На uCrazy 16 лет 7 месяцев
Две статьи о белых дырах.
Уравнения общей теории относительности симметричны по отношению к направлению времени. Она одинаково хорошо “работает”, и когда время направлено вперед, в будущее, и когда оно направлено назад, в прошлое; есть решения, имеющие смысл и в том случае, когда время течет в направлении, противоположном общепринятому представлению о его течении1.
Ничего необычного в этом нет, аналогичная ситуация имеет место и в теории тяготения Ньютона. Допустим, что вокруг Солнца по эллиптической орбите движется комета. Если изменить направление времени, то комета все равно будет двигаться по той же эллиптической орбите; изменится, правда, направление ее движения, однако характер его останется прежним: комета будет ускоряться, приближаясь к Солнцу, и замедляться, удаляясь от него. Подобным же образом абсолютно упругий мяч будет падать из вашей руки на пол и отскакивать обратно, если направление времени сменится на противоположное.
Зная, что решения уравнений общей теории относительности симметричны относительно времени и что черные дыры образуются в результате гравитационного коллапса некой массы вещества в скрытую за горизонтом событий сингулярность, которая существует бесконечно долго (если не принимать во внимание квантовые эффекты, о которых речь пойдет в дальнейшем), нельзя ли предположить существование дыр с обращенным временем, т. е. процесса коллапса с обратным ходом развития событий? Если бы такие процессы происходили во Вселенной, то в некоторой ее области вдруг обнаружил ся бы источник, выбрасывающий вещество,— белая дыра. Она должна была бы содержать сингулярность, существовавшую с момента начала отсчета времени во Вселенной, и в какой-то случайный, непредсказуемый момент из этой сингулярности вдруг начало бы истекать вещество. Действительно, как после завершения формирования черной дыры на нее могут падать частицы, так, вероятно, они могут и вылетать из белой дыры, прежде чем она, взорвавшись в процессе обратного коллапса, превратится в облако из пыли и газа. Поскольку частицы и излучение могут вылетать из центральной сингулярности белой дыры, следовательно, эта сингулярность должна быть голой.
1 Само по себе понятие “течение времени”, конечно, весьма условно; однако неоспорим тот факт, что мы воспринимаем время как равномерно текущий в одном направлении поток.
Возможность существования белых дыр серьезно обсуждалась в течение некоторого времени. По мнению ряда ученых, гипотеза белых дыр могла бы помочь объяснить феномен “взрывающихся галактик” и другие космические явления, сопровождающиеся большим выделением энергии, например квазары, из которых, возможно, происходит истечение вещества в нашу Вселенную. На основании подобных представлений были найдены потенциально возможные решения, описывающие поведение таких необычных объектов. В 1964 г. советский астрофизик И. Д. Новиков высказал предположение, что белые дыры могли бы появиться вследствие процессов, сопутствовавших Большому взрыву, в котором, согласно теоретическим представлениям, из сверхплотно сжатого вещества—начальной космологической сингулярности— возникла наша Вселенная. Новиков рассуждал следующим образом: если некоторые области пространства-времени в момент Большого взрыва не приняли участия в немедленном процессе всеобщего расширения, то эти области, или “задержавшиеся ядра”, могут взорваться на более поздней стадии эволюции Вселенной, создав белые дыры.
Взглянув на диаграмму Пенроуза для вращающейся черной дыры, мы увидим еще одну возможность интерпретации белых дыр: если в других вселенных происходит коллапс вещества в черную дыру прошлого, то результатом этого может быть возникновение белой дыры в нашей Вселенной. Другими словами, “чью-то чужую” коллапсиру-ющую звезду мы могли бы наблюдать как белую дыру. Следует отметить, что все представления о черных и белых дырах и о множественности миров, с которыми мы не можем поддерживать контактов иначе, как только с помощью дыр в пространстве-времени, основываются на нашем глубоком ощущении необходимости существования пространственно-временных симметрии.
В действительности черные и белые дыры не единственно возможные экзотические объекты, предсказываемые те орией. Обсуждалась также возможность существования так -называемых “серых дыр”, вещество которых, выплескиваясь, как в белых дырах, за горизонт событий, почти тотчас же начинает быстро сжиматься в процессе гравитационного коллапса.
Могут ли белые (или серые) дыры существовать реально? Мы уже говорили, что, по мнению большинства специалистов, представления о пространственно-временных мостах во вращающихся и заряженных черных дырах слишком идеализированы и что такие мосты вряд ли в природе есть. Наиболее вероятно, что в черных дырах сингулярность, поглощающая вещество, пространственноподобна, и тогда нет оснований говорить о белых дырах, порождаемых коллапсом звезд в других вселенных (или в других областях одного и того же пространства-времени).
Что же касается так называемых “задержавшихся ядер”, то и для них условия образования весьма неблагоприятны. Как показал в 1974 г. Д. Эрдли, поскольку вблизи черной дыры излучение испытывает сильное красное смещение, то в окрестностях белой дыры оно должно претерпевать интенсивное фиолетовое смещение; на ранней стадии развития Вселенной, когда вещество и излучение были сжаты до сверхвысоких плотностей в малом объеме, вокруг потенциальной белой дыры должны были концентрироваться мощные сгустки высокоэнергетического излучения с сильным фиолетовым смещением. Заключенная в малых объемах масса-энергия должна быть столь велика, что вокруг зарождающейся белой дыры непременно сформировалась бы черная дыра, которая навсегда скрыла бы ее под своим горизонтом событий. И только в том случае, как показали К. Лэйк из университета г. Торонто и другие авторы, если “задержавшиеся ядра” начнут расширяться сразу же после Большого взрыва вместе со Вселенной, они могут стать настоящими белыми дырами.
Лэйк рассмотрел три возможности: некоторые белые дыры, вновь коллапсируя, превращаются в черные дыры; часть белых дыр расширяется далеко за пределы сферы Шварцшильда, и сегодня мы не можем уже считать их белыми дырами; наконец, случай, когда некоторые локальные неоднородности, возникшие в процессе Большого взрыва, не перешли границу шварцшильдовского радиуса и все время оставались наблюдаемыми космическими объектами. В принципе белая дыра может испускать излучение, но, согласно расчетам Лэйка, для дыр третьего типа такое излучение должно испытывать сильнейшее красное смещение, вследствие чего эти источники должны иметь вид тусклых красноватых точек, а не эффектных катастрофических взрывов.
По мнению Хокинга, если белые дыры и существуют, то они неотличимы от черных дыр, а некоторые другие ученые, в том числе и Пенроуз, считают, что белые дыры вообще невозможны. Ведь они нарушают принцип космической цензуры, поскольку их сингулярность, по крайней мере в принципе, можно наблюдать. Следует, однако, заметить, что космическая цензура не есть твердо установленный закон природы, это всего лишь некий принцип, который теоретики придумали, чтобы облегчить свою жизнь, и теперь пытаются применять где только можно. Пенроуз отметил еще один интересный момент: причиной появления гипотезы белых дыр, по его мнению, следует считать только стремление сохранить симметрию времени (т. е. утверждение, что фундаментальные законы природы должны выполняться при обращении времени). Но поскольку для такой крупномасштабной физической системы, как наша Вселенная (и для всех крупномасштабных процессов — от зарождения и развития жизни до эволюции самой Вселенной), такая симметрия явно не выполняется, то нет и необходимости предполагать существование столь “нежелательных” объектов, как белые дыры.
Хотя подобная аргументация, разумеется, не бесспорна, тем не менее белых дыр в природе, по-видимому, нет. Если же они все-таки существуют, то в лучшем случае это слабые, едва видимые объекты, а в худшем — они ничем не отличаются от черных дыр. Маловероятно, что белые дыры представляют собой яркие, эффектные источники вещества и энергии, с помощью которых нам удалось бы объяснить загадку гигантской светимости квазаров или, как предлагают некоторые авторы, определенных типов сверхновых звезд.
В этой главе мы преимущественно рассматривали различные теоретические предположения и их последующие опровержения, что в известной степени отражает ход развития физической мысли в последние годы. Существование самих черных дыр, однако, практически не вызывает сомнений. Оно непосредственно следует из самой совершенной из современных теорий тяготения — общей теории относительности и большинства соперничающих с ней теорий. Даже теория тяготения Ньютона предсказывает существование объектов, подобных черным дырам. Теория эволюции звезд не предполагает наличия сил, могущих предотвратить катастрофу гравитационного коллапса звезды с массой слишком большой, чтобы звезда в конце своей жизни могла стать белым карликом или нейтронной звездой. Если даже и существуют силы (пока неизвестные нам), способные воспрепятствовать гравитационному коллапсу вещества в сингулярность, то они все равно не смогут предотвратить формирование горизонта событий и, следовательно, возникновение такой области пространства, которую мы называем черной дырой. Как мы видели, черная дыра может образовываться из вещества с удивительно малой плотностью, если самого вещества окажется в избытке.
Такая возможность как будто доказана.
Двое астрофизиков из Пенсильванского государственного университета Алон Реттер и Шломо Хеллер считают, что источником аномальной гамма-вспышки GRB 060614, которая произошла в 2006 году, стала белая дыра.
Что же представляет собой белая дыра? По мнению некоторых теоретиков, белая дыра является противоположностью черной, то есть если из последней ничто не может вырваться, то в белую дыру ничто не может попасть. Есть мнение, что белые дыры могут образовываться при выходе из-за горизонта событий вещества черной дыры, находящейся в другом времени. В теории белые дыры спонтанно возникают посреди пустоты на краткий миг, чтобы взорваться, выбросив в нашу Вселенную вещество и излучение. Однако до сих пор не было никаких свидетельств, что такие объекты могут существовать.
Но недавно астрофизики из Пенсильванского государственного университета Алон Реттер и Шломо Хеллер заявили, что именно белая дыра стала источником аномальной гамма-вспышки GRB 060614 14 июня 2006 года на расстоянии около 1,6 миллиона лет от Земли в созвездии Индейца. Вспышку зафиксировало множество мощных телескопов, в том числе «Хаббл». Так как вспышка сопровождалась длительным световым эффектом, астрономы смогли точнее определить координаты объекта.
Гамма-вспышки, или гамма-всплески (ГВ), представляют собой масштабные космические энергетические выбросы взрывного характера, наблюдаемые в отдаленных галактиках в самой жесткой части электромагнитного спектра. Это самые яркие электромагнитные события, происходящие во Вселенной. Гамма-вспышка может длиться от миллисекунд до часа. Продолжительность типичной гамма-вспышки составляет несколько секунд. В данном случае вспышка длилась целых 102 секунды и должна была завершиться взрывом сверхновой. Но на ее месте ученые впоследствии вообще ничего не обнаружили. Поскольку, по мнению некоторых из них, механизм возникновения и последующий мгновенный распад белой дыры сходен чем-то с Большим взрывом, создавшим саму Вселенную, гамма-вспышка GRB 060614 могла быть его копией, но только многократно уменьшенной. Авторы работы назвали это событие Малый взрыв (Small Bang).
Ничего необычного в этом нет, аналогичная ситуация имеет место и в теории тяготения Ньютона. Допустим, что вокруг Солнца по эллиптической орбите движется комета. Если изменить направление времени, то комета все равно будет двигаться по той же эллиптической орбите; изменится, правда, направление ее движения, однако характер его останется прежним: комета будет ускоряться, приближаясь к Солнцу, и замедляться, удаляясь от него. Подобным же образом абсолютно упругий мяч будет падать из вашей руки на пол и отскакивать обратно, если направление времени сменится на противоположное.
Зная, что решения уравнений общей теории относительности симметричны относительно времени и что черные дыры образуются в результате гравитационного коллапса некой массы вещества в скрытую за горизонтом событий сингулярность, которая существует бесконечно долго (если не принимать во внимание квантовые эффекты, о которых речь пойдет в дальнейшем), нельзя ли предположить существование дыр с обращенным временем, т. е. процесса коллапса с обратным ходом развития событий? Если бы такие процессы происходили во Вселенной, то в некоторой ее области вдруг обнаружил ся бы источник, выбрасывающий вещество,— белая дыра. Она должна была бы содержать сингулярность, существовавшую с момента начала отсчета времени во Вселенной, и в какой-то случайный, непредсказуемый момент из этой сингулярности вдруг начало бы истекать вещество. Действительно, как после завершения формирования черной дыры на нее могут падать частицы, так, вероятно, они могут и вылетать из белой дыры, прежде чем она, взорвавшись в процессе обратного коллапса, превратится в облако из пыли и газа. Поскольку частицы и излучение могут вылетать из центральной сингулярности белой дыры, следовательно, эта сингулярность должна быть голой.
1 Само по себе понятие “течение времени”, конечно, весьма условно; однако неоспорим тот факт, что мы воспринимаем время как равномерно текущий в одном направлении поток.
Возможность существования белых дыр серьезно обсуждалась в течение некоторого времени. По мнению ряда ученых, гипотеза белых дыр могла бы помочь объяснить феномен “взрывающихся галактик” и другие космические явления, сопровождающиеся большим выделением энергии, например квазары, из которых, возможно, происходит истечение вещества в нашу Вселенную. На основании подобных представлений были найдены потенциально возможные решения, описывающие поведение таких необычных объектов. В 1964 г. советский астрофизик И. Д. Новиков высказал предположение, что белые дыры могли бы появиться вследствие процессов, сопутствовавших Большому взрыву, в котором, согласно теоретическим представлениям, из сверхплотно сжатого вещества—начальной космологической сингулярности— возникла наша Вселенная. Новиков рассуждал следующим образом: если некоторые области пространства-времени в момент Большого взрыва не приняли участия в немедленном процессе всеобщего расширения, то эти области, или “задержавшиеся ядра”, могут взорваться на более поздней стадии эволюции Вселенной, создав белые дыры.
Взглянув на диаграмму Пенроуза для вращающейся черной дыры, мы увидим еще одну возможность интерпретации белых дыр: если в других вселенных происходит коллапс вещества в черную дыру прошлого, то результатом этого может быть возникновение белой дыры в нашей Вселенной. Другими словами, “чью-то чужую” коллапсиру-ющую звезду мы могли бы наблюдать как белую дыру. Следует отметить, что все представления о черных и белых дырах и о множественности миров, с которыми мы не можем поддерживать контактов иначе, как только с помощью дыр в пространстве-времени, основываются на нашем глубоком ощущении необходимости существования пространственно-временных симметрии.
В действительности черные и белые дыры не единственно возможные экзотические объекты, предсказываемые те орией. Обсуждалась также возможность существования так -называемых “серых дыр”, вещество которых, выплескиваясь, как в белых дырах, за горизонт событий, почти тотчас же начинает быстро сжиматься в процессе гравитационного коллапса.
Могут ли белые (или серые) дыры существовать реально? Мы уже говорили, что, по мнению большинства специалистов, представления о пространственно-временных мостах во вращающихся и заряженных черных дырах слишком идеализированы и что такие мосты вряд ли в природе есть. Наиболее вероятно, что в черных дырах сингулярность, поглощающая вещество, пространственноподобна, и тогда нет оснований говорить о белых дырах, порождаемых коллапсом звезд в других вселенных (или в других областях одного и того же пространства-времени).
Что же касается так называемых “задержавшихся ядер”, то и для них условия образования весьма неблагоприятны. Как показал в 1974 г. Д. Эрдли, поскольку вблизи черной дыры излучение испытывает сильное красное смещение, то в окрестностях белой дыры оно должно претерпевать интенсивное фиолетовое смещение; на ранней стадии развития Вселенной, когда вещество и излучение были сжаты до сверхвысоких плотностей в малом объеме, вокруг потенциальной белой дыры должны были концентрироваться мощные сгустки высокоэнергетического излучения с сильным фиолетовым смещением. Заключенная в малых объемах масса-энергия должна быть столь велика, что вокруг зарождающейся белой дыры непременно сформировалась бы черная дыра, которая навсегда скрыла бы ее под своим горизонтом событий. И только в том случае, как показали К. Лэйк из университета г. Торонто и другие авторы, если “задержавшиеся ядра” начнут расширяться сразу же после Большого взрыва вместе со Вселенной, они могут стать настоящими белыми дырами.
Лэйк рассмотрел три возможности: некоторые белые дыры, вновь коллапсируя, превращаются в черные дыры; часть белых дыр расширяется далеко за пределы сферы Шварцшильда, и сегодня мы не можем уже считать их белыми дырами; наконец, случай, когда некоторые локальные неоднородности, возникшие в процессе Большого взрыва, не перешли границу шварцшильдовского радиуса и все время оставались наблюдаемыми космическими объектами. В принципе белая дыра может испускать излучение, но, согласно расчетам Лэйка, для дыр третьего типа такое излучение должно испытывать сильнейшее красное смещение, вследствие чего эти источники должны иметь вид тусклых красноватых точек, а не эффектных катастрофических взрывов.
По мнению Хокинга, если белые дыры и существуют, то они неотличимы от черных дыр, а некоторые другие ученые, в том числе и Пенроуз, считают, что белые дыры вообще невозможны. Ведь они нарушают принцип космической цензуры, поскольку их сингулярность, по крайней мере в принципе, можно наблюдать. Следует, однако, заметить, что космическая цензура не есть твердо установленный закон природы, это всего лишь некий принцип, который теоретики придумали, чтобы облегчить свою жизнь, и теперь пытаются применять где только можно. Пенроуз отметил еще один интересный момент: причиной появления гипотезы белых дыр, по его мнению, следует считать только стремление сохранить симметрию времени (т. е. утверждение, что фундаментальные законы природы должны выполняться при обращении времени). Но поскольку для такой крупномасштабной физической системы, как наша Вселенная (и для всех крупномасштабных процессов — от зарождения и развития жизни до эволюции самой Вселенной), такая симметрия явно не выполняется, то нет и необходимости предполагать существование столь “нежелательных” объектов, как белые дыры.
Хотя подобная аргументация, разумеется, не бесспорна, тем не менее белых дыр в природе, по-видимому, нет. Если же они все-таки существуют, то в лучшем случае это слабые, едва видимые объекты, а в худшем — они ничем не отличаются от черных дыр. Маловероятно, что белые дыры представляют собой яркие, эффектные источники вещества и энергии, с помощью которых нам удалось бы объяснить загадку гигантской светимости квазаров или, как предлагают некоторые авторы, определенных типов сверхновых звезд.
В этой главе мы преимущественно рассматривали различные теоретические предположения и их последующие опровержения, что в известной степени отражает ход развития физической мысли в последние годы. Существование самих черных дыр, однако, практически не вызывает сомнений. Оно непосредственно следует из самой совершенной из современных теорий тяготения — общей теории относительности и большинства соперничающих с ней теорий. Даже теория тяготения Ньютона предсказывает существование объектов, подобных черным дырам. Теория эволюции звезд не предполагает наличия сил, могущих предотвратить катастрофу гравитационного коллапса звезды с массой слишком большой, чтобы звезда в конце своей жизни могла стать белым карликом или нейтронной звездой. Если даже и существуют силы (пока неизвестные нам), способные воспрепятствовать гравитационному коллапсу вещества в сингулярность, то они все равно не смогут предотвратить формирование горизонта событий и, следовательно, возникновение такой области пространства, которую мы называем черной дырой. Как мы видели, черная дыра может образовываться из вещества с удивительно малой плотностью, если самого вещества окажется в избытке.
Такая возможность как будто доказана.
Гамма-вспышка GRB 060614 была белой дырой
Двое астрофизиков из Пенсильванского государственного университета Алон Реттер и Шломо Хеллер считают, что источником аномальной гамма-вспышки GRB 060614, которая произошла в 2006 году, стала белая дыра.
Гамма-вспышка GRB 060614. Фото NASA/Swift Team.
Что же представляет собой белая дыра? По мнению некоторых теоретиков, белая дыра является противоположностью черной, то есть если из последней ничто не может вырваться, то в белую дыру ничто не может попасть. Есть мнение, что белые дыры могут образовываться при выходе из-за горизонта событий вещества черной дыры, находящейся в другом времени. В теории белые дыры спонтанно возникают посреди пустоты на краткий миг, чтобы взорваться, выбросив в нашу Вселенную вещество и излучение. Однако до сих пор не было никаких свидетельств, что такие объекты могут существовать.
Но недавно астрофизики из Пенсильванского государственного университета Алон Реттер и Шломо Хеллер заявили, что именно белая дыра стала источником аномальной гамма-вспышки GRB 060614 14 июня 2006 года на расстоянии около 1,6 миллиона лет от Земли в созвездии Индейца. Вспышку зафиксировало множество мощных телескопов, в том числе «Хаббл». Так как вспышка сопровождалась длительным световым эффектом, астрономы смогли точнее определить координаты объекта.
Гамма-вспышки, или гамма-всплески (ГВ), представляют собой масштабные космические энергетические выбросы взрывного характера, наблюдаемые в отдаленных галактиках в самой жесткой части электромагнитного спектра. Это самые яркие электромагнитные события, происходящие во Вселенной. Гамма-вспышка может длиться от миллисекунд до часа. Продолжительность типичной гамма-вспышки составляет несколько секунд. В данном случае вспышка длилась целых 102 секунды и должна была завершиться взрывом сверхновой. Но на ее месте ученые впоследствии вообще ничего не обнаружили. Поскольку, по мнению некоторых из них, механизм возникновения и последующий мгновенный распад белой дыры сходен чем-то с Большим взрывом, создавшим саму Вселенную, гамма-вспышка GRB 060614 могла быть его копией, но только многократно уменьшенной. Авторы работы назвали это событие Малый взрыв (Small Bang).
Комментарии6
