Черные дыры физического мышления

Станислав Кравченко

За основу возьмем классическое решение Шварцшильда для сферической не вращающейся массы: r_гр = 2gM/c². Прежде всего, найдем граничные решения.

1. Самая маленькая черная дыра

Рассчитаем энергию электромагнитного кванта, при которой этот квант сам станет «черной дырой».

Итак энергия «самосфокусированного» кванта равна:

E = 2p·hw или E = hс/l,

где Е – энергия кванта, h – постоянная Планка, w – угловая частота, l – длина волны, с – скорость света.

При этом следует учесть, что движение по замкнутой, в первом приближении, круговой орбите, предполагает наличие на такой «орбите» режима стоячих волн. Другими словами, в окружность такой орбиты должно укладываться целое число полуволн. Если радиус такой орбиты обозначить как r_гр, то 2pr_гр = 1/2·ln, где n = 1; 2; 3; 4...

Принимая во внимание решение Шварцшильда r_гр = 2gM/c² или r_гр = 2gE/c⁴ (E = mc²) и подставляя в это решение вышеприведенные формулы при n = 1 получим хорошо известные Планковские величины:

r_гр = (2p·hg/c³)^1/2;

E = (2p·hc⁵/g)^1/2.

Данный расчет делает «прозрачным» философскую и физическую сущность фундаментальной длины. Квант с такой длины волны «не должен двигаться», физически невозможно ни излучить, ни принять этот квант. Любой спектр с ультрафиолетовой стороны обрезан принципиально. В более общем, философском плане фундаментальная длина выступает той теоретической границей познания, от которой получить какую-либо информацию уже принципиально невозможно. Ниже уже не «наша физика».

2. Самая большая черная дыра

Первое предположение, которое напрашивается само, то, что вся наша Вселенная есть именно такая дыра. Но, вопреки всему, наблюдается лишь один экземпляр Вселенной, который выглядит совсем не сингулярной точкой и небо над нами черное. Вопрос даже не в том, что наблюдаемая Вселенная мало напоминает сингулярность.

В решении Шварцшильда r_гр = 2gM/c² между массой М и граничным радиусом r имеется линейная зависимость. Плотность вещества есть отношение массы М к занимаемому объему, пропорциональному r³. Отсюда следует, что среднераспределенная предколлапсная плотность вещества черной дыры падает пропорционально кубу ее размеров. Наблюдаемой плотности вещества будет соответствовать коллапс в достаточно большую, но все-таки конечных размеров черную дыру. Тем более, что ни о каком «внутреннем давлении» материи наблюдаемой части Вселенной речи быть не может. Необходим удовлетворительный ответ на вопрос: почему наблюдаемая часть Вселенной со вполне определенной конечной и ненулевой плотностью вещества не коллапсирует, не образует черную макси-дыру?

Проверяем:

При ненулевой реальной средней плотности вещества Вселенной (по разным оценкам около 10^–29...10^–30 г/см³ или ρ_r ≈ 10^–38...10^–39 кг/м³) традиционный подход требует обязательного образования множества «реальных черных макси-дыр» конечных размеров:

R_r = 2gM_r/c².

Принимая округленно M_r = ρ_r·4/3πR_r³ ≈ 4ρ_rR_r³ получим:

R_r = 2gM_r/c² ≈ 8gρ_rR_r³/c².

Откуда: c² = 8gρ_rR_r² или c²/8gρ_r = R_r², R_r = c/(8gρ_r)^0,5.

Учитывая, что: g ≈ 6,7·10^–11 Н·м²·кг² получим:

R_r = 3·10⁸/(8·6,7·10^–11·10^–39)^0,5 ≈ 4·10³²(м).

Учитывая, что световой год приблизительно равен 0,9·10¹⁶ м, получим R_r ~ 10¹⁶ световых лет – что-то, достаточно близкое к хорошо знакомому. Смущает одно – расчетный радиус стандартной черной макси-дыры «Вселенской» плотности примерно того же порядка, что и наблюдаемая часть Вселенной, однако в этой наблюдаемой части, нет даже намека на коллапс или сингулярное состояние материи в ней, скорее наоборот. Что отменяет решение Шварцшильда?

Не принимая во внимание открытые еще Фридманом антигравитационные (будем называть вещи своими именами) свойства лоренцинвариантной фазы вакуумоподобной среды, в рамках традиционного понимания, удовлетворительного ответа на поставленный вопрос нет.

3. Самое спорное

Однако настоящая работа – не потакание заблуждениям. Может быть, для физика-теоретика чернордырная мифология и привлекательна, но не для философа. Любому трезвомыслящему человеку очевидны внутренняя парадоксальность «чернодырной идеи» и странно, что авторитетные физики игнорируют ее. Достаточно одного – бесконечного времени достижения горизонта любым материальным объектом с точки зрения внешнего наблюдателя (других нет), чтобы на 100% уверенно констатировать – во Вселенной, не зависимо от времени ее существования, не могла быть сформирована ни одна черная дыра. Все «подтверждения» – мифы, изначально противоречащие ОТО. Единственным разумным исследованием может быть лишь исследование предколлапсного состояния материи. Поэтому крайне интересно исследование поведение материальных объектов, ощутимая часть вещества которого находится в существенно сильном гравитационном поле, в состоянии, где имеют место существенно релятивистские эффекты, в частности, Эффект Замедления Времени.

Естественно, в предколлапсном состоянии замедление времени для любого материального объекта Вселенной будет конечным. Эффект замедления времени должен будет проявляться, в частности и в том, что процессы, длящиеся в областях со слабой гравитацией один промежуток времени, в сильной гравитации будут длиться для внешнего наблюдателя существенно дольше.

И, наоборот, для массы в сильном поле любое внешнее излучение станет существенно более коротковолновым (голубое смещение), чем масс внешних областей. Другими словами, сильное гравитационное поле будет «разогревать» опускающиеся потоки излучения и «охлаждать» восходящие. Или, по другому, релятивистская масса будет существенно «темнее», если хотите, «холоднее» не релятивистской при той же относительной скорости (том же соотношении v/c). С точки зрения внешнего наблюдателя количество соударений между частицами релятивистского слоя начнет падать (падение внутреннего давления). Для самих частиц слоя, наоборот, наблюдаемым эффектом будет увеличение числа соударений частиц внешнего слоя в единицу их времени (рост внешнего давления), «побеление», «разогрев» внешних слоев.

Эффект замедления времени – не единственный учитываемый релятивистский эффект. Не меньшее значение будет иметь и эффект изменения константы скорости света в релятивистском слое по отношению к внешним. Физически это означает преобразование кинетической энергии релятивистского слоя в энергию гравитации. Для внешнего наблюдатель это будет «замедление» движения частиц релятивистского слоя. Энергия соударений между частицами релятивистского слоя для внешнего наблюдателя начнет падать, что будет все тем же падением внутреннего давления. Для самих частиц слоя наблюдаемым эффектом будет увеличение «скорости» частиц внешних слоев (константой здесь является не сама абсолютная величина скорости, а угол наклона мировой линии частицы (отношения v/c), не изменяемый при отсутствии взаимодействия при изменении кривизны пространства), то есть рост давления внешних слоев.

Релятивистский эффект Сокращения Длины приведет к тому, что для внешнего наблюдателя эффективные размеры частиц релятивистского слоя будут уменьшаться. Для самих частиц это будет эффект «увеличения внутреннего пространства», увеличения расстояний между частицами слоя и сокращение числа соударений, значит, так же падение внутреннего давления. Таким образом, сильное гравитационное поле не столько «преодолевает» внутреннее давление, сколько его «отменяет». Динамическое равновесие слоев материи неизбежно будет нарушено. Релятивистский слой начнет уплотняться. Это, в свою очередь, еще больше увеличит кривизну внутреннего пространства. Произойдет предколлапс, своеобразный «взрыв внутрь» с соответствующим увеличением массы релятивистского слоя и все большим нарастанием релятивистских эффектов. Взрывное падение давления должно приводить к переходу нейтронного состояния материи «падающих» слоев в обычное состояние протон-электронной смеси, точнее смеси, близкой по составу к сбросовым оболочкам сверхновых. В идеале, за бесконечный промежуток времени, все тело могло бы стать полностью «релятивистским», компактным, с очень «холодным» для внешнего наблюдателя состоянием обычного вещества, но с ничтожно малыми эффективными сечениями элементарных частиц. Для внутреннего наблюдателя внешняя Вселенная, наоборот, предстанет все более «горячей», со «сверхсветовыми» скоростями и «странно большими эффективными сечениями» частиц. Поскольку настоящий полный коллапс требует бесконечного промежутка времени за любой конечный промежуток любой материальный объект вселенной любой массы может пройти лишь конечную предколлапсную стадию сжатия. Однако неравновесные процессы гравитационного сжатия будут существенно динамическими и породят серию ударных волн, и внутрь, и наружу, где релятивистские эффекты проявлены меньше, что неизбежно приведет к сбросу части внешних слоев. Этот сброс столь же неизбежно уменьшит напряженность гравитационного поля и перезапустит весь вышеописанный механизм предколлапса в обратном направлении с той разницей, что релятивистский слой будет уже существенно перегрет внешней энергетической накачкой. Динамическое равновесие слоев материи неизбежно опять будет нарушено уже в другую сторону. После фазы сжатия (взрыва внутрь) неизбежно должна наступить фаза расширения – взрыва наружу. Остаток будет существенной функцией исходной массы объекта. Только для очень массивных объектов, при пренебрежимо малой массе сбрасываемой внешней оболочке, существует маловероятная возможность сохраниться в чисто релятивистской фазе. Такие объекты будут наблюдаться как очень компактные образования из обычного вещества, но с весьма существенным гравитационным красным смещением спектров излучения. Традиционная астрофизика, не признающая иных объяснений красного смещения, кроме эффекта Доплера, даст для них существенно большее действительному расчетное удаление с соответствующим перерасчетом масс и светимостей, совершенно не задумываясь над сверхочевидной парадоксальностью своих расчетов.

Однако наблюдательная астрономия знает не только сферические не вращающейся (низкооборотные) массы, но и быстровращающиеся. Поэтому несомненный интерес представляет предколлапсное состояние материи, вращающееся с большой угловой скоростью. Решающую роль здесь будет играть не сферичность геометрии объекта, его сплюснустость, «блинообразность». В этом случае неизбежен прорыв «перегретого пара элементарных частиц внутреннего релятивистского слоя с полностью стертой информацией о предыдущих состояниях» лишь в самых «слабых» местах – у полюсов с возможным переходом процесса в стационарный режим двуструйной генерации. Большинство объектов потенциально предколлапсного состояния – активные центры галактик, наблюдаются именно в этом состоянии. Вполне возможно и мы с Вами когда-то давно были такой «струей», а когда-то и снова будем. Ею замыкается процесс «массооборота» вещества во Вселенной. Просчитать этот процесс – достойная Физика, хотя и не сверхсложная задача, но загипнотизированное большинство предпочитают «искать» черно-белые фантомы.

Демидов В.Е.  Время, хранимое как драгоценность. Глава третья.  Часы для всех и для каждого.  НиТ, 1999.

Быковский О.А.  «Гравитационный парадокс» и его решение.  НиТ, 2000.

Носков Н.К.  Явление запаздывания потенциала.  НиТ, 2000.

Чиняков Г.  Этюды о Вселенной.  НиТ, 2001.

Торн К.С.  Путешествие среди чёрных дыр. Перевод с английского Елдышева Ю.Н.  НиТ, 2002.