СУЩЕСТВУЮТ ЛИ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ?
Эту последнюю главу мы начнем с рассмотрения двух примеров, которые не подошли ни под один из заголовков предыдущих глав. Первый пример мы заимствовали из статьи Д. Киржница и В. Фролова, опубликованной в одиннадцатом номере журнала «Природа» за 1981 год.Черные дыры — эти гипотетические небесные объекты — в последние годы привлекают к себе большое внимание. Их аномально сильное тяготение действует как своего рода клапан: вещество непрерывно захватывается таким объектом и падает на него, как в дыру.В то же время никакое тело, даже квант света, не может вырваться из этих объектов наружу, поэтому любому внешнему наблюдателю они должны представляться черными.Пока с уверенностью нельзя сказать, что черные дыры открыты, хотя возможность их существования неизбежно следует из общей теории относительности.Согласно общей теории относительности вблизи тяготеющих масс пространство искривляется. Если тяготеющая масса очень велика, такое искривление пространства приводит к его замыканию. Подобное замкнутое пространство и есть черная дыра. Обнаружение черных дыр, в которые так верит большинство специалистов, имело бы чрезвычайно важное значение для астрофизики и космологии. Однако уже сегодня интерес к черным дырам выходит далеко за рамки науки о космосе. В процессе исследования этих необычных объектов обнаружилась их глубокая связь с фундаментальными проблемами физики. В частности, это связано с удивительными термодинамическими свойствами черных дыр, которые, как оказалось, в принципе не могут быть холодными телами, а обязательно должны излучать подобно нагретому до определенной температуры черному телу. Такое явление называют эффектом Хокинга.
ВТОРАЯ КОСМИЧЕСКАЯ
Чтобы как следует понять, что такое черная дыра, обратимся к космонавтике. Известно, что всякое тело, движущееся вблизи тяготеющей массы, находится под воздействием двух сил — силы тяготения и силы, вызываемой ускорением тела в его движении относительно этой массы. Характер движения определяется тем, какая из этих двух сил больше. Если больше сила тяготения, тело падает «вниз». Если больше сила, вызываемая ускорением, и, кроме того, эта сила направлена в сторону, противоположную силе тяготения, тело будет удаляться от тяготеющей массы и в конце концов покинет сферу ее воздействия.При орбитальном движении ускорение тела пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально расстоянию до центра вращения. Поэтому, чтобы преодолеть силу тяготения, тело должно приобрести определенную скорость. Самая маленькая скорость, при которой тело может преодолеть путы земного притяжения, получила название второй космической скорости. В настоящее время вторая космическая скорость — это не предмет научных спекуляций, а совершенно реальная величина, используемая в расчетах траекторий космических кораблей, направляющихся к Марсу, Венере и более отдаленным небесным телам солнечной системы,При орбитальном движении сила, противодействующая силе тяготения, зависит не только от скорости, но и от радиуса орбиты: чем меньше радиус, тем больше вторая скорость. Существует такая величина радиуса (она называется гравитационным радиусом), при которой вторая космическая скорость оказывается равной скорости света. Поскольку никакой физический объект не может двигаться быстрее, чем со скоростью света, попав внутрь сферы с радиусом, равным гравитационному радиусу, объект никогда уже не сможет выйти наружу. Для этого необходимо, конечно, чтобы вся тяготеющая масса была сосредоточена внутри сферы с гравитационным радиусом.
ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ
Для Солнца гравитационный радиус равен примерно трем километрам. Это означает, что сфера с гравитационным радиусом (ее называют также горизонтом событий) целиком расположена внутри материи Солнца. Поэтому Солнце и излучает различные частицы, главным образом фотоны, в окружающее его пространство.Если масса небесного тела превышает некоторую критическую величину, под воздействием собственных сил тяготения оно начинает сжиматься и сжимается до тех пор, пока целиком не окажется сосредоточенным внутри сферы — горизонта событий.Такой процесс называется коллапсом, и так рождается черная дыра.Если наблюдатель, двигаясь по направлению к черной дыре, пересекает сферу горизонта событий и продолжает двигаться дальше, он не наблюдает ничего особенного. Просто ускорение силы тяжести непрерывно увеличивается, формально обращаясь в бесконечность в центре черной дыры. Для наблюдателя же, находящегося вне черной дыры, она просто не существует, поскольку, как уже отмечалось, никакой физический объект, в том числе и квант электромагнитного излучения, не может покинуть черную дыру и быть зарегистрированным в каком-либо физическом эксперименте. Черная дыра как бы вычеркивается из пространства, изучаемого внешним наблюдателем.Любой физический объект, упавший на черную дыру, исчезает. Исчезает не в том смысле, что он перестает быть доступным для наблюдателя, а исчезает совсем, то есть перестает каким бы то ни было способом влиять на любые процессы, происходящие в рассматриваемой области пространства. Конечно, при падении объекта в черную дыру его энергия (масса) прибавляется к общей энергии черной дыры.То же самое происходит с количеством движения, моментом количества движения и электрическим зарядом.Казалось бы, все только что сказанное неотвратимо свидетельствует об одном: черная дыра должна восприниматься внешним наблюдателем как тело, находящееся при температуре абсолютного нуля. Ведь понятиетеплоты неразрывно связано у нас с понятием из лучения, а черная дыра ничего не излучает и ничего не отражает. Но вот американский ученый С. Хокинг в 1975 году показал обратное