных дыр" [39] был опубликован фактически эквивалентный шварцмановскому результат, полученный, однако, из совсем иных, более обших соображений: из учета квантового дрожания "мембраны" (поверхности Шварцшильда) черной дыры. Результат Шварцмана нашел подтверждение (что, однако, авторы не заметили!). Конкретно, например, для проникновения в ЧД звездной массы по формуле Новикова-Фролова мы имеем те же 10-3 с, что и у Шварцмана. Нетрудно убедиться, что квантовая формула Новикова-Фролова с точностью до численного коэффициента порядка единицы эквивалентна чисто релятивистской формуле Шварцмана практически во всей области физически реальных значений масс черных дыр и аккреционных потоков массы на них.

Но, допустим, неучет квантового аспекта явления делает вывод формулы Шварцманом некорректным. И в таком случае мы все же имеем по меньшей мере дело с повторением многозначительной старой истории первого открытия черных дыр в XYIII веке: там тоже чисто классическая, формально некорректно выведенная (если судить с позиций ОТО) формула Мичелла и Лапласа в точности совпала с полученной в ОТО более чем через столетие формулой для гравитационного радиуса черной дыры. История действительно повторяется!

Так что результат Шварцмана, независимо от тонкостей вывода, подтвержден Новиковым и Фроловым. Видимо, вывод Шварцмана настолько фундаментален, что сохраняет справедливость не только в классическом (релятивистском) подходе и "первом квантовом" приближении (хокинговском), но останется и в будущей квантово-гравитационной теории. Способов вывода его, помимо двух уже известных, начиная со шварцмановского, может быть очень много. (Основную теорему алгебры, над доказательством которой бились чуть не 200 лет, после того, как ее доказал, наконец, Гаусс, за год вывели, говорят, еще полудюжиной способов...). Видимо, формула Шварцмана может быть получена, скажем, и учетом локальной приливной деформации поверхности Шварцшильда гравитационным полем "прижимающегося" к ней атома или даже фотона, или же броуновского дрожания черной дыры как целого в космической среде. Еще две идеи вывода см. в [39, c.192].

...Правда, как бы результат Новикова и Фролова не повторил судьбу открытия Шварцмана: с публикации их "переоткрытия" идет уже десятый год, но его тоже "не замечают"... И тем не менее, в общем, абрис черных дыр в астрономической картине мира, с учетом открытия В. Ф. Шварцмана, независимо от темпа его признания, потенциально, несомненно, существенно меняется.

Черная Дыра как возможный "активный черный ящик". ...Но это радикально меняет всю ситуацию с возможными наблюдательными проявлениями черных дыр! Действительно, если аккрецируемое черной дырой вещество наблюдательно быстро проникает внутрь нее, то еще на два порядка быстрее (rg/c вместо 102rg/с) оно затем достигает в ней центральной планковской сингулярности (во всяком случае, с точки зрения сопутствующего наблюдателя). И если в планковской фазе неизвестные нам законы квантовой гравитации могут приводить к обращению коллапса (что, как отмечено, по меньшей мере не исключено), то ничем не исключен и антиколлапс коллапсировавшей в данную ЧД массы! Вспомним: "Не исключено" означает, что мы не можем на теперешнем уровне знаний ни опровергнуть, ни обосновать эти возможности", - как сформулировал А. Д. Сахаров [40]. До настоящего времени мы "исключаем" эту возможность, фактически принимая, что законы ОТО (необратимый коллапс в сингулярность) продолжают выполняться там (в планковском состоянии материи), где они, как мы признаем, не действуют!..

Резюмируя, мы должны заключить: не исключена возможность того, что коллапсирующее на ЧД вещество и излучение наблюдательно быстро проникают внутрь ЧД и в ее центральную планковскую сингулярность, где - также не исключено - могут испытывать быстрый антиколлапс в масштабах и формах, которые нам пока не известны.

ЧД в этом смысле является "черным ящиком", на входе которого - аккрецируемая масса (энергия, заряд...); внутри которого действуют не известные нам физические законы; на выходе - должно наблюдаться по меньшей мере хогинговское излучение, но не исключены и на много порядков превышающие его феномены антиколлапса, - выбросы всего того, что поступило на входе (с неизвестным перераспределением свойств, неизвестными временными сдвигами, неизвестным распределением выбросов по направлениям... В последнем отношении - можно только из самых общих соображений симметрии высказать предположение о возможной предпочтительности направлений в экваториальной плоскости, а особенно вдоль оси вращения ЧД). Возможные масштабы феноменов антиколлапса характеризуются тем, что в центральной планковской сингулярности ЧД заключено и таким образом не подчиняется нашей фундаментальной физике практически все вещество этого объекта (а масса - кроме полевой).

Черная дыра как квантово-гравитационный объект. Обращаясь к возможным наблюдательным проявлениям "бывших ЧД" (такая характеристика их стала законной уже после открытий Хокинга), следует констатировать, что у этих объектов не исключены разнообразнейшие феномены, связанные с антиколлапсарным выбросом материи (в том числе и "твоя любимая неквантованная праматерия", - братья Стругацкие, "Забытый эксперимент"), а также эффекты взаимодействия "зафизичных" выбросов с окружающим веществом и полями. Не исключено опять-таки, что при этом могут быть найдены более удовлетворительные объяснения и некоторым давно наблюдаемым, но до сих пор не очень понятным астрономическим феноменам, от звездного до квазарно-галактического масштаба. (Джеты? Сверхсветовые скорости?..). В духе известной "теоремы Героча" [41] можно утверждать, что наблюдаемое проявление неизвестных нам фундаментальных законов природы должно казаться нам нарушением известных. Именно в этой связи и вспоминаются, например, "сверхсветовые движения" в квазарах. (Правда, как почти всегда, почти все мы ухитряемся объяснять в рамках господствующей, общепринятой в данную эпоху фундаментальной физики и, вообще, научной картины мира...).

С другой стороны, обнаружение и корректная интерпретация указанных антиколлапсарных феноменов в тех объектах, где ныне допускается наличие ЧД, могло бы дать наблюдательный материал, возможно, критически необходимый для построения той самой квантово-гравитационной теории, которая пока упорно не дается физикам.

Подтверждение развитых представлений привело бы к обновлению существенной части астрономической и даже более универсальной физической картины мира.

В заключение этого раздела - небольшой вопрос терминологического характера. Очевидно, крайне неудобно и громоздко каждый раз, когда заходит речь о "бывших ЧД", произносить что-то вроде "квантово-гравитационные коллапсарно-антиколлапсарные объекты"... Желателен какой-то, по-возможности лаконичный и емкий соответствующий термин. По аналогии с квазаром или пульсаром предлагался, например, термин "граквар" (кентавр из "гравитационного" и "квантового" плюс стандартный "хвост" [42]. Не скажу, чтобы этот термин казался очень удачным... Может быть, памятуя о том, что свойства этих объектов коренятся в планковской сингулярности, лучше покажется название вроде "планкар"?.. Видимо, этот вопрос целесообразно оставить на будущее обсуждение.

Похожие статьи




Черные дыры и современная научная картина мира - Астрономия и современная картина мира

Предыдущая | Следующая