|
Идеи и технологииКонстантин Злосчастьев о чёрных дырах (27.01.2007, 14:44), просмотров: 6073В наше время трудно найти человека, который не слышал о чёрных дырах (ЧД). Вместе с тем, пожалуй, не менее трудно отыскать того, кто смог бы объяснить, что это такое.
Впрочем, для специалистов ЧД давно уже перестали быть фантастикой – астрономические наблюдения давно доказали существование как "малых" ЧД (с массой порядка массы Солнца), которые образовались в результате гравитационного сжатия звёзд, так и сверхмассивных (до 109 масс Солнца), которые явились результатом коллапса целых звёздных скоплений в центрах многих галактик, включая нашу. Также в настоящее время идет поиск микроскопических ЧД в потоках космических лучей сверхвысоких энергий, и даже предполагается "наладить производство" на Большом адронном коллайдере (LHC), который планируется ввести в строй в 2007 году в Европейском центре ядерных исследований (CERN).
Однако подлинная значимость ЧД, их "предназначение" во Вселенной простираются далеко за рамки астрономии или физики элементарных частиц. При изучении ЧД учёные глубоко продвинулись в научном понимании прежде сугубо философских вопросов – таких как "что есть пространство и время", "существуют ли границы познания Природы", "какова связь между материей и информацией".
Настоящий обзор [1] является попыткой осветить наиболее важное по этой теме.
1. Тёмные звёзды Митчелла-Лапласа
Термин чёрная дыра был предложен Дж. Уилером в 1967 году, однако первые предсказания существования тел столь массивных, что даже свет не может их покинуть, датируются XVIII веком и принадлежат Дж. Митчеллу и П. Лапласу.
Их расчёты основывались на теории тяготения Ньютона и корпускулярной природе света и, скорее всего, были следующими [2]: рассмотрим частицу света (фотон), испущенную с поверхности звезды радиуса Rs и массы M в направлении удалённых звёзд. Каковы должны быть Rs и M, чтобы фотон в конце концов вернулся обратно?
В момент "запуска" фотона его кинетическая энергия K1 предполагается равной mc2/2, где m – масса покоя фотона (в действительности она равна нулю, но в то время об этом не знали, а просто предполагали её очень малой), а c это скорость света. Потенциальная энергия, по Ньютону, U1 = –GmM/Rs, где G – гравитационная постоянная.
Момент №2, когда фотон улетел так далеко, что его взаимодействием со звездой можно пренебречь (U2=0), выберем таким, чтобы он совпадал с точкой остановки (K2=0). Последнее условие гарантирует возвращение фотона в реальной ситуации (U2≈0). Из закона сохранения энергии, K1+U1=K2+U2, мы получаем (заметьте, что m сокращается):
Rs=2GM/c2 (1).
Величина Rs известна как радиус Шварцшильда или радиус сферической ЧД. Однако, самое интересное в нашем выводе Rs – это то, что он неверен! Известно, что теория тяготения Ньютона (см. U1) и его механика (которая даёт K1) верны только когда скорости тел малы по сравнению со скоростью света, а их энергии-массы практически не искривляют пространство-время (П-В).
Более того, в рамках теории Ньютона звезда с радиусом (1) будет "чёрной" только для бесконечно удалённого наблюдателя. В общем, теория заведомо неприменима к реальным ЧД.
И всё же формула (1) сама по себе верна [3], что было подтверждено К. Шварцшильдом (1916 г.) в рамках общей теории относительности (ОТО) А. Эйнштейна (1915 г.) [4]!
В этой теории (1) определяет, до какого размера должно сжаться тело, чтобы получилась ЧД. Если для тела радиуса R и массы M выполняется неравенство R/M>2G/c2, то тело гравитационно устойчиво, в противном случае оно коллапсирует в ЧД.
2. Чёрные дыры от Эйнштейна до Хокинга
По настоящему последовательная и непротиворечивая теория ЧД невозможна без учёта искривляемости П-В. Поэтому неудивительно, что ЧД естественным образом появляются как частные решения уравнений ОТО.
Согласно им, ЧД — это объект, искривляющий П-В в своей окрестности настолько, что никакой сигнал не может быть передан с поверхности или изнутри ЧД, даже по световому лучу. Иными словами, поверхность ЧД — это граница П-В доступного нашим наблюдениям.
Энтропия ЧД. Однако в 1972 году Я. Бекенштейн высказал гипотезу [5], что ЧД обладает энтропией пропорциональной площади её поверхности A (для сферической ЧД Шварцшильда A=4πRs2):
SЧД = C A/4 (2),
Где C=kc3/Għ – комбинация фундаментальных констант (k это постоянная Больцмана и ħ Планка) … кстати, теоретики предпочитают работать в планковской системе единиц, в этом случае C=1.
Более того, Бекенштейн предположил, что для суммы энтропий ЧД и обычной материи, Stot=Sвещество+SЧД, имеет место термодинамический обобщенный второй закон:
Δ Stot ≡ (Stot)конечн – (Stot)начальн ≥ 0, (3),
То есть, суммарная энтропия системы не может уменьшаться. Последняя формула полезна также тем, что из неё можно вывести ограничение на энтропию обычной материи.
Рассмотрим так называемый процесс Сасскинда [6]: имеется сферически-симметричное тело "субкритической" массы, то есть, такой, что ещё удовлетворяет условию гравитационной устойчивости (см. последний абзац гл. 1), однако достаточно добавить немного энергии-массы ΔE, чтобы тело сколлапсировало в ЧД.
Тело окружено сферической оболочкой (чья суммарная энергия как раз равна ΔE), которая падает на тело. Энтропия системы до падения оболочки: (Stot)начальн=Sвещество+Sоболочка, после: (Stot)конечн = SЧД = A/4.
Из (3) и неотрицательности энтропии получаем знаменитое ограничение сверху на энтропию вещества:
Sвещество ≤ A/4. (4).
Формулы (2) и (3), несмотря на их простоту, породили загадку, оказавшую огромное влияние на развитие фундаментальной науки. Из стандартного курса статистической физики известно, что энтропия системы является не первичным понятием, а функцией от степеней свободы микроскопических составляющих системы – например, энтропия газа определяется как логарифм числа возможных микросостояний его молекул.
Таким образом, если ЧД имеет энтропию, то она должна иметь внутреннюю структуру! Только в последние годы наметился большой прогресс в понимании этой структуры [7], а тогда идеи Бекенштейна были скептически восприняты физиками. Стивен Хокинг, по его собственному признанию, решил опровергнуть Бекенштейна его же оружием – термодинамикой.
Излучение Хокинга. Коль скоро (2) и (3) наделены физическим смыслом, первый закон термодинамики диктует, что ЧД должна иметь температуру, T. Но позвольте, какая может быть температура у ЧД !? Ведь в таком случае она должна излучать, что противоречит её главному свойству!
Действительно, классическая ЧД не может иметь ненулевую T. Однако если предположить, что микросостояния ЧД подчиняются законам квантовой механики (КМ), что, вообще говоря, практически очевидно, то противоречие легко устранимо.
Согласно КМ (точнее, её обобщению – квантовой теории поля, КТП), может происходить спонтанное рождение частиц из вакуума. При отсутствии внешних полей пара "частица-античастица", рождённая таким образом, аннигилирует обратно в вакуумное состояние.
Однако если поблизости есть ЧД, то её поле притянет ближайшую частицу. Тогда, по закону сохранения энергии-импульса, другая частица уйдёт на бóльшее расстояние от ЧД, унося с собой часть её энергии-массы [8].
В результате удалённый наблюдатель будет детектировать поток излучения от ЧД [9], которая будет расходовать массу на рождение пар, пока полностью не испарится, превратившись в облако излучения [10].
Температура ЧД обратно пропорциональна её массе, таким образом, более массивные ЧД испаряются медленнее, так как время жизни ЧД пропорционально кубу массы (в 4-мерном П-В). Например, время жизни ЧД с M порядка солнечной превосходит возраст Вселенной, тогда как микро-ЧД с M=1 тераэлектронвольт живёт ~10-27 сек.
Примечание: некоторые "парадоксы", связанные с процессами роста и испарения чёрных дыр, рассмотрены ниже в дополнении А.
3. "Информационоёмкость" материи и единая теория взаимодействий
Локальная КТП прекрасно зарекомендовала себя при описании известных элементарных взаимодействий, кроме гравитационного. Может быть, фундаментальная квантовая теория с учётом ОТО также принадлежит к этому типу?
Если принять эту гипотезу, то нетрудно показать, что максимальное количество информации, которое можно запасти в куске вещества объёма V, равно V (измеренному в Планковских единицах объема VP ~10-99 см3) с точностью до множителя, зависящего от конкретной теории, то есть:
Sвещество ~ V. (5)
Однако эта формула вступает в противоречие с (4), так как в планковских единицах A намного меньше V для известных физических систем [11].
Так какая же из формул верна – (4), базирующаяся на ОТО и свойствах ЧД в квазиклассическом приближении, или (5), основанная на экстраполяции обычной КТП до планковских масштабов? В настоящее время имеются весьма сильные аргументы в пользу того, что неверна скорее (5), чем (4).
Это, в свою очередь, может означать, что подлинно фундаментальная теория материи – это не просто очередная модификация КТП, сформулированной "по объёму", а некая теория, "живущая" на определённой поверхности, ограничивающей этот объём.
Эта гипотеза получила название голографического принципа [12], по аналогии с оптической голограммой, которая, будучи плоской, тем не менее — даёт объёмное изображение.
Принцип сразу же вызвал большой интерес, так как теория "на поверхности" – это нечто принципиально новое, вдобавок сулящее упрощение математического описания (ввиду понижения пространственной размерности на единицу, поверхности имеют меньшее число геометрических степеней свободы).
В полной мере голографическая гипотеза пока не доказана, но уже существуют два общепризнанных подтверждения – ковариантный предел энтропии вещества [13] и AdS/CFT соответствие [14].
Первый даёт рецепт вычисления статистической энтропии (4) для общего случая материального тела, как определённой величины, вычисляемой на светоподобных мировых поверхностях, ортогональных поверхности тела. Второе – это реализация голографии для некоего частного случая пространств постоянной кривизны, тесно связанная с теорией струн.
4. Чёрные дыры и предел делимости материи
На заре прошлого века вождь мирового пролетариата, вероятно, находясь под впечатлением открытий Резерфорда и Милликена, рождает знаменитое "электрон так же неисчерпаем, как и атом" [15].
Этот лозунг висел в кабинетах физики почти всех школ Союза. Увы, слоган Ильича так же неверен, как и его экономические воззрения. Действительно, "неисчерпаемость" подразумевает наличие бесконечного количества информации в любом сколь угодно малом объёме вещества V. Однако максимум информации, которую может вместить V , ограничен сверху, согласно (4).
По сути, это очень большие микроскопы, задача которых — увеличение разрешения по длинам, Δx. А как можно улучшить разрешение? Правильно, принцип неопределённости Гейзенберга: ΔxΔp=const, если хочешь уменьшить Δx, надо увеличить импульс p и, как следствие, энергию E частиц.
И вот представим, что некто получил в своё распоряжение коллайдер неограниченной мощности. Сможет ли он, открывая всё новые и новые частицы, бесконечно извлекать информацию, приводя в тихий ужас Шведскую Академию Наук?
Увы, нет – непрерывно увеличивая энергию сталкивающихся частиц, он рано или поздно достигнет стадии, когда расстояние между какими-нибудь из них в области столкновения станет сравнимо с соответствующим радиусом Шварцшильда, что немедленно ведёт к образованию ЧД.
Начиная с этого момента, сколько ни увеличивай мощность, новой информации уже не получишь – вся энергия будет поглощена ЧД. Последняя при этом будет интенсивно испаряться, возвращая энергию в окружающее пространство в виде потоков субатомных частиц, Рис. 2.
Таким образом, законы ЧД, вкупе с законами КМ, неизбежно означают существование экспериментального предела дробления материи.
Небольшое отступление. Похоже, что Природа явно избегает "неисчерпаемостей" и прочих бесконечностей. По сути, бесконечность – чисто математическое понятие, трансфинитное число Кантора, в реальности же это, как правило, не более чем идеализация большой, но конечной величины.
Любопытно, что изгнание тех или иных бесконечностей из физики порой ведёт к смене научной парадигмы. Например, замена бесконечной скорости распространения взаимодействия на конечную привела к замене теории Ньютона на ОТО.
Другой пример: систематический подход к устранению бесконечностей в КТП привёл к появлению таких важнейших понятий физики элементарных частиц, как петлевые поправки и "бегущая" константа связи, которые были подтверждены экспериментами на ускорителях.
5. Фабрики чёрных дыр на Земле?
Итак, мы выяснили, что ускорители элементарных частиц в принципе способны производить микроскопические ЧД. Вопрос: какую они должны развивать энергию, чтобы получать хотя бы одно ЧД-событие в месяц?
До недавнего времени считалась, что эта энергия чрезвычайно велика, порядка 1016 тераэлектронвольт (для сравнения: LHC может дать не больше 15 ТэВ). Однако если окажется, что на малых масштабах (< 1 мм) наше пространство-время имеет число измерений больше четырёх, то порог необходимой энергия значительно уменьшается и может быть достигнут уже на LHC [16].
Причина заключается в усилении гравитационного взаимодействия, когда предполагаемые дополнительные пространственные измерения вступят в игру [17].
Так, если обычная сила гравитационного притяжения между массивными телами в 4-мерном П-В обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, то при наличии n дополнительных компактных измерений она модифицируется в Fграв ~ 1/r2+n при r ≤ rn, где rn это максимальный размер этих измерений.
Тогда с уменьшением r Fграв растёт гораздо быстрее, чем по закону обратных квадратов, и уже на расстояниях порядка 10–17+32/n см компенсирует силу электростатического отталкивания. А именно последняя ранее была причиной высокой пороговой энергии, так как чтобы преодолеть кулоновские силы и приблизить сталкивающиеся частицы на необходимое расстояние r=Rs, надо было сообщить частицам пучка бóльшую кинетическую энергию.
В случае же существования дополнительных измерений, ускоренный рост Fграв экономит значительную часть необходимой энергии.
Всё вышесказанное никоим образом не означает, что микро-ЧД будут получены уже на мощностях LHC – это произойдёт лишь при самом благоприятном варианте теории, которую "выберет" Природа. Кстати, не следует преувеличивать опасность микро-ЧД в случае их получения [18] – по законам физики ЧД они быстро испарятся.
В противном случае, Солнечная система давно бы прекратила существование – в течение миллиардов лет планеты бомбардируются космическими частицами, чьи энергии на много порядков выше энергий, достигаемых на земных ускорителях.
6. Чёрные дыры и космологическая структура Вселенной
Теория струн и большинство динамических моделей Вселенной предсказывают существование особого типа фундаментального взаимодействия – глобального скалярного поля (ГСП).
В масштабах планеты и Солнечной системы его эффекты крайне малы и трудно обнаружимы, однако в космологических масштабах влияние ГСП возрастает неизмеримо, так как его удельная доля в средней плотности энергии во Вселенной может достигать 72% и выше! Например, от него зависит, будет ли наша Вселенная расширяться вечно или, в конце концов, сожмётся в точку.
ЧД появляются в этой связи весьма неожиданным образом. Можно показать [19], что необходимость сосуществования ЧД и ГСП накладывает взаимные ограничения на их свойства.
В частности, существование ЧД накладывает ограничение на верхний предел эффективной космологической постоянной (параметра ГСП, ответственного за расширение Вселенной), тогда как ГСП ограничивает нижний предел массы ЧД (а, значит, и энтропии и обратной температуры) некой положительной величиной.
Иными словами, ЧД, будучи "локальными" [20] и, по меркам Вселенной, крошечными объектами, тем не менее, самим фактом своего существования влияют на её динамику и другие глобальные характеристики опосредовано, через ГСП.
Эпилог
Эйнштейн однажды сказал, что человеческий разум, однажды "расширенный" гениальной идеей, уже никогда не сможет сжаться до первоначального состояния [21]. Это прозвучит немного парадоксально, но исследование предельно сжатого состояния материи было, есть и долгое время будет одним из главных путей и стимулов расширения границ человеческого интеллекта и познания фундаментальных законов мироздания.
Дополнение А: "Парадоксы" чёрных дыр
В Интернете я нашёл любопытный пост – его автор, Андрей, обратил пристальное внимание на несколько парадоксальных, по его мнению, аспектов физики ЧД:
"Либо я чего-то не понимаю, либо такого не может быть. Во всех книгах про чёрные дыры (см. книгу самого Хокинга "Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр", либо наши А. М. Черепащук, А. Д. Чернин "Вселенная, жизнь, чёрные дыры", либо другие) сказано, что время падения кого-либо (чего-либо) в чёрную дыру бесконечно в системе отсчёта, связанной с удалённым наблюдателем. А время испарения чёрной дыры в этой же системе отсчёта конечно, то есть, тот, кто будет туда падать, не успеет этого сделать, потому что чёрная дыра уже испарится.
Но это не самый парадоксальный вывод из этого утверждения! Если тела падают в чёрную дыру бесконечное время, то тело, близкое по размеру к чёрной дыре своей массы, будет сжиматься до чёрной дыры тоже бесконечное время, то есть, все чёрные дыры (в смысле тела, "окружённые" горизонтом событий, или множество событий (точек пространства-времени), из которых нельзя уйти на бесконечность), все расположены только в будущем по отношению к удалённому наблюдателю, и их коллапс (сжатие) завершится только по прошествии бесконечного количества времени.
Да, сегодня у коллапсирующих объектов могут быть сверхсильные (но не бесконечные) гравитационные поля, но не может быть сингулярности (той самой особенной точки в центре) и горизонта событий […]. Из этого утверждения (время падения чего-либо в чёрную дыру бесконечно) следует, что никакого информационного парадокса нет — информация просто потеряется по прошествии бесконечно большого времени, но это не должно нас волновать, потому что этого принципиально нельзя дождаться.
В общем, эту тему можно и дальше раскручивать... Либо я чего-то неправильно понимаю (скорее всего), либо весь учёный мир настолько узок в своих мышлениях, что никогда не рассматривал информационный парадокс и бесконечность времени падения предметов одновременно, не рассматривал, как повлияют друг на друга. Убедительно прошу откликнуться учёных – профессионалов (хотя мало надежды встретить их здесь, их вообще так мало)…".
Такое вот послание, с пессимистическим окончанием в стиле Диогена Синопского (408-323 до н.э.), который, согласно легенде, среди бела дня бродил по Афинам со светильником в руке и возглашал сами знаете какую фразу. По поводу же фразы "их вообще так мало" я бы задал уточняющий вопрос "так мало где?", а затем, выслушав ответ, второй вопрос – "а почему?".
Теперь к делу. Поскольку маловероятно, что весь учёный мир узок в своем мышлении, то из этого методом исключения следует, что Андрей кое-что неправильно понял.
Но в данном случае это не его недостаток (более того, его критическое мышление несомненно заслуживает похвалы), а скорей — прекрасная иллюстрация главной дилеммы научно-популярной литературы: пытаясь упростить изложение, авторы книг вынуждены поступаться уровнем математической строгости.
Поэтому фраза, на которой Андрей основывает свои умозаключения, "время падения кого-либо (чего-либо) в чёрную дыру бесконечно в системе отсчёта, связанной с удалённым наблюдателем", вообще говоря, неверна.
На самом деле, физически корректная формулировка выглядит так: "время падения кого-либо (чего-либо) в статическую чёрную дыру бесконечно в системе отсчёта, связанной с удалённым статическим наблюдателем".
Иными словами, её применимость ограничена идеализированным случаем, когда характеристики дыры неизменны во времени (то есть, не тогда, когда она растёт или испаряется), а любое падающее тело предполагается пробным, то есть, достаточно малым, чтобы пренебречь изменениями дыры, вызванными его падением.
В тех же физических ситуациях, о которых говорит Андрей, как сама дыра, так и пространство-время в её окрестности не являются статическими. Вследствие этого, статических (по отношению к дыре) наблюдателей как таковых просто не существует.
Все наблюдатели движутся, и все равноправны. У одного часы показывают одно, у другого – другое, а "время падения кого-либо (чего-либо) в чёрную дыру", измеренное по их часам, либо конечно в их системах отсчёта, либо не определено (например, когда наблюдатель находится вне светового конуса падающего на дыру тела [22]).
Вот таков краткий ("handwaving", как говорят в англоязычных странах) вариант ответа. Чтобы понять такие вещи на более глубоком уровне, необходим серьёзный математический аппарат (изложенный, например, в книге Хокинга и Эллиса, см. сноску 20): диаграммы Картера-Пенроуза, конформные отображения, топология многообразий, тому подобное.
Константин Злосчастьев (Konstantin Zloshchastiev) работает на кафедре гравитации и теории поля (Departamento de Gravitación y Teoría de Campos) Института ядерных исследований (Instituto de Ciencias Nucleares) Национального автономного университета Мексики (Universidad Nacional Autónoma de México). PDF-версию статьи вы можете скачать с нашего сервера (723 килобайта).
[1] Сокращённый вариант (без Дополнения) опубликован в журнале "Компьютерра" № 24 (28.06.2005 г.) 48; [2] Автор никоим образом не претендует на историческую достоверность. [3] Видимо, при выводе (1), скрытые ошибки, как шутят физики, "проаннигилировали" друг с другом. [4] Не путать со специальной ТО (1905), которая не учитывает гравитацию и искривление П-В и является частным случаем ОТО. [5] J. D. Bekenstein, "Black holes and the Second Law", Lett. Nuovo Cim. 4, 737 (1972); Phys. Rev. D 7, 2333 (1973); Phys. Rev. D 9, 3292 (1974). [6] L. Susskind, "The world as a hologram",' J. Math. Phys. 36, 6377 (1995). [7] Теория струн (и её обобщение, М-теория) объясняет микросостояния и формулу (2) для ряда моделей ЧД, см. напр. A.W. Peet, "TASI lectures on black holes in string theory", arXiv.org: hep-th/0008241. [8] Распишем энергетический баланс для этого процесса: до рождения пары имеется ЧД массы M1, после – ЧД с M2 плюс та из частиц, которая не упала на неё. Из M1 = M2 + Eчаст и Eчаст >0 получаем M2 < M1. [9] S.W. Hawking, "Particle creation by black holes", Commun. Math. Phys. 43, 199 (1975). [10] Вопрос о том, испарится ли ЧД полностью, ещё обсуждается, так как тесно связан с парадоксом потери информации в ЧД, см. напр. M. Maia, "Information storage in black holes", arXiv.org: gr-qc/0505119. [11] Соотношение A/V составляет порядка 10-20 для протона и 10-41 для Земли. [12] G. 't Hooft, "Dimensional reduction in quantum gravity", arXiv.org: gr-qc/9310026. [13] R. Bousso, "A covariant entropy conjecture", JHEP 9907, 004 (1999). [14] J.M. Maldacena, "The large N limit of superconformal field theories", Adv. Theor. Math. Phys. 2, 231 (1998). [15] В. И. Ленин, "Материализм и эмпириокритицизм", М.: Издательство политической литературы, 1984 г. [16] S. Dimopoulos and G. Landsberg, "Black holes at the LHC", Phys. Rev. Lett. 87, 161602 (2001 г.). [17] N. Arkani-Hamed, S.Dimopoulos and G.R.Dvali, "The hierarchy problem and new dimensions at a millimeter", Phys. Lett. B 429, 263 (1998); I. Antoniadis, et al, "New dimensions at a millimeter to a Fermi and superstrings at a TeV", Phys. Lett. B 436, 257 (1998 г.). [18] Из архива чёрного юмора физики: LHC = Last Hadron Collider. [19] K. Zloshchastiev, "Coexistence of black holes and scalar field in cosmology", Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 121101. [20] Строго говоря, горизонт ("поверхность" ЧД) является глобально определённым понятием, см. С. Хокинг, Дж. Эллис, "Крупномасштабная структура пространства-времени" M.: Мир, 1976 г. [21] Не правда ли, эта фраза в чём-то перекликается с нашей знаменитой "Талант не пропьешь"? [22] Не забываем, что по мере приближения к горизонту событий световой конус сжимается. Это означает, что наблюдатель должен подлетать к дыре всё ближе и ближе, чтобы не потерять падающее тело из виду. Последние новости:
|
|
Реклама на сайте | Контакты | Наши клиенты | сейчас на сайте 133 чел. | ||||
© 2006-2025 ТОО"Электронный город" Дизайн Алексенко А. |
Комментарии:
Нет комментариев. Почему бы Вам не оставить свой?
Для того чтобы оставить комментарий зарегистрируйтесь и войдите на сайт под своим именем.
Если Вы уже регистрировались то просто войдите на сайт под своим именем.