Гипотезы и парадоксы

Гипотезы и парадоксы. Общая теория относительности, как известно, предсказала, что масса искривляет пространство. И уже через четыре года после опубликования работы Эйнштейна этот эффект был обнаружен астрономами. При полном солнечном затмении, проводя наблюдения с телескопом, астрономы видели звезды, которые на самом деле были заслонены краем черного лунного диска, покрывшего Солнце.

Под действием солнечной гравитации изображения звезд сместились. здесь поражает еще и точность измерения, потому что сместились они меньше, чем на одну тысячную градуса Астрономы теперь точно знают, что под влиянием линзы тяготения, которую представляют собой тяжелые звезды и, прежде всего черные дыры, реальные позиции многих небесных тел на самом деле отличаются от тех, что нам видятся с Земли. Далекие галактики могут выглядеть для нас бесформенными и в виде капсулы.

Это означает тяготение столь велико и пространство так закручено, что свет проходит по кругу. Поистине там можно увидеть то, что происходит за углом. Вообразим совершенно невероятное некий отважный космонавт решил направить свой корабль к черной дыре, чтобы познать ее тайны. Что он увидит в этом фантастическом путешествии По мере приближения к цели часы на космическом корабле будут все больше и больше отставать - это вытекает из теории относительности.

На подлете к цели наш путешественник окажется как бы в трубе, кольцом окружающей черную дыру, но ему будет казаться, что он летит по совершенно прямому тоннелю, а вовсе не по кругу. Но космонавта ждет еще более удивительное явление попав за горизонт событий и двигаясь по трубе, он будет видеть свою спину, свой затылок Общая теория относительности говорит, что понятия вовне и внутри не имеют объективного смысла, они относительны также, как указания налево или направо, вверх или вниз. Вся эта парадоксальная путаница с направлениями очень плохо согласуется с нашими повседневными оценками. Как только корабль пересечет границу черной дыры, люди на Земле уже не смогут ничего увидеть из того, что там будет происходить.

А на корабле остановятся часы, все краски будут смешаны в сторону красного цвета свет потеряет часть энергии в борьбе с гравитацией. Все предметы приобретут странные искаженные очертания. И, наконец, даже если эта черная дыра будет всего вдвое тяжелее, чем наше Солнце, притяжение станет столь сильным, что и корабль, и его гипотетический капитан будут вытянуты в шнурок и вскорости разорваны.

Материя, попавшая внутрь черной дыры, не сможет противостоять силам, влекущим ее к центру. Вероятно, материя распадется и перейдет в сингулярное состояние. Согласно некоторым представлениям, эта распавшаяся материя станет частью какой-то иной Вселенной - черные дыры связывают наш космос с другими мирами. Как и все тела в природе, звзды не остаются неизменными, они рождаются, эволюционируют, и наконец умирают.

Чтобы проследить жизненный путь звзд и понять, как они стареют, необходимо знать, как они возникают. В прошлом это представлялось большой загадкой современные астрономы уже могут с большой уверенностью подробно описать пути, ведущие к появлению ярких звзд на нашем ночном небосводе. Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звзд. На Рис.3 Большая Туманность Ориона снимках 1947г. в этом месте была видна группа из трх звездоподобных объектов.

К 1954г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959г. эти продолговатые образования распались на отдельные звзды - впервые в истории человечества люди наблюдали рождение звзд буквально на глазах этот беспрецедентный случай показал астрономам, что звзды могут рождаться за короткий интервал времени, и казавшиеся ранее странными рассуждения о том, что звзды обычно возникают в группах, или звздных скоплениях, оказались справедливыми.

Каков же механизм их возникновения Почему за многие годы астрономических визуальных и фотографических наблюдений неба только сейчас впервые удалось увидеть материализацию звзд Рождение звезды не может быть исключительным событием во многих участках неба существуют условия, необходимые для появления этих тел. В результате тщательного изучения фотографий туманных участков Млечного Пути удалось обнаружить маленькие чрные пятнышки неправильной формы, или глобулы, представляющие собой массивные скопления пыли и газа. Они выглядят чрными, так как не испускают собственного света и находятся между нами и яркими звздами, свет от которых они заслоняют. Эти газово-пылевые облака содержат частицы пыли, очень сильно поглощающие свет, идущий от расположенных за ними звзд. Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая, но если масса вещества оставшегося после взрыва, вс ещ превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться в крошечное плотное тело, так как гравитационные силы всецело подавляют всякое Рис. 4 Рождение внутреннее сопротивление сжатию.

Учные черной дыры полагают, что именно в этот момент катастрофический гравитационный коллапс приводит к возникновению чрной дыры. Они считают, что с окончанием термоядерных реакций звезда уже не может находиться в устойчивом состоянии.

Тогда для массивной звезды остатся один неизбежный путь - путь всеобщего и полного сжатия коллапса, превращающего е в невидимую чрную дыру. В 1939г. Р. Оппенгеймер и его аспирант Снайдер в Калифорнийском университете Беркли занимались выяснением окончательной судьбы большой массы холодного вещества.

Одним из наиболее впечатляющих следствий общей теории относительности Эйнштейна оказалось следующее когда большая масса начинает коллапсировать, этот процесс не может быть остановлен и масса сжимается в чрную дыру. Если, например, не вращающаяся симметричная звезда начинает сжиматься до критического размера, известного как гравитационный радиус, или радиус Шварцшильда назван так в честь Карла Шварцшильда, которой первым указал на его существование.

Если звезда достигает этого радиуса, то уже не что не может воспрепятствовать ей завершить коллапс, то есть буквально замкнуться в себе. Чему же равен гравитационный радиус Строгое математическое уравнение показывает, что для тела с массой Солнца гравитационный радиус равен почти 3 км, тогда как для системы, включающей миллиард звзд галактики - этот радиус оказывается равным расстоянию от Солнца до орбиты планеты Уран, то есть составляет около 3 млрд. км. Каковы же физические свойства чрных дыр и как учные предполагают обнаружить эти объекты Многие учные раздумывали над этими вопросами получены кое-какие ответы, которые способны помочь в поисках таких объектов.

Само название - чрные дыры - говорит о том, что это класс объектов, которые нельзя увидеть.

Их гравитационное поле настолько сильно, что если бы каким-то путм удалось оказаться вблизи чрной дыры и направить в сторону от е поверхности луч самого мощного прожектора, то увидеть этот прожектор было бы нельзя даже с расстояния, не превышающего расстояние от Земли до Солнца. Действительно, даже если бы мы смогли сконцентрировать весь свет Солнца в этом мощном прожекторе, мы не увидели бы его, так как свет не смог бы преодолеть воздействие на него гравитационного поля чрной дыры и покинуть е поверхность. Именно поэтому такая поверхность называется абсолютным горизонтом событий.

Она представляет собой границу чрной дыры. Учные отмечают, что эти необычные объекты нелегко понять, оставаясь в рамках законов тяготения Ньютона. Вблизи поверхности чрной дыры гравитация столь сильна, что привычные ньютоновские законы перестают здесь действовать.

Их следует заменить законами общей теории относительности Эйнштейна. Согласно одному из трх следствий теории Эйнштейна, покидая массивное тело, свет должен испытывать красное смещение, так как он должен испытывать красное смещение, так как он теряет энергию на преодоление гравитационного поля звезды. Излучение, приходящее от плотной звезды, подобной белому карлику - спутнику Сириуса А лишь слегка смещается в красную область спектра. Чем плотнее звезда, тем больше это смещение, так что от сверхплотной звезды совсем не будет приходить излучения в видимой области спектра.

Но если гравитационное действие звезды увеличивается в результате е сжатия, то силы тяготения оказываются настолько велики, что свет вообще не может покинуть звезду. Таким образом, для любого наблюдателя возможность увидеть чрную дыру полностью исключена Но тогда естественно возникает вопрос если она невидима, то как же мы можем е обнаружить Чтобы ответить на этот вопрос, учные прибегают к искусным уловкам.

Руффини и Уиллер досконально изучили эту проблему и предложили несколько способов пусть не увидеть, но хотя бы обнаружить чрную дыру. Начнм с того, что, когда чрная дыра рождается в процессе гравитационного коллапса, она должна излучать гравитационные волны, которые могли бы пересекать пространство со скоростью света и на короткое время искажать геометрию пространства вблизи Земли. Это искажение проявилось бы в виде гравитационных волн, действующих одновременно на одинаковые инструменты, установленные на земной поверхности на значительных расстояниях друг от друга.

Гравитационное излучение могло бы приходить от звзд, испытывающих гравитационный коллапс. Если в течение обычной жизни звезда вращалась, то, сжимаясь и становясь вс меньше и меньше, она будет вращаться вс быстрее сохраняя свой момент количества движения. Наконец она может достигнуть такой стадии, когда скорость движения на е экваторе приблизится к скорости света, то есть к предельно возможной скорости.

В этом случае звезда оказалась бы сильно деформированной и могла бы выбросить часть вещества. При такой деформации энергия могла бы уходить от звезды в виде гравитационных волн с частотой порядка тысячи колебаний в секунду 1000 Гц. Дж. Вебер установил ловушки гравитационных волн в Аргоннской национальной лаборатории вблизи Чикаго и в Мэрилендском университете. Они состояли из массивных алюминиевых цилиндров, которые должны были колебаться, когда гравитационные волны достигнут Земли. Используемые Вебером детекторы гравитационного излучения реагируют на высокие 1660 Гц, так и на очень низкие 1 колебание в час частоты. Для детектирования последней частоты используется чувствительный гравиметр, а детектором является сама Земля. Собственная частота квадрупольных колебаний Земли равна одному колебанию за 54 мин. Все эти устройства должны были срабатывать одновременно в момент, когда гравитационные волны достигнут Земли. Действительно они срабатывали одновременно.

Но к сожалению, ловушки включались слишком часто - примерно раз в месяц, что выглядело весьма странно. Некоторые учные считают, что хотя опыты Вебера и полученные им результаты интересны, но они недостаточно наджны.

По этой причине многие относятся весьма скептически к идее детектирования гравитационных волн эксперименты по детектированию гравитационных волн, аналогичные опытам Вебера, позднее были проверены в ряде других лабораторий и не подтвердили результатов Вебера.

В настоящее время считается, что опыты Вебера ошибочны. Роджер Пенроуз, профессор математики Биркбекского колледжа Лондонского университета, рассмотрел любопытный случай коллапса и образования чрной дыры. Он также допускает, что чрная дыра исчезает, а затем проявляется в другое время в какой-то иной вселенной. Кроме того, он утверждает, что рождение чрной дыры во время гравитационного коллапса является важным указанием на то, что с геометрией пространства-времени происходит нечто необычное. Исследования Пенроуза показывают, что коллапс заканчивается образованием сингулярности, то есть он должен продолжаться до нулевых размеров и бесконечной плотности объекта.

Последние условие дат возможность другой вселенной приблизиться к нашей сингулярности, и не исключено, что сингулярность перейдт в эту новую вселенную. Она даже может появиться в каком-либо другом месте нашей собственной Вселенной.