Чёрная дыра - загадка гравитации 
 

Общая теория взаимодействий

альтернатива квантовой механике
и
теории относительности
 

 

Чёрная дыра – загадка гравитации

Чёрная дыра - предположительно существующий в реальности физический объект, сила гравитации которого не позволяет электромагнитным волнам распространяться в направлении от объекта.Такое определение чёрной дыре дает общая теория взаимодействий. Теперь немного истории.

Когда 27 ноября 1783 года английский астроном Джон Мичелл на заседании Лондонского Королевского общества предложил свою идею, он и представить не мог, к каким выводам придут современные учёные. Предположение состояло в том, что в природе могут существовать физические объекты, гравитационное поле которых настолько сильно, что даже свет не может покинуть такое тело.

Используя закон всемирного тяготения, Мичелл рассчитал, что для того чтобы поле тяготения смогло «остановить» электромагнитную волну, создающая это поле, масса (M) должна уместиться в сфере с радиусом, меньшим «гравитационного радиуса» rg = 2GM/c2 (гравитационная постоянная G = 6,672 ´ 10–11 м3кг–1с–2 и скорость света c = 299 792 458 м/с). Например, для Солнца с массой около 2 ´ 1030 кг и радиусом около 700 тыс. км значение rg » 3 км. А для Земли (M = 6 ´ 1024 кг) значение rg » 1 см.

Такие цифры дают причину сомневаться в реальной осуществимости подобного сжатия объектов. Но учёных это не останавливает. В 1916 немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений недавно созданной Эйнштейном релятивистской теории гравитации. Из анализа решения Шварцшильда был сделан вывод о существовании у «черной дыры» горизонта событий, то есть границы той области пространства, в которой влияние гравитации настолько сильно, что ни вещество, ни излучение не могут покинуть эту область.

Сам термин «чёрная дыра» вошёл в употребление с лёгкой руки американского физика Джона Арчибальда Уилера в 1967 году.

Главный вопрос к последователям такого взгляда на чёрные дыры состоит в следующем. Под действием каких сил вещество может сжаться до таких размеров, и этот вопрос обходится ими стороной.

Сначала опишем свойства чёрной дыры и процесс её формирования, с позиций последователей квантовой механики и теории относительности, попутно задавая вопросы, а затем приведём взгляд на рождение и эволюцию черной дыры с позиции общей теории взаимодействий.

Приведём несколько цитат и свои возражения (выделены жёлтым). 

Формирование черных дыр. Самый очевидный путь образования черной дыры – коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие поддерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод, и т.д., вплоть до железа у наиболее массивных звезд). Выделяющееся при этом тепло компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением и звездным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя ее сжатию под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься. По логике обычных процессов, сжатие ядра должно происходить постоянно и постепенно, то есть образовавшиеся ядра атомов тяжёлых элементов будут стремиться в центр ядра, уплотняя его.

Наиболее быстро сжимается ядро звезды, при этом оно сильно разогревается (его гравитационная энергия переходит в тепло) и нагревает окружающую его оболочку. Если под теплом понимать среднюю энергию движения частиц вещества, то в центре звезды такая энергия должна падать, так как свободы перемещения у ядер атомов становится катастрофически мало. Поэтому скорость их движения (показатель температуры) не может быть большой. В итоге звезда теряет свои наружные слои в виде медленно расширяющейся планетарной туманности или катастрофически сброшенной оболочки сверхновой. А судьба сжимающегося ядра зависит от его массы. Расчеты показывают, что если масса ядра звезды не превосходит трех масс Солнца, то она «выигрывает битву с гравитацией»: его сжатие будет остановлено давлением вырожденного вещества, и звезда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса ядра звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить его катастрофический коллапс, и оно быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой. Как следует из формулы для rg, черная дыра с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8,8 км. Как быть с взаимным отталкиванием протонов между собой?

Свойства черных дыр. Вблизи черной дыры напряженность гравитационного поля так велика, что физические процессы там можно описывать только с помощью релятивистской теории тяготения. Согласно ОТО, пространство и время искривляются гравитационным полем массивных тел, причем наибольшее искривление происходит вблизи черных дыр. Когда физики говорят об интервалах времени и пространства, они имеют в виду числа, считанные с каких-либо физических часов и линеек. Например, роль часов может играть молекула с определенной частотой колебаний, количество которых между двумя событиями можно называть «интервалом времени».

Важно, что гравитация действует на все физические системы одинаково: все часы показывают, что время замедляется, а все линейки, что пространство растягивается вблизи черной дыры. Это означает, что черная дыра искривляет вокруг себя геометрию пространства и времени. Вдали от черной дыры это искривление мало, а вблизи так велико, что лучи света могут двигаться вокруг нее по окружности. Вдали от черной дыры ее поле тяготения в точности описывается теорией Ньютона для тела такой же массы, но вблизи гравитация становится значительно сильнее, чем предсказывает теория Ньютона.

Если бы можно было наблюдать в телескоп за звездой в момент ее превращения в черную дыру, то сначала было бы видно, как звезда все быстрее и быстрее сжимается, но по мере приближения ее поверхности к гравитационному радиусу сжатие начнет замедляться, пока не остановится совсем. При этом приходящий от звезды свет будет слабеть и краснеть, пока окончательно не потухнет. Это происходит потому, что, преодолевая силу тяжести, фотоны теряют энергию и им требуется все больше времени, чтобы дойти до нас. Почему это должно быть так, ведь скорость всех фотонов всегда равна скорости света? Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, покинувшему ее свету потребуется бесконечное время, чтобы достичь любого наблюдателя, даже расположенного сравнительно близко к звезде (и при этом фотоны полностью потеряют свою энергию). Следовательно, мы никогда не дождемся этого момента и, тем более, не увидим того, что происходит со звездой под горизонтом событий, но теоретически этот процесс исследовать можно.

Расчет идеализированного сферического коллапса показывает, что за короткое время вещество под горизонтом событий сжимается в точку (как быть с пределом плотности материальных веществ, ни кто не задумывается), где достигаются бесконечно большие значения плотности и тяготения. Такую точку называют «сингулярностью». Более того, математический анализ показывает, что если возник горизонт событий, то даже несферический коллапс приводит к сингулярности. Однако, все это верно лишь в том случае, если общая теория относительности применима вплоть до очень малых пространственных масштабов, в чем пока нет уверенности. В микромире действуют квантовые законы (спорное утверждение), а квантовая теория гравитации еще не создана. Ясно, что квантовые эффекты не могут остановить сжатие звезды в черную дыру, а вот предотвратить появление сингулярности они могли бы.

Изучая фундаментальные свойства материи и пространства-времени, физики считают исследование черных дыр одним из важнейших направлений, поскольку вблизи черных дыр проявляются скрытые свойства гравитации. Для поведения вещества и излучения в слабых гравитационных полях различные теории тяготения дают почти неразличимые прогнозы, однако в сильных полях, характерных для черных дыр, предсказания различных теорий существенно расходятся, что дает ключ к выявлению лучшей среди них. В рамках наиболее популярной сейчас теории гравитации – ОТО Эйнштейна – свойства черных дыр изучены весьма подробно. Вот некоторые важнейшие из них (далее начинается, по мнению автора, зона домыслов и абстрактных предположений):

1) Вблизи черной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если удаленный наблюдатель бросит в сторону черной дыры зажженный фонарь, то увидит, как фонарь будет падать все быстрее и быстрее, но затем, приближаясь к поверхности Шварцшильда, начнет замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть (поскольку замедлится темп колебания всех его атомов и молекул). С точки зрения далекого наблюдателя фонарь практически остановится и станет невидим, так и не сумев пересечь поверхность черной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда вместе с фонарем, то он за короткое время пересек бы поверхность Шварцшильда и упал к центру черной дыры, будучи при этом разорван ее мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстояниях от центра.

2) Каким бы сложным ни было исходное тело, после его сжатия в черную дыру внешний наблюдатель может определить только три его параметра: полную массу, момент импульса (связанный с вращением) и электрический заряд. Все остальные особенности тела (форма, распределение плотности, химический состав и т.д.) в ходе коллапса «стираются». То, что для стороннего наблюдателя структура черной дыры выглядит чрезвычайно простой, Джон Уилер выразил шутливым утверждением: «Черная дыра не имеет волос».

В процессе коллапса звезды в черную дыру за малую долю секунды (по часам удаленного наблюдателя) все ее внешние особенности, связанные с исходной неоднородностью, излучаются в виде гравитационных и электромагнитных волн. Образовавшаяся стационарная черная дыра «забывает» всю информацию об исходной звезде, кроме трех величин: полной массы, момента импульса (связанного с вращением) и электрического заряда. Изучая черную дыру, уже невозможно узнать, состояла ли исходная звезда из вещества или антивещества, была ли она вытянутой или сплюснутой и т.п. В реальных астрофизических условиях заряженная черная дыра будет притягивать к себе из межзвездной среды частицы противоположного знака, и ее заряд быстро станет нулевым. Оставшийся стационарный объект либо будет не вращающейся «шварцшильдовой черной дырой», которая характеризуется только массой, либо вращающейся «керровской черной дырой», которая характеризуется массой и моментом импульса.

3) Если исходное тело вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется «вихревое» гравитационное поле, увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее. Поле тяготения вращающейся черной дыры называют полем Керра (математик Рой Керр в 1963 нашел решение соответствующих уравнений). Этот эффект характерен не только для черной дыры, но для любого вращающегося тела, даже для Земли. По этой причине размещенный на искусственном спутнике Земли свободно вращающийся гироскоп испытывает медленную прецессию относительно далеких звезд. Вблизи Земли этот эффект едва заметен, но вблизи черной дыры он выражен гораздо сильнее: по скорости прецессии гироскопа можно измерить момент импульса черной дыры, хотя сама она не видна.

Чем ближе мы подходим к горизонту черной дыры, тем сильнее становится эффект увлечения «вихревым полем». Прежде чем достичь горизонта, мы окажемся на поверхности, где увлечение становится настолько сильным, что ни один наблюдатель не может оставаться неподвижным (т. е. быть «статическим») относительно далеких звезд. На этой поверхности (называемой пределом статичности) и внутри нее все объекты должны двигаться по орбите вокруг черной дыры в том же направлении, в котором вращается сама дыра. Независимо от того, какую мощность развивают его реактивные двигатели, наблюдатель внутри предела статичности никогда не сможет остановить свое вращательное движение относительно далеких звезд.

Предел статичности всюду лежит вне горизонта и соприкасается с ним лишь в двух точках, там, где они оба пересекаются с осью вращения черной дыры. Область пространства-времени, расположенная между горизонтом и пределом статичности, называется эргосферой. Объект, попавший в эргосферу, еще может вырваться наружу. Поэтому, хотя черная дыра «все съедает и ничего не отпускает», тем не менее, возможен обмен энергией между ней и внешним пространством. Например, пролетающие через эргосферу частицы или кванты могут уносить энергию ее вращения.

4) Все вещество внутри горизонта событий черной дыры непременно падает к ее центру и образует сингулярность с бесконечно большой плотностью. Английский физик Стивен Хоукинг определяет сингулярность как «место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени». Хоукинг просто расписывается в бессилии понять строение чёрной дыры.

5) Кроме этого С. Хоукинг открыл возможность очень медленного самопроизвольного квантового «испарения» черных дыр. В 1974 он доказал (вернее было бы сказать рассчитал, а расчёты могут быть и не верны), что черные дыры (не только вращающиеся, но любые) могут испускать вещество и излучение, однако заметно это будет лишь в том случае, если масса самой дыры относительно невелика. Мощное гравитационное поле вблизи черной дыры должно рождать пары частица-античастица. Одна из частиц каждой пары поглощается дырой, а вторая испускается наружу (интересно, почему рождаются такие пары, и почему не обе частицы попадают под влияние черной дыры). Например, черная дыра с массой 1012 кг должна вести себя как тело с температурой 1011 К, излучающее очень жесткие гамма-кванты и частицы. Идея об «испарении» черных дыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах, не способных излучать.

Поиски черных дыр. Расчеты в рамках О Т О указывают лишь на возможность существования черных дыр, но отнюдь не доказывают их наличия в реальном мире. Открытие черной дыры стало бы важным шагом в развитии физики. Поиск изолированных черных дыр в космосе невероятно труден: требуется заметить маленький темный объект на фоне космической черноты. Но есть надежда обнаружить черную дыру по ее взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по ее характерному влиянию на них.

Итак, резюмируем все наши сомнения, возражения и вопросы.

Самым странным во всём описании черных дыр является полнейшее отсутствие даже намёка на упоминание о строении вещества (атомов, нуклонов, электронов). Другое серьёзное возражение вызывает, как и в случае с Большим взрывом, возникновение сингулярности, то есть такого состояния, когда обычные законы физики перестают действовать. В-третьих, совсем не понятно, чем же все-таки заканчивается процесс, и почему до сих пор вся Вселенная не коллапсировала в несколько гигантских чёрный дыр. Ведь даже с учётом предполагаемого Хоукингом «очень медленного самопроизвольного квантового «испарения» черных дыр» полностью дыра не только не может испариться, но и, даже, не может перестать увеличивать свою массу в геометрической прогрессии.

Черная дыра – гравитация в действии.

Опишем наш взгляд на черную дыру, используя представления о гравитации и о строении элементарных частиц, даваемых общей теорией взаимодействий, не забыв и об описании принципов распространения электромагнитных волн.

Отправной точкой в процессе формирования черной дыры является случайное совпадение пространственной близости образования трёх, а возможно и более, частиц с аномально высокой массой. Такие частицы, называемые в стандартной модели векторными промежуточными бозонами, обычно распадаются за очень короткое время. При образовании черной дыры несколько (скорее всего четыре) такие частицы образуют более сложные каркасы второго уровня. Если, как мы уже часто делали, обратиться к рисункам, то векторные бозоны должны выглядеть как тетраэдры, с минимально возможным количеством бионов, составляющих каждую грань.

Формирование черной дыры. На рисунке показана частица отвественная за начало процесса образования черной дыры.Из-за такой простоты, интенсивность вращения создаваемая каждой вершиной будет максимальной (а такая интенсивность вращения и является показателем массы), а искривлённость бионов окружения также самой значительной. Как только объединение четырёх бозонов произошло ( из трёх готовых и четвёртого, образующегося параллельно с образованием общего, более сложного каркаса) начинается процесс эволюции чёрной дыры.

Процесс формирования черной дырыПритягивая другие элементарные частицы гравитационным способом, черная дыра в процессе притяжения совершает над ними следующие преобразования. Вращение бионов создающее гравитационное поле черной дыры вначале разрывает молекулы, затем атомы, после этого электроны, протоны и нейтроны на части (такой процесс, является причиной рентгеновского излучения из окрестностей черной дыры).

На данном этапе у вновь образовавшейся черной дыры может не хватить запаса гравитационной энергии, и процесс перейдёт в стадию разрушения микро чёрной дыры. Если же запаса энергии достаточно (это зависит в основном от внешних условий в окрестностях нового образования), то процесс нарастает, увеличивая массу черной дыры.

 

  

 

Процесс поглощения черной дырой материиОтсутствие излучения и отражения объясняется огромной интенсивностью, а, следовательно, энергией, вращения бионов в окрестностях черной дыры. На пути эволюции черной дыры могут произойти несколько изменений процесса поглощения вещества. Если на этапе поглощения черной дырой окружающих материальных тел не происходит значительных «несимметричных» поглощений, то процесс происходит гладко. Образующаяся черная дыра будет иметь форму тетраэдра и закончит своё развитие в тот момент, когда искривление окружающих бионов приблизится к критическому (подробности чуть ниже).

Такие чёрные дыры достигают общей массы в десяток другой масс Солнца.

Если же произойдёт несимметричное поглощение, то возможны два варианта. В случаем описанном выше, когда энергии гравитационного поля достаточно для разрушения связей между нуклонами, и разрушения самих нуклонов и электронов, может произойти изменение формы черной дыры. Она станет близка к форме икосаэдра, и сможет развиваться (увеличивать свою массу) значительно дольше случая с тетраэдрической формой. Масса такой чёрной дыры может достигать миллионов масс Солнца.

Как же, с точки зрения физических закономерностей, должен выглядеть предел той массы, которую может иметь чёрная дыра. Чтобы понять это, нам надо вернуться к свойствам пространства и их связи с гравитацией. Напомним, что наличие в пространстве определённой массы приводит к искривлению бионов. Казалось бы, чем больше масса, тем больше должно быть искривление бионов. Но в определённый момент времени пространственные характеристики черной дыры становятся таковы, что рост массы приводит, наоборот, к выпрямлению бионов. Формирование черной дыры заканчивается именно в тот момент, когда кривизна бионов уже не даёт возможности образоваться из них векторным промежуточным бозонам. В такой момент вместо бозонов, могут образоваться только менее массивные (с меньшей интенсивностью вращения бионов вокруг) частицы. Такое вкрапление в структуру черной дыры нарушает самосогласованный и изотропный процесс вращения бионов вокруг черной дыры, то есть нарушается симметричность гравитационного поля черной дыры. Это нарушение приводит к коллапсу с преобразованием энергии гравитационного поля в энергию электромагнитного излучения, и с образованием элементарных частиц и так далее. То есть, на месте черной дыры возникает новая галактика, которая в последствии может быть поглощена другой черной дырой, образовавшейся в другой галактике, но захватившей своим гравитационным притяжением «нашу» галактику. Вот таким циклическим представляется нам процесс развития галактик и черных дыр, в котором отсутствуют сингулярности и горизонты событий.

Вспомнив, также, о существовании антивещества во Вселенной (подробности об антивеществе), можно предположить и другой финал развития рассматриваемой нами черной дыры. Она может провзаимодействовать с антивеществом, впрочем, с почти тем же результатом, что и в описанном нами выше случае.

 

Общая теория взаимодействий

General theory of interactions

 
Чёрная дыра – загадка гравитации.
 

Конец света 2012

Летающие тарелки

Анализ послания инопланетян

Расшифровка кругов на полях


Как научиться

    Как научиться петь
    Как научиться читать реп
  Обучение иностранному языку
Как соблазнять парней
Как научиться заигрывать с парнями
Как мне научиться нравиться парням

Как понять, что нравишься

Как завоевать мужчину

Как выспаться за 4 часа

Как создать сайт самостоятельно

Раскрутка сайтов в интернете


ФОРУМ

БЛОГ 

Гостевая книга

НОВОСТИ

     Галактика Разума




 ©  Общая теория взаимодействий  -  все права защищены.
Rambler's Top100

     При использовании материалов, обязательна ссылка на http://www.b-i-o-n.ru/
Работает на: Amiro CMS