Что будет если попасть внутрь черной дыры
В черных дырах могут быть вселенные. Рассказываем о новом открытии
Астрофизики показали, что в заряженных черных дырах теоретически могут существовать экзотические фрактальные объекты и множество других необычных вещей. Разбираемся, что мы вообще знаем о черных дырах теперь.
Читайте «Хайтек» в
Что такое черные дыры?
Черные дыры — массивные космические объекты. Увидеть их почти невозможно, поскольку они не отражают свет, даже, наоборот, поглощают его в прямом смысле слова. Их сила притяжения настолько велика, что даже лучи света не могут устоять, и они попадают под влияние дыры. Поэтому вокруг нее «изображение» космоса нам кажется расплывчатым и искаженным. Это видно на картинке выше.
Черные дыры — не черные шары, какими мы привыкли видеть их. Они прозрачные, но оставляют черную тень. Это даже не дыра, а шарообразный поглотитель всего, что попадает под влияние его гравитации.
Как возникают черные дыры?
Звезды, превышающие массу и размеры нашего Солнца во много раз, в конце своей жизни взрываются и образуют либо нейтронную звезду, либо начинают сильно сжиматься, словно «падая» внутрь себя, стремительно уменьшая свои размеры при неизменной массе. Плотность материи в сжимаемой точке становится очень высокой, соответственно, гравитация сильно увеличивается. Когда размер звезды становится настолько мал и плотность настолько высока в одном месте, она «проваливается» внутрь себя, в результате чего появляется черная дыра.
Черная дыра, например, массой с одно Солнце будет по размеру меньше, чем наше светило.
В настоящее время мы знаем о четырех разных способах образования черных дыр
Насколько большие черные дыры?
Можно представить горизонт черной дыры как сферу, и ее диаметр будет прямо пропорциональным массе черной дыры. Поэтому чем больше массы падает в черную дыру, тем больше становится черная дыра.
По сравнению со звездными объектами, черные дыры крошечные, потому что масса сжимается в очень малые объемы под действием непреодолимого гравитационного давления. Радиус черной дыры массой с планету Земля, например, всего несколько миллиметров. Это в 10 000 000 000 раз меньше настоящего радиуса Земли.
Радиус черной дыры называется радиусом Шварцшильда в честь Карла Шварцшильда, который впервые вывел черные дыры как решение для общей теории относительности Эйнштейна.
Где находятся черные дыры?
Чаще всего они расположены в центре галактик. Они имеют большую силу притяжения, благодаря чему им удается удерживать звездные системы на очень большом расстоянии, образуя галактики, известные нам сейчас.
В центре нашего Млечного пути тоже есть сверхмассивная черная дыра под названием Стрелец А*. Она тяжелее Солнца в 4.02 млн раза, а радиус ее ≈ 45 астрономическим единицам (одна астрономическая единица = одному расстоянию от Земли до Солнца).
Помимо сверхмассивных черных дыр в центрах галактики есть и «локальные», образующиеся после кончины массивных звезд.
Что внутри черной дыры?
Никто не знает наверняка. Общая теория относительности прогнозирует, что в черной дыре сингулярность, место, в котором приливные силы становятся бесконечно большими, и как только вы преодолеваете горизонт событий, то уже не можете попасть куда-либо еще, кроме как в сингулярность. Соответственно, общую теорию относительности лучше не использовать в этих местах — она попросту не работает. Чтобы сказать, что происходит внутри черной дыры, нам нужна теория квантовой гравитации. Общепризнано, что эта теория заменит сингулярность чем-то другим.
Почему внутри черной дыры могут быть вселенные?
Существует множество гипотетических черных дыр — с электрическим зарядом или без него, вращающиеся или неподвижные, окруженные материей или плавающие в пустом пространстве. Некоторые из этих гипотетических черных дыр наверняка существуют в нашей Вселенной. Например, вращающаяся черная дыра, окруженная падающей материей — довольно распространенный тип этих объектов.
Но некоторые другие виды черных дыр являются чисто теоретическими. Описать их поведение и свойства можно, полагаясь только на математические методы. Одним из таких объектов является электрически заряженная черная дыра, окруженная антидеситтеровским пространством. Этот вид пространства имеет постоянную отрицательную геометрическую кривизну и похож по форме на седло.
Такого пространства в нашей Вселенной не существует, но его существование в теории открывает множество интересных эффектов, которые можно исследовать. Одна из причин, по которой это стоит исследовать, заключается в том, что заряженные черные дыры имеют много общего с вращающимися черными дырами, существующими в нашей Вселенной.
Авторы нового исследования обнаружили, что когда такие черные дыры становятся относительно холодными, они создают «туман» из квантовых полей вокруг своей поверхности. На поверхности объекта этот туман поддерживает гравитация черной дыры, но выталкивает наружу электрическое поле. В результате в таком тумане формируется сверхпроводящая среда. У таких черных дыр помимо обычного горизонта событий есть еще и внутренний горизонт. Благодаря этому в заряженные черные дыры можно проникнуть и не разорваться на атомы.
Ученые показали, что по ту сторону заряженной черной дыры вас могут ждать загадочные эффекты. Исследователи обнаружили, что самые внутренние области сверхпроводящей черной дыры могут представлять собой расширяющуюся Вселенную — место, где пространство может растягиваться и деформироваться с разной скоростью в разных направлениях.
Более того, в зависимости от температуры черной дыры в некоторых из этих областей пространства может произойти новый виток колебаний, который затем создаст еще один участок расширяющегося пространства, он вызовет новый виток колебаний, который затем создаст новый участок расширяющегося пространства, и так далее до бесконечности. Это будет фрактальная мини-Вселенная, бесконечно повторяющаяся с уменьшением размеров.
Что такое черная дыра, и что будет с космонавтом, если он туда попадет? Случалось ли такое, чтобы там исчезали спутники или люди?
Наука предполагает, что чёрная дыра образуется в результате подходящего стечения обстоятельств при взрыве звезды.
Сдавливание приводит к тому, что всё вещество (все атомы) располагается настолько плотно, насколько это вообще возможно. Наверное, вы помните, что вещество состоит из атомов и расстояния между атомами огромные. Можно сказать, что обычно любая материя почти целиком состоит из пустоты. И лишь изредка там встречаются атомы.
Ни люди, ни спутники (по крайней мере те, что сделаны человеком) в чёрные дыры не падали, потому что ближайшая чёрная дыра находится очень далеко. В солнечной системе чёрных дыр нет.
Если в чёрную дыру упадёт космонавт, то он погибнет. Наступит момент, когда из-за невероятно сильной гравитации его нижняя часть тела оторвётся от верхней. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока космонавт не разделится на атомы. Одновременно с этим, с боков гравитация будет, наоборот, сдавливать его и, в конце-концов, расплющит в ниточку атомов. Эти атомы продолжат лететь к центру чёрной дыры.
Но всего этого мы уже не увидим. Если чёрная дыра достаточно большая, то (глядя со стороны) мы увидим, как космонавт подлетает к горизонту событий, его образ замирает, тускнеет и растворяется в абсолютной черноте. Хотя если чёрная дыра маленькая, то космонавт, скорее всего, погибнет (по тем же причинам) ещё до того, как долетит до чёрной дыры (до горизонта событий).
P. S. Ради простоты описания мною были допущены некоторые небольшие неточности, которые не влияют на общую идею сказанного.
Астрофизики нашли способ безопасно проникнуть в черную дыру. Разгадка тайны стала ближе?
Несмотря на то, что о существовании черных дыр известно едва ли не каждому жителю Земли, ученые до сих пор очень мало знают об этих объектах. Существуют тонны научных публикаций, терабайты исследований и даже одна-единственная фотография, полученная ценой невероятных технических ухищрений, но вопросов о черных дырах все равно намного больше, чем ответов. Недавно американские астрофизики назвали условия, при которых человек сможет безопасно попасть в черную дыру. Подробнее – в материале нашего научного обозревателя Николая Гринько.
Неизвестного так много, что ученые даже не называют их «объектами»: согласно общепринятой формулировке, черная дыра – это область пространства, в которой настолько велико гравитационное притяжение, что никакой объект или излучение не могут ее покинуть. Виновата в этом чудовищная масса, образовавшаяся после коллапса какой-нибудь звезды. Понятно, что сила гравитации не распространяется бесконечно: на некотором расстоянии от черной дыры она ослабевает настолько, что свет и вещество уже могут вырваться из ее цепких объятий. Эта условная граница называется горизонтом событий.
Понять, что происходит внутри черной дыры, невероятно сложно, поскольку ни заглянуть в нее, ни получить оттуда хоть какую-нибудь информацию невозможно. Даже увидеть ее нельзя! На той самой единственной фотографии видно лишь аккреционный диск: гигантское облако из раскаленного газа, вращающегося вокруг черной дыры.
Практически все, что мы знаем об этих объектах – результат теоретических вычислений. Но совсем недавно группа астрофизиков из американского Гриннелл-колледжа нашла способ, которым человек может проникнуть внутрь черной дыры. Точнее, это набор условий, при которых наблюдатель может относительно безопасно пересечь горизонт событий.
Ученые утверждают, что во Вселенной есть множество типов черных дыр самых разных размеров. От крохотных (буквально в прошлом году исследователи предположили, что прямо в нашей Солнечной системе блуждает такой объект размером примерно с апельсин) до гигантских (считается, что одна такая расположена в центре нашей Галактики, ее масса в три миллиона раз больше массы Солнца). Для безопасного проникновения подходит только один очень (и очень редкий) тип – изолированная сверхмассивная черная дыра с массой в миллиарды раз больше Солнца.
Если дыра будет небольшой, массой в одно Солнце, то радиус ее горизонта событий составит всего 3 километра. Градиент гравитации здесь огромен: если представить, что человек решится нырнуть сквозь горизонт «солдатиком», то на его ноги гравитация будет действовать примерно в триллион раз сильнее, чем на макушку. Последствия буду весьма печальными: путешественника мгновенно растянет в тонкую и очень длинную «макаронину», что, как мы понимаем, мало совместимо с жизнью.
А вот если черная дыра будет тяжелее Солнца хотя бы в 4 миллиона раз, то радиус ее горизонта событий составит почти 12 миллионов километров, и гравитационная разница будет настолько небольшой, что человек (разумеется, в каком-нибудь особо прочном космическом корабле) сможет беспрепятственно проникнуть внутрь.
Остались сущие пустяки: найти способ путешествовать на сверхгигантские расстояния, найти изолированную сверхмассивную черную дыру, построить звездолет, способный долететь до нее, собрать экипаж и отправить миссию сквозь горизонт событий. Правда, здесь есть одно «но»: смысла в такой экспедиции будет очень мало, поскольку ни выбраться из черной дыры, ни даже передать оттуда хоть-какую-нибудь информацию совершенно невозможно. Так что работа астрофизиков представляет собой всего лишь теоретические выкладки и в обозримом будущем вряд ли будет применима на практике. Хотя…
Спросите Итана №57: как умирают чёрные дыры?
Самые плотные и массивные объекты Вселенной живут ужасно долго, но не вечно. И вот, что с ними случается
Перед фактом сядьте, словно ребёнок, и приготовьтесь расстаться с любым предубеждением, следуя скромно куда и к чему бы не привели бездны природы, или же вы ничему не научитесь.
— Т. Г. Хаксли
Представляя себе чёрные дыры вы, наверно, думаете о сверхплотных и очень массивных участках пространства, откуда ничто не может убежать. Ни материя, ни антиматерия, ни даже свет! Вы также можете думать, что они продолжают питаться всем, чему не посчастливилось столкнуться с ними, даже тёмной материей. Но в какой-то момент любая чёрная дыра во Вселенной не только закончит расти, но и начнёт уменьшаться, терять массу, до тех пор, пока не испарится полностью! На этой неделе в нашей колонке мы ответим на вопрос Павла Жужельского, который спрашивает:
Я часто видел объяснения излучения Хокинга типа: «пары виртуальных частиц появляются на горизонте событий. Одна падает в дыру, другая убегает, унеся с собой частичку массы дыры». И обычно мелким шрифтом указано, что это – упрощение. Наверно, это так и есть – ведь если одна из частиц падает в дыру, её масса должна увеличиваться на массу частицы. В чём подвох?
Это очень сложная тема, но такая, которую мы понимаем. Начнём с обсуждения того, как выглядит пустое пространство.
В общей теории относительности пространство и время имеют запутанную связь, и формируют четырёхмерную ткань пространства-времени. Если вы уберёте все частицы во Вселенной на бесконечно большое расстояние от нужной вам точки, если вы уберёте факт расширения пространства из уравнений, если вы также устраните все виды излучений, и присущую космосу кривизну – вы сможете заявить, что создали плоское пустое пространство.
Но когда вы начинаете принимать во внимание, что живёте во Вселенной, где всеми частицами и их взаимодействиями управляет квантовая теория поля, вам придётся признать, что даже в отсутствие физических частиц, физические поля, управляющие их взаимодействиями, никуда не денутся. Одним из последствий этого будет то, что сущность, которую мы представляем себе, как «плоское пустое пространство», не избавлено от энергии. Вместо этого нужно представлять себе плоское пустое пространство как квантовый вакуум, где повсюду есть квантовые поля.
Вам может быть знакомой идея, что на квантовых масштабах во Вселенной существуют присущие пространству неопределённости конкретных параметров. Мы не можем одновременно знать расположение и импульс частицы, и чем лучше измеряем один из них, тем больше неопределённость у второго. Такое же взаимоотношение неопределённостей свойственно энергии и времени, что для нас сейчас важно.
Если вы наблюдаете за тем, что представляете себе, как пустое пространство, но при этом наблюдаете за этим в определённый момент времени, вам нужно учесть, что момент – это бесконечно малый промежуток времени. Из-за этого взаимоотношения неопределённостей существует огромная неопределённость в общем количестве энергии, содержащемся даже в пустом пространстве в это время. Это значит, что там может, в принципе, быть несколько пар из частиц и античастиц, существующих на очень кратких промежутках времени, пока они подчиняются известным законам сохранения, действующим в физической Вселенной.
Мы часто слышим объяснение вроде «пары частица-античастица возникают и исчезают в квантовом вакууме», и хотя такое объяснение довольно наглядно, на самом деле происходит не совсем это. Там нет настоящих частиц, в том смысле, что если вы запустите фотон или электрон через эту область пространства, они никогда не отразятся от частицы квантового вакуума. Это описание даёт нам возможность заглянуть в присущую квантовому вакууму «дрожь», и показывает, что там есть резервуар виртуальных частиц, позволяющий нам трактовать присущую пустому пространству энергию как сумму всех этих виртуальных частиц.
Повторюсь, так как это важно: существует энергия, присущая самому пустому пространству, и её можно представить, как сумму квантовых флуктуаций, присущих этому пространству.
Пойдём дальше. Представим, что пространство, вместо того, чтобы быть плоским и пустым, всё ещё пустое, но уже искривлено – то есть, в гравитационном поле космоса существуют отклонения.
Как будут выглядеть наши квантовые флуктуации? В частности, если мы позволим пространству искривляться из-за присутствия чёрной дыры, как они будут выглядеть снаружи и внутри горизонта событий?
Вопросы хорошие, и чаще всего в поисках ответа вы увидите следующую (неправильную) картинку, которая являет собою суть вопроса Павла:
Если представлять себе пары частица/античастица как реальные, и если одна убежит от чёрной дыры, а другая упадёт за горизонт событий – то получится, что во Вселенной прибавилось энергии: половина вне чёрной дыры и половина к массе чёрной дыры. Но эти пары частиц и античастиц не являются реальными, а представляют собою лишь способ визуализации и подсчёта энергии, присущей пространству.
Дело в том, что при искривлённом пространстве, как вы помните, существуют отклонения гравитационного поля. Мы используем флуктуации для помощи в визуализации энергии, присущей пустому пространство, но могут возникать флуктуации, начинающиеся снаружи горизонта событий, которые попадут внутрь горизонта, не успев ре-аннигилировать. Но нельзя украсть энергию у пустого пространства – что-то должно случиться, чтобы её сохранить. Поэтому каждый раз, когда виртуальная частица (или античастица) падает внутрь, настоящий фотон (или их набор) должен появиться для компенсации. И этот реальный фотон, покидающий горизонт событий, и уносит энергию от чёрной дыры.
Тот способ, который мы ранее использовали для визуализации процесса, когда одна из пары частиц падала, а другая – убегала, слишком наивен, чтобы быть полезным, поскольку уменьшению чёрных дыр способствуют не частицы или античастицы, а фотоны, соответствующие спектру чёрного тела.
Я предпочитаю картинку получше, хотя она всё равно ещё довольно наивна. Представьте квантовые флуктуации, при которых каждый раз, когда у вас появляется пара частица-античастица, из которых одна падает внутрь, появляется ещё одна пара частица-античастица, у которой внутрь падает другая. Оставшаяся снаружи пара из частицы и античастицы аннигилирует, испуская реальные фотоны, а те, что падают внутрь, забирают соответствующее количество массы (Е = мс 2 ) у чёрной дыры.
Это всё ещё не идеальная аналогия (потому что это всего лишь аналогия), но, по крайней мере горизонт событий в ней покидают фотоны, что соответствует предсказаниям излучения Хокинга. Фактически – хотя вам придётся провести подсчёты квантовой теории поля в искривлённом пространстве-времени, чтобы это выяснить – излучение Хокинга предсказывает, что спектр фотона будет соответствовать абсолютно чёрному телу с температурой, заданной:
что даст температуру меньше одного микроКельвина для чёрной дыры массой равной массе Солнца, меньше одного пикоКельвина для чёрной дыры в центре нашей галактики, и всего лишь несколько десятых от аттоКельвина для самой крупной из известных чёрных дыр. Скорость уменьшения, которому соответствует это излучение, настолько мало, что чёрные дыры будут расти, даже если они будут поглощать один протон за промежуток времени, сравнимый с возрастом нашей Вселенной – это будет продолжаться ещё примерно 10 20 лет.
После этого чёрные дыры массой с Солнце, наконец, начнут терять из-за излучения Хокинга в среднем больше энергии, чем поглощают, и полностью испарятся через 10 67 лет, а самые крупные из них – через 10 100 лет. Это может сильно превышать возраст Вселенной, но это и не вечность. А уменьшаться они будут благодаря излучению Хокинга, испуская фотоны.
В итоге: у пустого пространства есть энергия нулевого уровня, которая не равна нулю, а в искривлённом пространстве на горизонте событий чёрной дыры появляется низкоэнергетический спектр излучения абсолютно чёрного тела. Это излучение отнимает массу у чёрной дыры и слегка сжимает горизонт событий со временем. Если вы настаиваете на представлении источника этого излучения в виде пар частица/античастица, хотя бы представляйте по две пары за раз. Тогда частица от одной пары и античастица от другой аннигилируют, создавая реальные фотоны, покидающие чёрную дыру, а другая виртуальная пара частиц падает в дыру и забирает её энергию (или массу).
Вот так чёрные дыры и умрут! Спасибо за отличный вопрос, Павел, и если у вас есть вопросы или предложения, отправляйте их мне.
Научный интерстеллар: как упасть в черную дыру и почему Хокинг мог быть не прав
Объяснить, что такое черная дыра и как она образуется, непросто. Еще сложнее экспериментально подтвердить все теоретические рассуждения на эту тему: от Эйнштейна до Хокинга. Эмиль Ахмедов, доктор физико-математических наук и профессор МФТИ, выступил на фестивале науки и технологий «ПРОСТО», организованном российским ИТ-вузом. Ученый рассказал о том, как образуется черная дыра, как в нее упасть и почему физик Росслер боялся, что Большой адронный коллайдер породит дыру в Земле.
Читайте «Хайтек» в
Как ведет себя пространство-время рядом со звездой
Чтобы понять, что такое черная дыра, необходимо установить, как искривляется пространство-время. Моя задача — нарисовать координатную сетку в пространстве-времени, для этого я использую воображаемые линии, как меридианы и параллели на поверхности Земли. Можно нарисовать такую же карту в пространстве-времени: сначала без черной дыры, а потом в ее присутствии. Для этого я буду использовать лучи света. Причина следующая, и это известно еще со времен Герона Александрийского: свет движется по траектории с наименьшей затратой времени. Используя этот принцип, можно, например, вычислять коэффициенты преломления или, вернее, зная коэффициенты преломления, можно вычислять, как будет искажаться свет при переходе из стекла в воздух или из воды в воздух. Если свойства среды не меняются, свет движется по кратчайшему пути.
Примером однородного пространства является вакуум: пустота, в которой нет никаких частиц. Свет в ней, по принципу Ферма, должен двигаться по кратчайшему пути. Если свет движется в плоском пространстве, то есть в двумерном и неискривленном, кратчайшим путем будет прямая. Но оказывается, что в присутствии гравитирующих объектов свет движется не по прямой: лучи света искривляются. Это связано с тем, что гравитирующие тела искривляют пространство-время.
В ньютоновой механике отдельно измеряется расстояние в пространстве и отдельно — время. Для чего это нам нужно? Чтобы, например, определить траекторию полета частицы, ядра, ракеты или самолета. Специальная теория относительности заявляет, что отдельного способа измерения расстояния и времени нет, а есть единый способ измерения расстояний в пространстве-времени. Когда мы говорим о пространственно-временном континууме, то речь идет о четырехмерном пространстве: три координаты плюс временная координата. Но не очень понятно, как четырехмерное пространство-время нарисовать на двумерной поверхности. Мы знаем, что положение в пространстве можно определять по трем координатам: x, y, z — это декартовы координаты. С другой стороны, мы можем точно определять положение точки в пространстве, используя сферические координаты. Поэтому можно использовать только координату r и временную координату. В результате получается полуплоскость, потому что r всегда больше 0, а время может быть от минус до плюс бесконечности. Точка в этом пространстве — эта сфера. Например, в момент времени t0, если рассматриваю точку r0 на этой полуплоскости, то это просто какая-то сфера радиуса r0, взятая в момент времени t0.
Есть сфера радиуса r 0, и с любой точки этой сферы излучаются лучи света, идущие внутрь и наружу. То есть получается волновой световой фронт, который идет внутрь — сжимающаяся сфера, и идущий наружу — расширяющаяся сфера. Но представьте себе, что в каждый данный момент пространство расслоено
как луковица. В момент времени t0 взята сфера радиуса r0, с поверхности которой исходят лучи. Те, что идут внутрь, образуют фронт с радиусом r0 — Δr, а те, что наружу, — r0 + Δr. Наклон этих линий по отношению к вертикальной оси составляет 45 градусов, потому что скорость распространения равна скорости света.
Если мы имеем дело с частицей, которая распространяется не со скоростью света, то она не может двигаться со скоростью большей, чем скорость света, и, соответственно, может двигаться в любом направлении внутри этого угла.
. Если рисовать воображаемые лучи света, используя нашу диаграмму, то получится воображаемая координатная сетка. По этому рисунку понятно, почему я выбрал лучи света. Представьте себе, что вместо света я выбрал бы какие-то другие частицы, которые имеют массу, тогда в координатной сетке появилась бы неоднозначность: частицы могут двигаться с любыми скоростями. Чем выгоден свет? Тем, что есть неоднозначный выбор в направлении: либо наружу, либо внутрь, а после этого сетка однозначно фиксирована.
Как изменит излучение наличие звезды? Представим себе, что существует звезда с радиусом тела rтела. Значит, она заполняет все радиусы до rтела, потому что там внутри есть какое-то вещество. В данный момент времени — например, t = 0 — звезда выглядит просто как отрезок. Если рассмотреть все моменты времени, то получится полоска. Теперь представим, что будет происходить с лучами света в присутствии гравитирующего тела. Красным цветом нарисованы лучи света, как они выглядели бы в отсутствие звезды. А фиолетовым — лучи света в присутствии гравитирующего тела. Из общих соображений можно сделать несколько выводов: гравитирующее тело искажает лучи света, и те лучи, которые находятся ближе к звезде, искажаются сильнее, чем те, что находятся дальше. Поэтому далеко от звезды фиолетовые лучи практически не отличаются от красных.
Представьте себе, что масса тела начнет меняться, а радиус будет зафиксирован. Масса будет расти, и чем больше она, тем сильнее тело будет влиять на лучи. В какой-то момент масса увеличится настолько, что произойдет следующее явление. В некоторый момент некоторый уголок станет на попа, то есть просто вертикально. Я взял точку излучения фиолетовых лучей не на радиусе горизонта, а чуть-чуть внутри, поэтому луч идет не вертикально, а искажается.
На данный момент пределов увеличения массы черной дыры не существует. По крайней мере, нам неизвестно. Возможно, дело в том, что любая естественнонаучная теория имеет пределы применимости, значит, в частности теория относительности теряет свою применимость где-то в внутри черной дыры. Общая теория относительности теряет свою применимость очень близко к области, где сконцентрирована почти вся масса черной дыры. Но на каком радиусе это происходит и что заменяет общую теорию относительности, неизвестно. Также нельзя исключать, что если масса черной дыры очень сильно увеличится, что-нибудь изменится.
Первый вопрос, который должен возникнуть: куда же делась звезда? Так как траектория любой частицы с массой может находиться только внутри этого уголка, она движется так (красный цвет — «Хайтек») и попадает на центр. Если из любой точки частица с массой неизбежно попадет в центр, то и вся масса, все тело звезды сожмется в центр.
Проблема заключается в том, что координаты r и ct применимы только в определенной области, а за ее пределами уже нет. Представьте себе, что у вас на поверхности Земли есть меридианы и параллели, и с их помощью можно найти положение любого объекта. Но на поверхности есть пещера, которая идет вглубь, и есть задача определить положение мухи в этой пещере. Долгота и широта для этого уже не подойдет, теперь нужно ввести новую координатную сетку. Происходит некоторая подмена: я рисовал картинку с использованием r и t, чтобы показать явление, но важно, что здесь уже нет координат r и t, а есть какие-то другие координаты, которые описывают поведение внутри черной дыры. Значит, там время направлено не вертикально, а течет в сторону оси, и это показывается этими уголками.
Чтобы получить координатную сетку для пространства-времени черной дыры, можно взять статическую картинку и повторять одну за другой, «приклеивая» одну к другой. Фиолетовым цветом нарисованы исходящие лучи, а красным — входящие внутрь. Вертикальный луч — тоже луч света, rгоризонта. Эти фиолетовые линии делятся на две группы. Те, что направлены наружу, уходят в бесконечность, а те, что внутри, направлены внутрь и уходят в r, равное 0. Это явление и является черной дырой.
Что происходит с объектом, когда он падает в черную дыру
Представьте себе, что некий объект висит над черной дырой, и у него тикают часы, или объект слетал к черной дыре и вернулся, и у него тоже тикали часы. Я могу определить, сколько натикало по часам каждого из этих объектов. Я просто посчитают длину линии, которую он начертил на этой диаграмме, и поделю на скорость света. Тот, который висел, у него одно время натикает, а у летающего натикает другое. Например, у одного может пройти несколько часов, а у другого — годы. Как в фильме «Интерстеллар». Подобное явление мы видим на Земле, но она не так сильно искривляет пространство-время. Это заметно в системах глобального позиционирования: часы на спутниках, которые участвуют системе глобального позиционирования, показывают другое время. Если я слетаю на спутник и вернусь, на моих часах протикает отличное от спутника время. Это явление учитывается для того, чтобы GPS работала.
По часам наблюдателя, который висит над черной дырой, проходит бесконечно долго времени, пока он наблюдает за объектом, падающим черную дыру. Объект, который падает черную дыру, никогда не пересекает горизонт событий. Он все ближе и ближе, как Ахиллес за черепахой, но может его достичь. По часам объекта пройдет конечное время. Как это определить? Измеряют длину мировой линии между одинаковыми параллелями и меридианами. Чем длиннее этот отрезок, тем сильнее искривлен. Объект летит, по его часам тикают промежутки времени — на графике это параллели, которые отстоят вдоль мировой линии на одинаковые промежутки времени Δt. Но там, где наблюдатель, промежуток времени растет, причем по мере приближения к горизонту событий промежуток времени растет неограниченно. В момент, когда объект пересекает горизонт событий черной дыры, воображаемый луч света идет вдоль горизонта вертикально и никогда эту линию не пересекает. Поэтому наблюдатель никогда не увидит момента пересечения, а с точки зрения падающего объекта проходит конечное число промежутков времени. Это явление выглядит мистическим, но когда говорят, что время течет по-разному. Это не совсем правильно. Время не замедляется, объект не начинает двигаться медленнее. Время как тикало, так и тикает, просто по моим часам одно натикает, по чужим часам — другое.
В «Интерстелларе» есть момент, когда главный герой упал в черную дыру. Как я понимаю, он долетел до центра, и его не разорвало. Пока он падал, пролетел недалеко от этой аккреционной материи, аккреционного диска, который мы и видим, а я так понимаю, что он излучает в жестком рентгеновском диапазоне. Герой фильма это излучение все-таки получил, и, наверное, достаточно сильное. Он, во-первых, облучился, а во-вторых, с точки зрения товарищей, которые снаружи, летел бесконечно долгое время. Но на самом деле он падает в течение конечного времени. А потом он попал в центр и его при этом не разорвало. Консультант фильма, физик Кип Торн исходит из того, что, мы не знаем, что происходит под горизонтом событий, а значит, может быть что угодно, например, пятимерный мир.
Может ли коллайдер породить черную дыру? Обратное не доказано!
В 2008 году многие слышали о физике Росслере, который пытался активно закрыть Большой адронный коллайдер. Он даже пытался засудить правительство Германии. Это был действительно серьезный риск, потому что он мог победить в суде, значит, и 10% бюджета ЦЕРНа могло просто исчезнуть. Но от Росслера отвернулся и ЦЕРН, а директор Института Макса Планка как-то сказал, что нельзя это пускать на самотек и нужно с Рослером побеседовать. При этом этот ученый — из квалифицированных, матфизик. У него даже есть нелинейный аттрактор, носящий его имя. Он в качестве контраргумента против БАК приводил забавный факт. Что космические лучи имеют большие энергии, чем в ЦЕРНе. Поэтому что-то там по Земле шандарахнет, а может, и черная дыра образуется, но она с огромной скоростью вылетает из планеты и куда-то улетает, поэтому мы ее не видим. Но не все происходит в центре масс, поэтому при столкновении там, на Земле может остаться черная дыра, она будет там сидеть и потихонечку нас пожирать. Директор института Альберта Эйнштейна собрал несколько человек, включая меня, и мы должны были «душить» этого Росслера и убедить его в том, что он не прав. В суд, правда, он не пошел.
Теория предсказывает, что эта черная дыра, которая может образоваться в результате столкновения в коллайдере, сразу распадется. Так как она очень микроскопическая, то будет очень интенсивно излучать по Хокингу и быстро распадется. Росслер говорил, что Хокинг дурак и не прав. Дыра будет там сидеть и жрать, другое дело что она была мелкая, поэтому жрать она может только то, что меньше ее размером, но это тоже требует какое-то время. Она сначала должна что-то мелкое жрать, потом потихонечку расти, потом покрупнее и так далее. И такая стратегия разговора действительно казалась выигрышной, особенно в суде. Мы не исключаем, что черная дыра все же образуется, что Хокинг не прав и она не распадается. Мы действительно ничего не проверили экспериментально. Все это только теоретические обсуждения.