Что такое горизонт событий черной дыры простыми. Горизонт событий и истинная сингулярность. Разный взгляд на пустоту
Гравитация [От хрустальных сфер до кротовых нор] Петров Александр Николаевич
Горизонт событий и истинная сингулярность
Нулевая частота означает, что нет никакого сигнала вообще! Из-под сферы радиуса r g световые сигналы не выходят, гравитационные силы не дают им вырваться во внешнюю окрестность. То есть, действительно, это сфера, где вторая космическая скорость становится равной скорости света. Поэтому из-под сферы радиуса r g невозможно распространение наружу никакой формы материи. Таким образом, эта сфера оказывается барьером, за который внешний наблюдатель не в состоянии заглянуть. Именно поэтому она получила удачное название горизонта событий , а сам объект стали называть черной дырой .
Термин черная дыра подсказал известному американскому физику-теоретику Джону Уилеру (1911–2008) один из студентов на конференции в 1967 году. Но еще ранее, в 1964 году, его использовала Анна Ивинг в докладе на собрании Американской ассоциации содействия науке.
До сих пор мы рассматривали фиксированные точки пространства и наблюдателей, связанных с ними. Теперь давайте проследим за свободно падающим телом. Пусть падение начинается из состояния покоя из удаленной области, где почти нет искривления, откуда мы будем отслеживать его траекторию. В восприятии удаленного наблюдателя история падения будет следующей. Сначала движение не будет вызывать удивления. Скорость будет нарастать медленно, затем все быстрее и быстрее, вполне соответствуя закону всемирного тяготения. Затем, на расстояниях от центра, сравнимых с гравитационным радиусом, нарастание скорости падения станет катастрофическим. Здесь мы тоже не очень удивимся, мы объясним это тем, что из зоны соответствия с гравитацией Ньютона объект попал в зону сильных искривлений. А на расстояниях долей гравитационного радиуса от горизонта событий он, к нашему изумлению, начнет резко тормозить и все медленней приближаться к горизонту событий, а в результате, никогда его не достигнет. Но здесь тоже нечего удивляться, недавно мы установили, что для удаленного наблюдателя все процессы при приближении к горизонту событий замирают, падение тела – не исключение.
Эффект того, что из-под горизонта событий ничего не выходит наружу, мы объяснили наличием чрезвычайно сильного гравитационного воздействия. Этот ответ, конечно, правильный, поскольку ничего, кроме гравитации, не рассматривается. Однако он не конструктивный, так как не позволяет понять механизм тех явлений, о которых мы только что говорили. Нет никакого представления о том, что происходит под горизонтом, и происходит ли вообще что-то. С другой стороны, мы договорились, что в эйнштейновской теории гравитационных сил, как таковых, нет вообще. Есть искривление пространства-времени. Поэтому, давайте, шаг за шагом перейдем к описанию в рамках геометрической теории.
Мы уже убедились, что в СТО использование светового конуса помогает понять многие явления. В ОТО, в искривленном пространстве-времени, имеет больший смысл представлять его не на всей диаграмме, а в окрестности каждой мировой точки. Это будет локальный световой конус, образованный касательными к световым геодезическим в данной точке. Уравнение светового конуса имеет простой вид – интервал приравнивается нулю: ds = 0.
На рис. 8.2 схематически изображены световые конусы для геометрии Шварцшильда. Предполагая, что движения происходят по радиальным направлениям, диаграмма представлена в координатах r и t . Эти координаты для удаленного наблюдателя в его собственной системе отсчета определяют истинные расстояние и время. Поэтому картина физических явлений, представленная с помощью r и t, – это как раз та картина, которую будет воспринимать удаленный наблюдатель. На рисунке видно, что на значительном удалении «лепестки» конуса расположены под углом 45°, то есть так, как в плоском пространстве-времени. Вертикальные линии соответствуют тем самым зафиксированным (неподвижным) наблюдателям, о которых мы говорили недавно. По мере приближения к черной дыре конус становится все уже, на горизонте он «слипается» и превращается в одну вертикальную линию. Вертикальная линия для удаленного наблюдателя означает, что свет «остановился», его скорость стала «нулевой». Это и означает, что на горизонте все явления замораживаются. Расчет нулевой геодезической показывает, что для удаленного наблюдателя свет никогда не достигнет горизонта.
Рис. 8.2. Пространство-время геометрии Шварцшильда в координатах удаленного наблюдателя
Частично такое поведение световых конусов связано с эффектом замедления времени при приближении к гравитирующему центру. Однако, полностью его форма, как мы уже говорили, определяется условием ds = 0, как раз оно определяет «видимую» скорость света для удаленного наблюдателя: v c = c (1 – r g /r ). На значительном удалении от центра скорость близка к c , по мере приближения к центру она уменьшается, а на горизонте, действительно, обращается в нуль. Это прямо связано с формой световых конусов на рис. 8.2. Скорость материальных частиц всегда меньше скорости света (мировая линия физической частицы, находится между створками светового конуса), поэтому их «видимые» предельные скорости тоже уменьшаются при продвижении к центру, и они тоже никогда не достигнут горизонта в координатах r и t . Этот вывод еще раз подтверждает наше описание свободного падения к горизонту с точки зрения удаленного наблюдателя.
Далее продолжим наш мысленный эксперимент , теперь «сожмем» все вещество сферического объекта не только до гравитационного радиуса, а вообще, до «точки» r = 0. То есть все пространство-время будем рассматривать как вакуумное. Формально мы имеем право это сделать, поскольку решение Шварцшильда как раз вакуумное. Обратимся к выражению для метрики. Мы уже отметили, что на горизонте коэффициент g 00 при c 2 dt 2 обращается в нуль, а коэффициент g 00 при dr 2 становится бесконечным. Мало того, есть особенность и в «точке» r = 0: здесь, наоборот, g становится равным «минус бесконечности», g 11 – равным нулю. Вспомним, что для «обычного» тела, о котором речь шла в начале параграфа, не возникло никаких особенностей. Далее мы обсудим смысл как особенности на горизонте , так и особенности в центре.
Начнем с горизонта. Вспомним, что в пространстве Минковского физические сущности пространства и времени остаются разными, несмотря на их релятивистский характер. Это проявляется в том, что временная и пространственная части входят в выражение для интервала с разными знаками: первая – со знаком «плюс», вторая – со знаком «минус». Это так и есть для решения Шварцшильда на удалении от горизонта (в «регулярной» области пространства). Временная часть, определяемая коэффициентом g 00 при c 2 dt 2 , действительно, положительна, а пространственная , определяемая коэффициентом g 11 при dr 2 , – отрицательна.
А что будет под горизонтом? Там ситуация изменилась: в выражении для интервала мы должны учесть r < r g , тогда коэффициент g 00 при c 2 dt 2 становится отрицательным , а коэффициент g 11 при dr 2 становится, наоборот, – положительным . А это, как только что мы
обсудили, означает, что под горизонтом координата t становится пространственной, а координата r – временной! Теперь, учитывая этот факт, построим световые конусы под горизонтом. Поскольку на диаграмме координаты r и t поменяли смысл, световые конусы как бы лягут на бок, с внутренней стороны на горизонте их створ равен 180°, затем приближаясь к центру r = 0, створ уменьшается. Как всегда, мировая линия реальной физической частицы должна быть внутри створа светового конуса. Наконец, при r = 0 лепестки конусов окончательно «слипаются», как показано на рис. 8.2. Расположение и форма световых конусов под горизонтом говорят о двух вещах. Первое, действительно, ни лучи света, ни какая материальная частица не могут покинуть горизонт и область под ним; второе, все частицы и свет, оказавшись под горизонтом, неминуемо достигнут начала координат при r = 0. Действительно, створ конуса всегда направлен к линии r = 0.
Мы видим, что под горизонтом нет препятствий для движения частиц, хотя и выглядит это несколько необычно. С другой стороны, сигналы извне не могут преодолеть горизонт. Происходит разрыв мировых линий световых лучей и падающих частиц. Самое время обсудить особенность на горизонте. Попытаемся понять, что на горизонте и в его окрестности происходит в реальности.
Придется вернуться к истокам ОТО и вспомнить, что основной характеристикой пространства-времени является его искривление (кривизна), которое определяется тензором кривизны Римана. Но вычисление компонент тензора Римана на горизонте и в его окрестности ничего необычного не обнаруживает. До горизонта, на горизонте и под ним кривизна не испытывает никаких разрывов, ведет себя вполне плавно, постепенно увеличиваясь по мере приближения к центру. Дело в том, что координаты удаленного наблюдателя (а это координаты плоского пространства-времени), в которых и записано решение Шварцшильда, не вполне годятся для описания явлений в окрестности горизонта. Это значит, что нужно найти координаты, которые не имели бы этого дефекта.
Вспомним, что истинное время каждого наблюдателя для него самого всегда имеет одно и то же течение, в том числе и совсем близко к горизонту. А возможно, и на горизонте, почему нет? Поэтому в искомых координатах можно использовать собственное время свободно падающих (сопутствующих) наблюдателей как новую временную координату. Такие координаты для решения Шварцшильда, свободные от дефектов на горизонте, предложил в 1938 году бельгийский астроном и математик Жорж Леметр (1894–1966). В его сопутствующей системе отсчета мировые линии частиц и световых лучей перестают испытывать разрыв на горизонте – они его свободно пересекают. Диаграмма в координатах Леметра обсуждается в Дополнении 5.
Что же испытают наблюдатели, минуя горизонт? Все зависит от кривизны этого горизонта. Если черная дыра огромная, то локально горизонт довольно плоский, и наблюдатель никак не отреагирует на его пересечение. Если уменьшать черную дыру, то в определенный момент наблюдатель начнет ощущать действие приливных сил. Его начнет «растягивать» по радиусу и «обжимать» с боков. Но эти явления могут начаться и до достижения горизонта, они с ним не связаны. Ключевым моментом является следующее. Оказавшись под горизонтом, наблюдатель имеет возможность получить сигнал из внешнего мира, но не имеет возможности послать сигнал наружу.
Наконец, обсудим особенность в «центре» r = 0. Пока мы получили ее, проводя мысленный эксперимент. А может ли такая особенность образоваться в реальности? Снова вернемся к примеру с «обычным» телом, который обсуждался в начале этой главы. Такой объект описывается внутренним решением, которое статично, не имеет особенностей и «сшивается» с внешним решением Шварцшильда. Внутреннее решение получено с учетом уравнения состояния вещества тела. В этом случае уравнение состояния определяет такое давление, что оно противостоит гравитационному сжатию. Именно поэтому объект статичен. Всегда ли это возможно? Забегая вперед, где эта проблема обсуждается, скажем: нет, не всегда. Если масса тела равна или превышает пять солнечных масс, то не существует такого состояния вещества, чтобы его давление могло противостоять гравитационному сжатию. Что произойдет, если тело такой массы образуется, как остаток погибшей звезды? Ясно – тело начнет сжиматься. Давайте проследим за этим сжатием, только не издалека (мы убедились, что удаленный наблюдатель для этого не годится), а с помощью наблюдателя, посаженного на поверхность этого тела. Сначала наблюдатель вместе с остатком звезды достигнет горизонта. До этого он имеет принципиальную возможность спастись на сверхмощной ракете, покинув злополучный коллапсар. Но сравнявшись с горизонтом, он неминуемо вместе с остатком звезды «свалится» в центр. Фатальное слово «неминуемо» вполне научно обосновано, расположение световых конусов под горизонтом говорит об этом однозначно.
Итак, действительно, все может свалиться в «центр» r = 0. Но можно ли сказать, что в результате образуется особенность, именно, в «точке». Строго говоря, нет. Дело в том, что при таком сжатии плотность и давление вещества достигают величин, для которых известные законы физики уже не работают. Скорее всего, пространство и время перестают быть классическими, поэтому в непосредственной близости от центра, куда все свалилось, уже нельзя построить тех самых световых конусов. Так что разумнее говорить о сверхплотном образовании в центре, физика которого пока не изучена.
С этими оговорками обсудим, тем не менее, идеализированную точечную особенность. Снова, как в случае горизонта, посчитаем компоненты тензора кривизны. Но теперь, в отличие от горизонта, получим, что кривизна обращается в бесконечность . А это означает, что такая особенность не может быть «ликвидирована» с помощью перехода к другим координатам, как особенность на горизонте. Таким образом, для r = 0 имеем особенность, которую часто называют истинной сингулярностью . Далее, поскольку получается, что вся масса объекта сосредоточена в нулевом объеме, то и плотность вещества также обращается в бесконечность. Отметим, что прямая r = 0 на диаграмме рисунка 8.2 пересекает «лепестки» близких световых конусов. То есть по прямой r = 0 никакие сигналы не распространяются и частицы не движутся. Исходя из этого, на умозрительном уровне (без необходимой научной строгости) сингулярность r = 0 можно интерпретировать, как часть пространства с нулевым объемом, бесконечной плотностью и кривизной, на котором «заканчивается» течение времени.
Из книги Интерстеллар: наука за кадром автора Торн Кип СтивенХронология важнейших событий, упомянутых в книге VI в. до н.?э. Фалес, основоположник греческой философии и науки, выдвинул идею «первоэлемента» в основе всех явлений природы.V в. до н.?э. Пифагор установил связь между длиной струны и высотой тона.IV в. до н. э. Демокрит
Из книги Быть Хокингом автора Хокинг ДжейнГоризонт событий и искривление времени Когда вы слышите «черная дыра», то, скорее всего, думаете не об искривлении пространства, а о том, как черная дыра засасывает объекты (см. рис. 5.3). Рис. 5.3. Сигналы, которые я посылаю после пересечения горизонта событий, не могут
Из книги автора12. Горизонты событий Однажды темным ветреным вечером 14 февраля 1974 года я отвезла Стивена в Оксфорд на конференцию в Лабораторию Резерфорда на базе Научно-исследовательского центра по атомной энергии в Харуэлле. Мы остановились в Эбингтоне в Козенерс-хаус – старинном
Наши возможности физического и информационного взаимодействия с реальностью ограничиваются горизонтом событий. Но что подразумевается под этим понятием? Утверждается, что горизонт событий - это воображаемая граница в пространстве-времени, разделяющая те события (точки пространства-времени), которые можно соединить с событиями на светоподобной (изотропной) бесконечности светоподобными геодезическими линиями (траекториями световых лучей), и те события, которые так соединить нельзя.
Так как обычно светоподобных бесконечностей у данного пространства-времени две: относящаяся к прошлому и будущему, то и горизонтов событий может быть два: горизонт событий прошлого и горизонт событий будущего. Горизонт событий будущего существует для нас в нашей Вселенной, если верна современная космологическая модель.
Также упрощенно можно сказать, что горизонт событий прошлого разделяет события на те, на которые можно повлиять с бесконечности, и на которые нельзя; а горизонт событий будущего отделяет события, о которых можно что-либо узнать, хотя бы в бесконечно отдаленной перспективе, от событий о которых узнать ничего нельзя.
Физики-теоретики отмечают, что горизонт событий — понятие интегральное и нелокальное, так как в его определении участвует светоподобная бесконечность, то есть все бесконечно удалённые области пространства-времени.
В акустике также существует конечная скорость распространения взаимодействия - скорость звука, в силу чего математический аппарат и физические следствия акустики и теории относительности становятся аналогичными, а в сверхзвуковых потоках жидкости или газа, возникают аналоги горизонтов событий - акустические горизонты.
Существует также понятие горизонта событий отдельного наблюдателя. Он разделяет между собой события, которые можно соединить с мировой линией наблюдателя светоподобными (изотропными) геодезическими линиями, направленными соответственно в будущее - горизонт событий прошлого, и в прошлое - горизонт событий будущего и события, с которыми этого сделать нельзя. Однако, в четырехмерном пространстве Минковского каждый постоянно равномерно ускоренный наблюдатель имеет свои горизонты будущего и прошлого.
Но ведь на самом деле Вселенная многомерна и только способности нашего восприятия ограничиваются трехмерной реальностью. В рамках такого трехмерного восприятия реальности возможности нашего физического и информационного взаимодействия с ней как раз и будут ограничиваться горизонтом событий.
Однако, при "расширении" нашего восприятия, являющегося результатом развития сознания, будет значительно расширяться и горизонт событий, т.е. возможность физического и информационного взаимодействия с реальностью. Все это очень хорошо объясняет способность ясновидящих "проникать" на значительное удаление в прошлое и будущее во время измененных состояний сознания, в то время как в обыденном состоянии сознания эти способности весьма ограничены.
Четыре условные «зоны» в пространстве вокруг черной дыры: зеленая — безопасная, в желтой круговые орбиты начинают искажаться, в оранжевой начинается падение в черную дыру, а из красной уже нет спасения
Первая картинка: дыра еще далеко
Вторая картинка: к горизонту событий
Третья картинка: за горизонтом
Четвертая картинка: это конец
Зрелищное исследование , посвященное физике черных дыр, провели Эндрю Гамильтон (Andrew Hamilton) и Гэвин Полемус (Gavin Polhemus). Они не просто нарисовали воображаемую трехмерную модель событий, происходящих у самой границы черной дыры и дальше, в ее недрах, но создали настоящие картины релятивистской модели этого процесса. Итак, что же там, за горизонтом?
Но прежде стоит напомнить, что в случае черной дыры речь идет о горизонте событий . Упрощенно говоря, это воображаемая граница, до которой мы еще можем видеть события и хотя бы теоретически повлиять на них, но после которой материя начинает падать в черную дыру — и перейдя которую ничто, даже свет, уже не может вернуться обратно.
Черная дыра характеризуется всего тремя параметрами — массой, зарядом и спином. Они считаются едва ли не самыми «простыми» объектами, намного проще звезд или планет. Именно это и позволило создать впечатляющие картинки: для других тел подобные расчеты плка невозможны. И то — в работе ученые использовали простейший вид черной дыры, не имеющей ни заряда, ни спина. Геометрия окружающего пространства определяется только одним: массой сферической черной дыры.
В этом пространстве можно выделить четыре зоны (взгляните на иллюстрацию слева). Первая — еще вполне безопасная, в которой круговые орбиты других тел не нарушаются, и они могут оставаться там сколько угодно долго. Но представим, что мы направились дальше. Мы попадем во вторую зону, круговые орбиты здесь нестабильны, а затем и в третью, где притяжение черной дыры уже начинает засасывать в себя все подряд. Чтобы оставаться в этой зоне, придется постоянно держать включенными двигатели звездолета. Иначе нас ждет красная зона за горизонтом событий — отсюда уже ничто не выберется.
Но работа эта отнюдь не чисто «увеселительная», из нее ученые делают и вполне серьезные выводы. Такие вычисления помогают лучше понять, как действуют известные физические законы в недоступных недрах черных дыр, и как они меняются с переходом через горизонт событий.
А в остальном — приглашаем посмотреть картинки.
Картинка первая
Вверху : Если позади черной дыры находится яркий объект, свет от него будет сильно отклоняться из-за гравитационного линзирования, и нам из звездолета будет видно только светящееся кольцо. Внизу : У настоящей черной дыры координатной сетки, конечно, нет. Но если мы спроецируем ее на дыру на экране нашего звездолета, то увидим одновременно оба ее полюса — и все из-за того же линзирования.
Картинка вторая
Вверху : На расстоянии примерно в 1,5 раза большем радиуса дыры имеется фотонная сфера — область, в которой частицы света, теоретически, могут оставаться на постоянной круговой орбите. На практике, они там надолго не задерживаются. Внизу : Пересекая горизонт событий, можно ожидать, что мы пересечем пространственную сетку, которая визуально обозначает его. Но ничего подобного: горизонт словно разделяется на части, охватывая нас и сверху и снизу.
Картинка третья
Вверху : Принято думать, что с этого момента нас должна была бы окружать темнота. Но нет: звездное небо над нами остается, оно просто быстро сжимается, будто горизонт восстает все выше. Теперь нас не спасут никакие фантастические двигатели. Внизу : Теперь мы превращаемся в спагетти: нас невероятно растягивает вдоль вертикальной оси и сжимает вдоль горизонтальной. Это — проявление приливных сил , действующих на любой протяженный объект со стороны неоднородного гравитационного поля.
Картинка четвертая
Вверху : Все ближе к сингулярности в самом сердце черной дыры. Те же приливные силы заставляют всю остальную Вселенную выглядеть, как тонкая светящаяся полоса. Излучение над и под ней центральной полосой заметно смещается в красную сторону, а по сторонам — в синюю. Саму сингулярность увидеть невозможно никак: весь свет идет к ней, и ничто — от нее. Внизу : В центре черной дыры — точка сингулярности, где наши измерения бесконечно искривлены и где нет уже ничего, ни времени, ни пространства.
Как же это возможно?
Словосочетание Big Ваng, использованное Фредом Хойлом (Fred Ноуlе) в 1950 году во время его радиоинтервью на ВВС, было впоследствии переведено на русский именно как Большой взрыв (на самом деле словосочетанием «Большой взрыв» корректно переводить лишь Big Explosion). Так началась путаница, отсутствующая в английском языке. Слово Ваng не означает собственно «взрыв». Оно используется в комиксах для обозначения удара или взрыва. Это, скорее, нечто вроде «бабах» или «бум». Слово "взрыв" вызывает вполне конкретные ассоциации, поэтому в связи с Большим взрывом и возникают вопросы «что взорвалось?», «где?», «от чего?» и тому подобные. На самом деле Big Ваng совсем не похож на взрыв. Во-первых, взрыв обычно происходит в нашем привычном пространстве и связан с разницей в давлении. Как правило, эта разница обеспечивается колоссальным отличием в температуре. Ее повышение обеспечивается быстрым выделением большого количества энергии за счет какой-либо химической или ядерной реакции. Большой взрыв в отличие от обычного не связан с какой-либо разницей в давлении. Он привел в первую очередь к рождению самого пространства с веществом, а уже потом к расширению пространства и последующему разлету вещества. Нельзя указать и «точку», в которой он произошел. |
Часто даже профессионалы (физики, астрономы) на вопрос: «Можно ли наблюдать галактику, которая и в момент излучения ею света, и в момент приема ее сигнала на Земле удаляется от нас быстрее света?» - отвечают: «Конечно, нельзя!» Срабатывает интyиция, основанная на специальной теории относительности (СТО), которую один космолог метко назвал «тени СТО». Однако этот ответ неправильный. Оказывается, все-таки можно. В любой космологической модели скорость убегания линейно растет с расстоянием. Это связано с одним из важнейших принципов - однородностью Вселенной. Следовательно, существует такое расстояние, на котором скорость убегания достигает световой, а на больших расстояниях она становится сверхсветовой. Та воображаемая сфера, на которой скорость убегания равна световой, называется сферой Хаббла.
«Как же это возможно! - воскликнет читатель. - Неужели специальная теория относительности неверна?» Верна, но противоречия здесь нет. Сверхсветовые скорости - вполне реальны, когда речь идет не о переносе энергии или информации из одной точки пространства в другую. Например, солнечный зайчик может двигаться с любой скоростью, нужно только установить экран, по которому он бежит, подальше. СТО «запрещает» лишь передачу информации и энергии со сверхсветовой скоростью. А для переноса информации нужен сигнал, распространяющийся по пространству, - расширение самого пространства тут ни при чем. Так что в нашем примере про удаляющиеся галактики с теорией относительности все в полном порядке: со сверхсветовой скоростью они удаляются лишь от земного наблюдателя, а по отношению к окружающему пространству их скорость может вообще быть нулевой. Удивительно то, что мы можем увидеть галактики, улетающие от нас быстрее света. Это возможно потому, что скорость расширения Вселенной не была постоянной. Если в какой-то период она уменьшится и свет сможет «добежать» до нашей Галактики, то мы увидим сверхсветовой источник. Этот пример прекрасно иллюстрирует то, что судьба фотона зависит от того, как ведет себя Вселенная во время его движения па ней. Допустим, что в момент излучения фотона галактика - источник удалялась от нас быстрее света. Тогда, хотя фотон и был испущен в нашу сторону, двигаясь по растягивающейся координатной сетке, он будет удаляться от нас за счет раздувания Вселенной. Если темп расширения уменьшается, то вполне возможно, что в какой-то момент скорость убегания (в том месте, где в это время находится фотон) станет меньше скорости света. Тогда свет начнет приближаться к нам и в конце концов может достичь нас. Сам галактика-источник в момент «разворота» света удаляется от нас все еще быстрее света (потому что она гораздо дальше фотона, а скорость растет с расстоянием). В момент приема фотона ее скорость тоже может быть больше световой (то есть она будет находиться за сферой Хаббла), но это не помешает ее наблюдению.
Во Вселенной, заполненной веществом (такая Вселенная всегда pacширяется с замедлением), можно детально рассчитать все эти критические параметры. Если бы наш мир был таким, то галактики, для которых красное смещение больше 1,25, излучили принимаемый нами сейчас свет в тот момент, когда их скорость была больше скорости света. Современная сфера Хаббла для простейшей модели Вселенной, заполненной веществом (то есть без вклада темной энергии), имеет радиус, соответствующий красному смещению, равному 3. И все галактики с большим смещением начиная с момента излучения до нашего времени удаляются от нас быстрее света.
В космологии говорят о трех важных поверхностях: горизонте событий, горизонте частиц и сфере Хаббла. Две последние являются поверхностями в пространстве, а первая - в пространстве - времени. Со сферой Хаббла мы уже познакомились, поговорим теперь о горизонтах. Горизонт частиц отделяет наблюдаемые в настоящий момент объекты от ненаблюдаемых. Поскольку Вселенная имеет конечный возраст, то свет от далеких объектов просто еще не успел до нас дойти. Этот горизонт все время расширяется: время идет, и мы «дожидаемся» сигналов от все более и более далеких галактик. Горизонт частиц удаляется, он как бы убегает от нас со скоростью, которая может быть и больше скорости света. Благодаря этому мы видим все больше и больше галактик.
Заметим, что современное расстояние до «галактик на краю наблюдаемой Вселенной» нельзя определять как произведение скорости света на возраст Вселенной. В любой модели расширяющейся Вселенной это расстояние будет больше такого произведения. И это вполне понятно. Такое расстояние прошел сам свет, но Вселенная за это время успела расшириться, поэтому современное расстояние до галактики больше пути, пройденного светом, а в момент излучения это расстояние могло быть существенно меньше этого пути.
Источники на горизонте частиц имеют бесконечное красное смещение. Это самые древние фотоны, которые хотя бы теоретически можно сейчас «увидеть». Они были излучены практически в момент Большого взрыва. Тогда размер видимой сегодня части Вселенной был крайне мал, а значит, с тех пор все расстояния очень сильно выросли. Отсюда и возникает бесконечное красное смещение. Конечно, на самом деле мы не можем увидеть фотоны с самого горизонта частиц. Вселенная в годы своей молодости была непрозрачной для излучения. Поэтому фотоны с красным смещением больше 1 000 не наблюдаются. Если в будущем астрономы научатся регистрировать реликтовые нейтрино, то это позволит заглянуть в первые минуты жизни Вселенной, соответствующие красному смещению - Зх10 7 . Еще большего прогресса можно будет достичь при детектировании реликтовых гравитационных волн, добравшись до «планковских времен» (10 43 секунд с начала взрыва). С их помощью можно будет заглянуть в прошлое настолько далеко, насколько это в принципе возможно с помощью известных на сегодня законов природы. Вблизи начального момента большого взрыва общая теория относительности уже неприменима.
Горизонт событий - это поверхность в пространстве - времени. Такой горизонт возникает не во всякой космологической модели. Например, в описанной выше замедляющейся Вселенной горизонта событий нет - любое событие из жизни удаленных галактик можно увидеть, если достаточно долго подождать. Смысл введения этого горизонта в том, что он отделяет события, которые могут повлиять на нас хотя бы в будущем, от тех, которые никак повлиять на нас не смогут. Если даже световой сигнал о событии не доходит до нас, то и само событие не может оказать на нас влияние. Можно представить себе это как межгалактическую трансляцию футбольного матча, происходящего в далекой галактике, сигнал которой мы никогда не получим. Почему такое возможно? Причин может быть несколько. Самая простая - модель с «концом света». Если будущее ограничено во времени, то ясно, что свет от каких-то далеких галактик дойти до нас просто не сумеет. Большинство современных моделей такой возможности не предусматривают. Есть, правда, версия грядущего Большого разрыва (Big Rip), но она не очень популярна в научных кругах. Зато есть другой вариант - расширение с ускорением. В таком случае некоторые нелюбители футбола попросту «убегут от света»: для них скорость расширения будет сверхсветовой.
Говоря о «большой Вселенной», часто полагают, что вещество равномерно распределено в пространстве. В первом приближении это верно. Однако не стоит забывать и о таких «возмущениях», как галактики и их скопления. Они образуются из первичных флуктуаций плотности. Если в равномерно распределенном веществе возникает шар с чуть большей плотностью, то, не учитывая эффектов, связанных с температурой, можно сказать, что шар начнет сжиматься, а плотность вещества - расти. В простейшей модели расширяющейся Вселенной, в которой вклад темной энергии равен нулю, ничего принципиально не изменяется. Любое возмущение плотности в такой пылевой Вселенной (для реального газа, а не пыли нужно, чтобы масса возмущения превзошла некоторую критическую величину - так называемую массу Джинса) приведет к тому, что вещество «выпадет» из расширения Вселенной и образует связанный объект. Если же вклад темной энергии не нулевой, то флуктуации плотности с самого начала должны иметь величину больше некоторой критической, иначе контраст плотности не успеет возрасти до нужного значения, и вещество не "выпадет" из Хаббловского потока. Подобно тому, как энергия фотона уменьшается за счет расширения, кинетическая энергия частичек пыли также будет уменьшаться со временем по мере расширения Вселенной. Из-за этого, пока флуктуация не отделилась полностью от общего расширения Вселенной, процесс «схлопывания» возмущения будет идти медленнее, чем без учета расширения. Вместо экспоненциального роста плотности будет наблюдаться степенной ее рост. Как только контраст плотности достигнет некоторого критического значения, флуктуация как бы «забудет» про расширение Вселенной.
Причуды черной королевы
Получается, что расширяющаяся Вселенная в чем-то похожа на страну Черной королевы, в которую
попала Алиса в сказке Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье». Там, чтобы устоять на месте, нужно было очень быстро бежать.
Допустим, что имеется галактика, обладающая большой собственной скоростью, направленной на нас. В этом случае в ее полное
спектральное смещение будут вносить вклад два эффекта: космологическое красное расширение и синее смещение из-за эффекта
Доплера за счет ее собственной скорости. Первый вопрос такой: как будет изменяться расстояние до галактики с нулевым
смещением спектра? Ответ: галактика будет от нас удаляться. Второй вопрос: представим себе галактику, расстояние до которой
не изменяется из-за того, что ее собственная скорость полностью скомпенсировала эффект расширения (это как раз похоже на
Алису, бегущую по стране Черной королевы). Галактика перемещается по нашей нарисованной координатной сетке с такой же
скоростью, с какой сетка раздувается. Каким будет смещение спектра такой галактики? Ответ: смещение будет синим. То есть
линии в спектре такой галактики будут смещены в сторону более коротких волн.
Столь неожиданное поведение спектра излучения обусловлено тем, что здесь имеют место два
физических эффекта, описывающихся разными формулами. Для источника, находившегося на сфере Хаббла, в момент излучения в
простейшей модели замедляющейся Вселенной красное смещение равно 1,25, а скорость убегания равна скорости света. Значит,
чтобы оставаться на неизменном расстоянии от нас, источник должен иметь собственную скорость, равную скорости света. А к
собственным (пекулярным) скоростям надо применять формулу для релятивистского эффекта Доплера, которая для скорости
 |
Гравитационное линзирование на скоплении гала-ктик. Основной вклад в массу скопления вносит загадочное темное вещество. Галактики, находящиеся за сферой Хаббла, удаляются быстрее света. |
Причуды черной королевы |
Сегодня космология считается точной наукой, и измерение метрики пространства производится с помощью лазерных интерферометров и сверх-проводящих гироскопов. |
 |
Конечно, галактики не могут иметь околосветовые собственные скорости. Зато некоторые квазары и галактики с активными ядрами порождают джеты - струи вещества, бьющие на расстояния в миллионы световых лет. Скорость вещества в такой струе может быть близка к скорости света. Если струя направлена на нас, то за счет эффекта Доплера мы можем увидеть синее смещение. Кроме того, вещество должно вроде как приближаться к нам. Однако в свете того, что было написано выше, второй вывод не столь очевиден. Если источник находится достаточно далеко, то космологическое расширение все равно «унесет» вещество от нас, даже если его скорость очень близка к световой и струя видна нам «посиневшей». Только в космологии возникаеттакая абсурдная на первый взгляд ситуация, когда удаляющийся от нас объект имеет синее смещение. Например, квазар GB1508+5714, имеющий красное смещение 4,3, удаляется от нас в 1,13 раза быстрее света. Значит, вещество его джета, двигающееся в нашу сторону с большой собственной скоростью, удаляется от нас, так как скорость частиц не может превосходить скорость света.
Недавнее открытие того факта, что Вселенная сейчас расширяется с ускорением, буквально взбудоражило космологов. Причин такого необычного поведения нашего мира может быть две: либо основным «наполнителем» нашей Вселенной является не обычное вещество, а неведомая материя с необычными свойствами (так называемая темная энергия), либо (еще страшнее подумать!) нужно изменять уравнения общей теории относительности. Да еще почему-то человечеству довелось жить в тот краткий по космологическим масштабам период, когда замедленное расширение только-только сменилось ускоренным. Все эти вопросы еще очень далеки от своего разрешения, но уже сегодня можно обсудить то, как ускоренное расширение (если оно будет продолжаться вечно) изменит нашу Вселенную и создаст горизонт событий. Оказывается, что жизнь далеких галактик, начиная с того момента, как они наберут достаточно большую скорость убегания, для нас остановится и их будущее станет нам неизвестно - свет от целого ряда событий просто никогда до нас не дойдет. Со временем, в достаточно далеком будущем, все галактики, не входящие в наше локальное сверхскопление размером 100 мегапарсек, скроются за горизонтом событий: все ускоряющееся расширение «утянет» туда соответстеующие им точки на координатной сетке.
Тут, кстати, хорошо видна разница между горизонтом частиц и горизонтом событий. Те галактики, что были под горизонтом частиц, так под ним и останутся, свет от них будет продолжать доходить. Но чем ближе становится скорость галактики к скорости света, тем больше времени нужно свету, чтобы дойти до нас, и все события в такой галактике покажутся нам растянутыми во времени. Условно говоря, если в такую галактику поместить часы, которые к моменту ее ухода за горизонт событий должны показывать 12 часов дня, то земным наблюдателям будет виден бесконечно замедляющийся ход этих часов. Сколько бы мы ни смотрели (теоретически такая галактика «с часами» никогда не исчезнет с нашего небосклона), мы никогда не увидим стрелки часов ровно на «двенадцати» - последний оборот она будет совершать бесконечно долго по нашим собственным часам. Подождав длительное время, мы увидим то, что происходило в галактике (по ее часам) в 11 ч 59 м, в 11 ч 59 м 59 с итак далее. Но то, что произошло на ней после «полудня», останется скрытым от нас навсегда. Это очень похоже на наблюдение за часами, падающими в черную дыру.
Аналогично, возможно, рассуждает и наблюдатель в этой далекой галактике. Он сейчас видит нашу галактику в ее прошлом, но с какого-то момента времени наша история станет недостyпной для него, поскольку наши сигналы перестанут доходить до этой галактики. Забавно, что для общепринятого набора космологических параметров такие галактики находятся в общем-то недалеко. Их красное смещение должно быть более 1,8. То есть они могут находиться даже внутри сферы Хаббла, но послать им весточку человечество уже опоздало.
Вот такие парадоксальные с точки зрения здравого смысла явления происходят в нашей Вселенной. Их необычность связана с тем, что привычные понятия скорости, расстояния и времени в космологии приобретают несколько иной смысл. К сожалению, пока ученые не пришли к какому-то общему мнению о том, какой жизнью живет наша Вселенная и что с ней в принципе может случиться. Ведь даже специалистам расширение границ здравого смысла дается очень непросто.
Сергей Попов, Алексей Топоренский
Альбёрт Эйнштейн в свое время сказал: «Здравый смысл - это предрассудки, усвоенные человеком в возрасте до 18 лет». Он жил в эпоху формирования нового взгляда на физический мир и имел немало оснований для недоверия обычным представлениям о свойствах предметов. Целых три новых мира развернулись перед учеными в начале ХХ века: квантовые явления, специальная и общая теории относительности. У нас нет бытовой интуиции, позволяющей ощутить специфику явлений, происходящих в этих мирах. Здравый смысл, основанный на наших непосредственных ощущениях, позволяет нам понять только законы ньютоновской механики, а она в микро-, мега- и двигающихся с околосветовой скоростью мирах неприменима. На помощь приходят рукотворные приборы, расширяющие возможности человеческого восприятия. Ускорители и телескопы, лазеры и микроскопы, компьютеры и человеческий ум позволяют сделать явления, недоступные нам, понятными и логичными. Только вот логика и законы, открывшиеся ученым при исследовании глубин мироздания, оказались совсем не такими, к каким мы привыкли. |
Понятие «горизонт событий» - это граница, после пересечения которой даже свет не может вырваться за пределы черной дыры, он считается основной характеристикой данного космического объекта. Однако, мысль о том, что существует некий объект, гравитация которого не позволяет сбежать ни одной частице, несовместима с современной квантовой физикой.
В классической теории из черной дыры нет выхода, однако 2 года назад физик-теоретик Джо Полчински и его коллеги провели мысленный эксперимент, в ходе которого возник так называемый парадокс огненной стены или парадокс файрвола (firewall paradox).
В мысленном эксперименте исследователи представили, что случилось бы с космонавтом, который упал в черную дыру. Классическая теория рисует следующую картину: космонавт незаметно для себя пересекает горизонт событий, не подозревая о своей обреченности и невозможности вернуться. При этом космонавт находится в состоянии свободного падения и не испытывает перегрузок. Однако, по мере приближения к центру черной дыры, космонавта, как спагетти продавливает невероятная гравитация сверхмассивной сингулярности (бесконечно плотное ядро черной дыры). К счастью, страшную гибель космонавта никто не сможет увидеть – после пересечения горизонта событий, для внешнего наблюдателя он просто исчезнет в черной дыре, хотя сам космонавт не заметит перехода границы и продолжит полет к сингулярности.
Однако, более детальный анализ, проведенный командой Полчински, привел ученых к поразительному выводу. Оказывается, законы квантовой механики, которые управляют частицами в малых масштабах, могут полностью изменить ситуацию с полетом космонавтов. Квантовая теория превращает горизонт событий в весьма энергичную область – тот самый файрвол или стену огня. Файрвол сожжет космонавта дотла задолго до приближения к сингулярности.
Парадокс файрвола вызвал панику среди физиков, ведь опираясь на квантовую физику, он оспаривает общую теорию относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, космонавт в свободном падении должен подчинятся законам физики, идентичным во всей Вселенной, то есть и возле черной дыры, и в пустом межгалактическом пространстве. Согласно теории Эйнштейна, горизонт событий должен быть ничем не примечательным местом, но никак не «огненной стеной».
Стивен Хокинг предлагает третий, соблазнительно простой, вариант, при котором вантовая механика и общая теория относительности остаются нетронутыми. Суть его идеи в том, что черные дыры просто не имеют горизонта событий и стены огня, поскольку квантовые эффекты вокруг черной дыры вызывают слишком сильные колебания пространства-времени. В результате вблизи черной дыры не могут существовать какие-либо резкие границы: будь-то горизонт событий или файервол.
Согласно новой теории Хокинга, при определенных условиях, сокращение видимого горизонта черной дыры может привести к тому, что она освободит всю захваченную ею материю и энергию
На месте горизонта событий, согласно теории Хокинга, существует размытая граница, некий видимый или мнимый горизонт. Это размытая граница, на которой лучи света, убегающие от черной дыры, начинают замедляться. В общей теории относительности свет пытается вырваться из черной дыры, но застревает на границе горизонта событий, где гравитация достаточно сильна, чтобы тормозить фотоны. Поэтому в теории относительности видимый горизонт и горизонт событий не выделяются в два отдельных явления. Тем не менее, Хокинг полагает, что эти два горизонта можно выделить. Например, если черная дыра поглотит большое количество материи, ее горизонт событий будет расти больше, чем видимый горизонт.
С другой стороны, черные дыры могут постепенно сокращаться, извергая так называемое излучение Хокинга. В этом случае, горизонт событий, теоретически, становится меньше видимого горизонта.
Новое предложение Хокинга не оспаривает тот факт, что горизонт событий существует. Ведь его отсутствие означает, что черных дыр вообще нет, ведь материя и информация может спокойно их покидать.
Тем не менее, новая теория Хокинга вызывает ряд вопросов. Прежде всего, получается, что черная дыра все же может «отпустить» материю и энергию, хоть и в искаженном виде. Так, например, в случае сокращения видимого горизонта до определенного малого размера, где эффекты квантовой механики и гравитации объединятся, черная дыра может исчезнуть. В этот момент, вся материя и энергия, накопленная черной дырой, освободятся, хотя и не в той форме, в какой они были захвачены. Также, под сомнением и существование сингулярности в центре черной дыры. Если Хокинг прав, материя внутри черной дыры лишь находится на «временном хранении» в видимом горизонте: она будет медленно двигаться внутрь черной дыры под воздействием гравитации, но никогда не будет сжата в бесконечно плотную сингулярность. При этом сохранится принцип горизонта событий: даже если информация о поглощенных черной дырой объектах вырвется за ее пределы через излучение Хокинга, она будет в совершенно ином виде и восстановить облик этих объектов будет невозможно.
Теория Хокинга – это попытка объединить противоречия квантовой и классической физики. Однако это будет не так просто. По словам самого Стивена Хокинга, в классической теории из черной дыры нет исхода, но квантовая теория позволяет энергии и информации выйти из черной дыры. Физик признает, что для полного объяснения процессов, протекающих в черной дыре, потребуется объединить гравитацию с другими фундаментальными силами природы, а эта задача остается нерешенной уже почти столетие.
