Методические материалы, статьи

Время действия — ХХ век

Черные дыры давно уже стали обычными обитателями космологических теорий, да и экспериментаторы все уверенней подступают к исследованию этих воистину космических монстров. Но до сих пор в научном мире нет единодушия, к примеру, доктор физико-математических наук Михаил Герценштейн из московского Института ядерной физики полагает, что черных дыр нет, а все разговоры о них — это досужие вымыслы. По его мнению, существование черных дыр противоречит самим основам теории — принципу причинности, ограниченности скорости света и тому подобное. Но предмет спора столь сложен, что мы не рискуем вмешиваться в спор экспертов и лишь постараемся немного рассказать о положении дел в этом увлекательном вопросе. А начнем с истории.

Иногда сухая и малопонятная теоретическая физика становится драматичной и даже трагичной. В 1916 году Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности и гравитации, из нее следовало существование черных дыр. А в 1939 году он же опубликовал в журнале «Математические анналы» статью, где доказывал невозможность их существования. И всего через несколько месяцев после публикации Эйнштейна появилась статья Роберта Оппенгеймера и его студента Снайдера, в которой на основе теории Эйнштейна было показано, как черные дыры могут возникать.

Современные воззрения на черные дыры базируются на совсем ином фундаменте — квантово-статистической механике. Без эффектов, предсказанных именно квантовой статистикой, каждый астрономический объект мог бы случайно свалиться в черную дыру и мир был бы совсем не таким, каков он на самом деле.

Бозе, Эйнштейн и статистика


На создание квантовой статистики Эйнштейна натолкнуло письмо, которое он получил в июне 1924 года от совсем неизвестного тогда молодого индийского физика с труднопроизносимым именем — Сатьендра Нат Бозе. Вместе с письмом Эйнштейн получил и статью, которую уже отверг один из научных журналов. После знакомства с ней Эйнштейн сам перевел ее на немецкий язык и организовал публикацию в престижном журнале «Цайтшрифт фюр физик».

Почему же так вдохновился Эйнштейн? Его внимание привлек подход Бозе: рассматривать квантовые свойства фотонов статистически. Оказалось, что таким образом можно получить знаменитую формулу Планка для излучения абсолютно черного тела. Эйнштейн применил метод Бозе для газа массивных молекул и получил совсем неожиданный результат: выяснилось, что при охлаждении такие частицы конденсируются в некотором состоянии. Это явление сегодня описано во всех университетских учебниках физики и называется конденсацией Бозе — Эйнштейна (хотя, строго говоря, Бозе к этому результату никакого отношения не имел).

Явление конденсации частиц со спином единица (как у фотона) было обнаружено и в эксперименте. При температуре около двух градусов Кельвина газ гелий превращается в жидкость с совершенно необычным свойством — сверхтекучестью. Это проявление конденсации.

Однако далеко не все частицы могут конденсироваться, поведение их зависит от величины спина. В 1925 году не менее известный квантовый эксперт Вольфганг Паули осознал, что при спине, равном половине, частицы как раз не могут находиться в одном состоянии. Еще через год Энрико Ферми и Поль Дирак разработали статистику для этого класса частиц, называемую теперь статистикой Ферми — Дирака.

При сжатии газа таких частиц (электронов, к примеру) возникают мощные силы расталкивания, причем оно никак не зависит от заряда частиц: незаряженные нейтроны расталкиваются с той же силой.

Квантовая статистика и белые карлики


Но какое отношение имеет квантовая статистика к звездам?

В начале века астрономы познакомились с очень маленькими и плотными звездами — белыми карликами. Один из них расположен неподалеку от Сириуса. Светит он в четыреста раз слабее Солнца. Если же определить его массу, то окажется, что вещество карлика в шестьдесят тысяч раз плотнее воды. Что же представляют собой эти странные образования?

На этот вопрос попытался ответить в 1924 году сэр Артур Эддингтон. Его знают все астрономы благодаря тому, что руководимая им экспедиция в начале века подтвердила предсказания общей теории относительности Эйнштейна о том, что лучи света отклоняются гравитационным полем. Но он сделал в астрономии и много других выдающихся открытий, в частности, предположил, что гравитационные силы в белом карлике вдавливают электроны с орбит атомов в их ядра. А останавливается этот процесс гравитационного сжатия тем самым расталкиванием из-за принципа Паули.

В 1930 году девятнадцатилетний индийский студент Субраманьян Чандрасекар решил проверить эту идею численно. Честно говоря, он занялся этим делом от скуки во время плавания из Мадраса в Саутхэмптон, когда читал книгу Эддингтона о звездах. Найденный им ответ произвел небольшую революцию: оказалось, что лишь для звезды в одну-две массы Солнца расталкивание удерживает гравитацию, а любое более тяжелое тело должно продолжать сжиматься дальше. Такое катастрофическое сжатие и называется коллапсом.

Результат Чандрасекара сильно обеспокоил Эддингтона, он посчитал его нефизическим, поскольку бесконечное сжатие невозможно, и стал высмеивать результат и автора. Чандрасекар был невероятно огорчен, и лишь поддержка таких экспертов, как Нильс Бор, позволила ему игнорировать неконструктивную критику.

Еще одна сенсация: сингулярность


Одни исследователи разрабатывали проблемы квантовой статистики, а другие занялись тщательной проработкой статей Эйнштейна о гравитации. Часть уравнений Эйнштейна, которая описывает поле вокруг вещества, очень сложна.

Однако такие явления, как искривление светового луча, можно описать в некотором приближении. Что и сделал в 1916 году немецкий астроном Карл Шварцшильд. Он нашел одно из приближенных решений для достаточно реалистической ситуации — планеты, вращающейся вокруг звезды.

В процессе решения Шварцшильд обнаружил нечто необычное: при некотором значении расстояния от звезды до планеты уравнения «сходили с ума» — исчезало время, и пространство становилось бесконечным. Сегодня это расстояние носит название радиуса Шварцшильда. А для случая, когда происходит что-то необъяснимое, математики придумали специальное название — сингулярное решение. Радиус Шварцшильда во много раз меньше радиусов привычных нам тел: для Солнца он равен трем километрам.

Естественно, Шварцшильд понимал, что его формулы не имеют смысла при таком значении радиуса, но он просто решил не обращать особого внимания на эту маленькую неприятность. В его задачу входило лишь построение упрощенной модели звезды. Он отметил, что для сжатия звезды до пресловутого радиуса потребуется бесконечный перепад давления, а значит, результат не имеет практического интереса.

Но не все были так беспечны. Эйнштейн серьезно обеспокоился открытием немецкого астронома, поскольку полученное решение не удовлетворяло некоторым техническим требованиям теории относительности. Были сделаны небольшие видоизменения, и вроде бы неприятности удавалось избежать, но Эйнштейн продолжал думать о проблеме. В 1939 году он возвращается к ней в дискуссиях с космологом из Принстона Гарольдом Робертсоном с единственной целью — убить сингулярность Шварцшильда. «Самый существенный результат нашего обсуждения — это понимание того, что сингулярности Шварцшильда не существуют в физической реальности». Проще говоря, черных дыр нет!

Доказывал свой вывод Эйнштейн, анализируя систему небольших частиц, движущихся по круговым орбитам. Такая система не может сжаться до радиуса Шварцшильда, поскольку на нем вещество должно двигаться со скоростью больше световой. Любопытно, что все расчеты Эйнштейн проделал на логарифмической линейке.

Доводы великого физика верны, но оказывается, что нестабильная на радиусе Шварцшильда коллапсирующая звезда может быстро проскочить его и нестабильность не имеет значения.

От нейтронов — к черным дырам


Буквально в те же дни Роберт Оппенгеймер со своим студентом создали современную теорию черных дыр. Забавно, что начали они с неверной идеи. В 1932 году английский физик-экспериментатор обнаружил нейтрон, составляющую часть атомного ядра. Вскоре после этого Фриц Цвикки в Калифорнийском технологическом институте и независимо от него Лев Ландау предположили, что из нейтронов могут возникать целые звезды.

По их аргументации, при достаточно большом гравитационном давлении электроны сливаются с протонами и дают в результате нейтроны. Цвикки даже догадался, что необходимые «сверхдавления» могут возникать при взрыве сверхновых звезд. Теперь такие звезды известны, их называют пульсарами. А в те годы еще не был ясен механизм генерации энергии в звездах, поэтому одна из гипотез помещала нейтронную звезду в центр любой обычной звезды. (В наши дни, по абсолютно схожим соображениям, астрофизики полагают, что внутри каждого квазара сидит черная дыра, дающая энергию.) Истинный же источник энергетики звезд — термоядерные реакции слияния — был открыт Гансом Бете и Карлом фон Вайцзеккером как раз в 1938 году.

Оппенгеймер решил понять: какой будет аналог массового предела Чандрасекара для звезд такого типа? Ответить на этот вопрос гораздо сложнее, чем в случае белых карликов. Там работали только силы гравитации, они сдавливали вещество, а принцип Паули их «расталкивал». Нейтроны же сильно взаимодействуют друг с другом, причем тонкости этого взаимодействия тогда были совершенно не ясны и трудно было делать какие-либо численные оценки. Тем не менее Оппенгеймер с присущим ему блеском провел их и пришел к выводу, что массовый предел сравним с пределом Чандрасекара для белых карликов.

Он хотел обсудить вопрос с Эддингтоном и, зная его отрицательное отношение к коллапсу, решил изучить процесс досконально, а для этого поручил своему студенту Снайдеру разработать проблему коллапса звезды. Ясно, что студент может решить не слишком трудную задачу, и Оппенгеймер максимально упростил ее, пренебрегая всем, чем только возможно. В результате Снайдер справился с заданием при помощи простого арифмометра, но получилось у него нечто необычное: оказалось, что коллапс звезды драматически зависит от того, откуда на нее смотришь.

Два взгляда на коллапс


Начнем с наблюдателя, находящегося в покое на безопасном расстоянии от звезды. Запомним, что есть еще один, которому повезло меньше: он сидит на самой поверхности коллапсирующей звезды и посылает сигналы своему более удачливому коллеге. Частота сигналов будет все время уменьшаться, и неподвижный наблюдатель придет к выводу, что часы на поверхности коллапсирующей звезды замедляют свой ход.

При достижении радиуса Шварцшильда эти часы просто остановятся. Неподвижный наблюдатель вынужден будет прийти к выводу, что ничего не происходит, или звезда коллапсирует за бесконечное время. Что будет с ней потом, никто не знает, потому что какое может быть «потом» после бесконечности? Все процессы на звезде как бы замерзают при приближении к радиусу Шварцшильда.

Пока в 1967 году известный физик Джон Уилер не придумал удачный термин «черные дыры», о таких объектах в литературе говорили как о замерзших звездах. Это замерзшее состояние и есть истинное содержание сингулярности в геометрии Шварцшильда. Как отмечали Снайдер и Оппенгеймер в своей статье, «коллапсирующая звезда стремится перекрыть все каналы общения с удаленным наблюдателем, действует лишь ее гравитационное поле». Иными словами, возникает черная дыра.

Но что же происходит с нашим вторым наблюдателем? Не забывайте, что это всего лишь мысленный эксперимент, не дай Бог даже в кошмарном сне ощутить, что происходит в том гравитационном аду! Для наблюдателя на звезде радиус Шварцшильда не является чем-то выделенным, он проходит через него и дальше за вполне определенное время по своим часам. Единственное, что должно настораживать, это колоссальные приливные гравитационные силы, которые давно должны были разорвать его на мелкие кусочки.

Все это было написано в 1939 году, и мир сам был близок к тому, чтобы быть разорванным на куски Второй мировой войной. Оппенгеймер вскоре возглавил работы по созданию атомной бомбы и никогда больше не возвращался к тематике черных дыр, Эйнштейн тоже. В 1947 году Оппенгеймер стал директором Института перспективных исследований в Принстоне, где Эйнштейн был профессором. Время от времени они общались, но записей бесед не сохранилось. О черных дырах как-то забыли и вспомнили лишь в шестидесятые годы, когда появились такие экзотические небесные объекты, как квазары, пульсары и компактные источники гамма-лучей. Вот для того чтобы обеспечить колоссальное энерговыделение в них, и понадобились безумные гравитационные поля черных дыр и звездного коллапса. Астрономы стали их искать.

Небесные колебания


Квазары были открыты в 1963 году, и сразу стало ясно, что их яркость меняется со временем. У небольшого их числа период изменения достаточно короток — месяцы или даже часы. Большинство астрономов сходятся на том, что такие короткопериодические флуктуации связаны с падением звезды на черную дыру, когда за короткое время выделяется невообразимое количество энергии. Но есть квазары, меняющие свою яркость с периодом пять — десять лет. «За тридцать лет наблюдения мы собрали колоссальное количество данных о них, но, к сожалению, мы все еще не понимаем до конца, что они из себя представляют», — говорит Богдан Пачинский из Принстона.

Совсем недавно Майкл Хоукинс из Королевской обсерватории в Эдинбурге выдвинул гипотезу, что эти колебания вызываются черными дырами. И если раньше думали, что масса черных дыр во много раз превышает массу Солнца, то по идее Хоукинса — есть и совсем крошечные «дырочки», не больше метра в диаметре. Они родились в первые мгновения после Большого взрыва, и самая ближайшая такая крошка может быть не так уж далеко от нас.

Хоукинс заинтересовался квазарами достаточно случайно. В 1975 году он изучал небольшой участок неба в четыре-пять градусов на трех диапазонах длин волн. Целью было систематическое изучение переменных звезд. Уже к 1980 году Хоукинс понял, что звезды — совсем не единственные переменные объекты, причем есть вариации с очень долгими периодами. «Я обнаружил там четкие эмиссионные линии — безошибочное свидетельство того, что это квазары», — рассказывает он. Заинтересовавшись, Хоукинс оперативно поменял свои планы и стал наблюдать за квазарами. Через несколько лет ему удалось изучить почти все из полутора тысяч известных квазаров на «его» участке неба.

Квазары — это самые яркие объекты во Вселенной. Они ярче сотен галактик, но энергию излучают из небольшой области размером в нашу Солнечную систему. Хоукинс обнаружил, что каждый найденный им квазар меняет яркость за несколько лет по синусоидальному закону. Величина изменений — от тридцати до ста процентов. Но главная странность заключается в том, что эти изменения вызваны не процессами в самом квазаре, а их претерпевает свет на пути к земному наблюдателю. Это доказывается тем, что изменения в самих квазарах были бы более долгими для удаленных объектов, поскольку Вселенная расширяется, вызывая замедление времени для удаленных частей. Хоукинс не нашел такой зависимости.

Линзы за работой


Второй намек на то, что все происходит по дороге к Земле, Хоукинс нашел при анализе цвета квазаров. Обычно снижение яркости всегда сопровождается сменой цвета: чем жарче и ярче, тем синее. Но этого опять не наблюдается!

Хоукинс предположил, что причиной колебаний может стать небольшой массивный объект, действующий как гравитационная линза на пути лучей. Идея линзы объясняет и то, что цвет не меняется, и то, что нет зависимости от расстояния. Если линза близко от Земли, то она будет достаточно быстро проходить перед квазаром и период колебаний будет невелик. Проанализировав расстояние до переменных квазаров и периоды колебаний, Хоукинс пришел к выводу, что массы линз могут быть сравнимы с массами крупных планет.

Гипотеза Хоукинса повергла все астрономическое сообщество в сомнения и глубокую задумчивость: если практически на каждый квазар находится объект-линза, то Вселенная просто должна быть наводнена ими. Эти невидимки могут составлять большую часть ее массы! Оценки говорят, что масса всех подобных линз может в несколько сот раз превышать массу видимой части Вселенной.

Если гипотеза подтвердится, то это будет истинной революцией в астрономии и космологии. Все эти черные «дырочки» с лихвой обеспечивают Вселенную массой, необходимой для остановки ее расширения и начала сжатия. Таким образом, они решают одну из наиболее острых проблем последних лет — темного вещества, или скрытой массы. Суть ее в том, что большую часть массы Вселенной составляет темное несветящееся вещество, которое проявляется только по гравитационному воздействию. «Большинство темного вещества содержится в таких объектах с массой около массы Юпитера. Ближайший к нам такой объект может быть всего в тридцати световых годах от Земли», полагает Хоукинс.

Но на что же они могут быть похожи? Темное вещество не может быть обычным веществом из протонов и нейтронов, поскольку вся такая материя уже собрана в звездах, газовых облаках и галактиках, и астрономы видят ее. Количество такой материи просчитывается по относительному количеству легких элементов во Вселенной.

Мистическое вещество


Если это не обычное вещество, то что же это такое?… Хоукинс считает, что есть единственное реалистическое объяснение: черные дыры, образованные на заре рождения Вселенной. Идея звучит достаточно неожиданно, поскольку термин «черные дыры» был традиционно связан с гравитационным коллапсом тяжелых звезд. Для массы Юпитера этот процесс невозможен.

Однако в первые моменты после Большого взрыва были созданы такие условия, что даже небольшая масса могла сжаться в черную «дырочку». Еще в 1980 году Дэвид Шрамм и Матт Кроуфорд из Чикагского университета оценили, что такие адские условия могли возникнуть через несколько миллионных долей секунды после взрыва. В это время Вселенная представляла собой горячий «суп» из свободных кварков. Мгновением позже сильное взаимодействие стало собирать кварки в протоны и нейтроны. При таком переходе плотность некоторых участков первичного «супа» может стать гигантской, вполне достаточной для спонтанного возникновения черных дыр. Расчеты подтверждают эти предположения.

Вначале революционная идея Хоукинса вызывала сильные протесты. Мартин Ривс из Кембриджа указывал на то, что вероятность наткнуться на подобную линзу у самых близких квазаров очень мала, а у них тоже есть колебания яркости. Хоукинс соглашается с возражениями, но у таких квазаров колебания очень коротенькие, и они могут быть вызваны процессами в самом квазаре.

Следующее возражение относится к тому, как происходит процесс изменения яркости. В случае линзы яркость должна нарастать и спадать симметрично, а среди квазаров Хоукинса особой симметрии не было. Тогда он предположил, что накладывался эффект действия нескольких линз, и сложный математический анализ подтвердил эту гипотезу: для каждого квазара удалось выделить несколько симметричных кривых.

Но астрономы не приучены к сложной математике, и им хотелось бы наблюдать четкий и симметричный сигнал от одной линзы.

Время проверять


Кроме того, Петер Шнайдер из Института Макса Планка придумал другое объяснение для эффекта независимости цвета от удаления квазаров. Свет от далеких квазаров смещен в красную область — ведь Вселенная расширяется, и они удаляются от нас с огромными скоростями. Значит, квазар испускает более короткие длины волн, чем мы видим, а более короткие волны исходят из более горячих и компактных участков квазаров, их центров. Они могут менять свою яркость быстрее, чем весь квазар в целом. «Хоукинс видит у далеких квазаров колебания яркости не всего квазара в целом, а его небольшой части, поэтому они происходят достаточно быстро, это компенсирует ожидаемый эффект увеличения периода колебаний с удалением квазара», считает Шнайдер.

Однако, несмотря на все возражения, идея Хоукинса считается очень интересной, и ее просто необходимо проверять дальше. Особенно интересно посмотреть на те квазары, рядом с которыми есть галактики, потому что они могут своими массами работать как добавочные гравитационные линзы и делать эффект Хоукинса более четким и наглядным.

Хоукинс полон планов и надежд: «Я собираюсь продолжать и расширять свои исследования. В конце концов я слежу за квазарами всего двадцать лет, светимость их успела нарасти и снизиться только два раза. Понятно, что это не очень убедительный материал».

«Колоссальным преимуществом идеи Хоукинса является возможность ее экспериментальной проверки», считает Энди Тейлор, коллега Хоукинса по Эдинбургу. С этим соглашается и Шрамм.

А нам остается ждать. Может быть, начало следующего века подарит нам такую же ломку представлений о природе, как это случилось в уходящем столетии.



См. также:
Конно-спортивный комплекс
Вулкан удачи ждет вас
Безопасность счета в интернет-казино
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное
Цена лизинга самосвалов может быть уточнена у наших менеджеров! Компания «ЮЛК» предлагает приобрести самосвалы в лизинг, затратив при этом небольшую сумму денежных средств. Мы предоставляем для малого и среднего предпринимательства максимально выгодные условия для покупки спецтехники в лизинг. По всем вопросам, связанным с лизингом спецтехники, обращайтесь по телефону, указанному на сайте.

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005