Цитати за черните дупки и хоризонта на събитията. Физиците обявиха възможността да погледнат отвъд хоризонта на събитията на черна дупка
Черните дупки най-вероятно изобщо не са ограничени от хоризонт на събитията. Не е ли парадоксално твърдение? Едва ли обаче някой ще се изненада, ако научи, че тази нова хипотеза принадлежи на легендарния теоретичен физик Стивън Хокинг. По едно време, с неговата лесна помощ, черните дупки престанаха да се считат за „черни“ и „безсмъртни“.
Не е толкова лесно обаче да се разбере тази идея. Първо, струва си да разберете какво всъщност представлява хоризонтът на събитията.
Ние сме свикнали да свързваме хоризонтите на събитията директно с черните дупки. Непроницаема граница, черупка от черни дупки. Зад тази черупка се крие нещо, което е извън контрола на външен наблюдател и дори на съществуващите закони на физиката. Хоризонтът на събитията в контекста на черните дупки обаче е само негово конкретно проявление. С други думи, не само черните дупки имат хоризонт на събитията.
Общата дефиниция на хоризонта на събитията ни го представя като определена конвенционална граница, която ще раздели две групи от събития. Съществуват два вида хоризонт на събитията - хоризонт на събитията в миналото и бъдещето. Хоризонтът на миналото разделя съвкупността от изменчиви и неизменни събития. Бъдещият хоризонт е разделен на малко по-различни агрегати. Един наблюдател може някога да научи за всички събития от първия набор. Вторият набор съдържа събития, за които наблюдателят никога няма да разбере.
Черната дупка има хоризонт на събитията от миналото. Подобен хоризонт ще бъде наблюдаван и от някой, който се движи от релативистката с равномерно ускорение. Наблюдаваната част от Вселената има бъдещ хоризонт на събитията. Тези „разновидности“ на хоризонтите на събитията ще бъдат обсъдени по-подробно по-долу.
Пътуване в Бездната
Черните дупки са изключително удобна платформа за изследване на физици теоретични и илюстрация на много трудни за обяснение явления. Така че в популярната наука има класически пример, който описва падането на измислен космически кораб в черна дупка и наблюдението на външен наблюдател. Този пример ясно описва някои от характеристиките на хоризонта на събитията.
Според теорията на относителността за пътник на звезден кораб пътят до хоризонта на събитията ще бъде незабележим. Той ще се движи с нарастващо ускорение, докато достигне скоростта на светлината на хоризонта на събитията. Наблюдателят ще види различна картина. За него разтягащият се силует на звезден кораб ще се забави, когато се приближи до черната дупка. На самия хоризонт на събитията ще замръзне завинаги.
Науката не знае какво ще се случи с космическия кораб, след като пресече тази линия. Най-вероятно, от гледна точка на пътника на звездния кораб, след като е счупил светлинната бариера, той ще продължи своето ускорение. Струва си да се отбележи, че цялата маса на черна дупка трябва да бъде концентрирана в нейния център, безкрайно малка сингулярност. Следователно останалата част от пространството на черната дупка е просто област, ограничена от хоризонта на събитията.
Различни възгледи за празнотата
С други думи, терминът "радиус на черна дупка" не се отнася до радиуса на материален обект. Това е радиусът на областта, в която известната физика не действа. Веднъж попаднал в него, нашият космически кораб не само няма да може да избяга обратно, но неизбежно ще попадне в центъра му.
В този случай интересната особеност на хоризонта на събитията е, че от гледна точка на наблюдателя не съществува сингулярност. За нашия (външен) свят всичко, което е попаднало в черната дупка, ще остане завинаги на ръба на хоризонта на събитията. Тоест, от наша гледна точка, цялата маса на черна дупка е концентрирана не в центъра, а по периферията. Космическият кораб не само няма да стигне до центъра, но и няма да премине границите на черната дупка.
За тези, които попаднат в черна дупка, пресичането на хоризонта на събитията ще лети със скоростта на светлината. Пътуването до сингулярността ще се осъществи с още по-големи нарастващи скорости, което също нарушава законите на нашата физика. В крайна сметка всяко тяло, което попадне в черна дупка, неизбежно ще стане част от сингулярността. По неговите стандарти ще мине сравнително кратко време, докато извън дупката, каквато я познаваме, Вселената може да изчезне. В крайна сметка, според модела на Хокинг, изпарението на черна дупка става за невъобразимо кратък период от време.
Скала на хоризонта на събитията
Хоризонтът на събитията, заедно със сингулярността, е основният „атрибут“ на черната дупка. Неговият радиус, наричан още гравитационен радиус или радиус на Шварцшилд, зависи линейно от неговата маса. Можете почти мислено да оцените радиуса на всяка черна дупка, като умножите три километра по отношението на нейната маса към масата на слънцето. Така черна дупка с масата на Земята ще бъде с размерите на череша. В същото време размерът на свръхмасивните черни дупки ще възлиза на милиони и дори милиарди километри.
Очевидно с такива колосални размери подобни обекти няма да имат толкова разрушителни приливни сили. Следователно идеята, че всяко тяло ще бъде разкъсано преди да се доближи до черна дупка, е погрешна. Оказва се, че теоретично е възможно да се позволи на човек да пътува дълбоко в черна дупка, както е описано по-горе.
Най-интересното е, че размерът на черна дупка с масата на наблюдаваната Вселена е няколко пъти по-малък от размера на самата Вселена. Всъщност тук си струва да си припомним разгледания по-рано тип хоризонт на събитията, като завеса, обгръщаща нашата наблюдаема Вселена. Тоест това, което е отвъд хоризонта на събитията на Вселената, е скрито от наблюдателя, подобно на звезден кораб, разположен в черна дупка.
Универсален хоризонт на събитията
Хоризонтът на събитията на наблюдаваната Вселена е един от трите параметъра, характеризиращи нейните граници. В допълнение към него има още сфера на Хъбъл и хоризонт на частици. Радиусът на сферата на Хъбъл е равен на разстоянието, което светлината е изминала през целия живот на Вселената – т.е. около 14 милиарда светлинни години. Въпреки това, поради факта, че нашата Вселена не е статична, сферата на Хъбъл не е нейната граница. Реалната граница се характеризира с хоризонта на частиците, който отчита разширяването на Вселената. Радиусът на хоризонта на частиците е приблизително три пъти по-голям от хоризонта на сферата на Хъбъл. То е равно на действителното разстояние, изминато от най-отдалечения обект, успял да излъчи светлина към наблюдателя.
Хоризонтът на събитията е малко по-различен от хоризонта на частиците. Той филтрира от нас онези събития в нашата Вселена, за които никога няма да разберем. Неговият радиус е няколко милиарда светлинни години по-голям от радиуса на сферата на Хъбъл.
Всички тези три параметъра пряко зависят от самия наблюдател. Това е една от разликите между хоризонта на събитията на черна дупка и хоризонта на събитията на Вселената. Тоест хоризонтът на събитията на черна дупка не зависи от местоположението на различните наблюдатели. Напротив, всеки наблюдател, в зависимост от местоположението си, ще види границата на Вселената по свой начин. Това е подобно на това как хоризонтът ще се различава от различни точки на повърхността на планетата.
Риндлър Хоризонт
Хоризонтът на събитията съществува и за наблюдател, който е в състояние на релативистично равномерно ускорено движение. Такова тяло ще бъде придружено от два хоризонта, които в много отношения са подобни на хоризонта на черните дупки. Например, този хоризонт също ще има радиация, подобна на тази на изпаряващите се черни дупки.
Този хоризонт се нарича още хоризонт Риндлер. Той е кръстен на своя откривател Волфганг Риндлер, който, между другото, въвежда термина „хоризонт на събитията“.
Видим хоризонт
И така, сега имаме представа как съвременната наука вижда хоризонта на събитията. Изглежда как Стивън Хокинг е решил да опровергае съществуването му. Всъщност е създадена нова хипотеза за разрешаване на някои от противоречията, свързани с черните дупки.
Възникващата квантова теория вече е превърнала черните дупки в обекти, способни на излъчване. Според същия квантов модел, хоризонтът на събитията за нашия звезден кораб вече няма да бъде просто конвенционална граница. Притежавайки голяма концентрация на енергия, "новият" квантов хоризонт на събитията ще унищожи напълно звездния кораб. Въпреки това, както си спомняме, според принципите на теорията на относителността звездният кораб трябва да премине тази линия безпрепятствено.
Затова беше решено да се направят някои корекции на установените представи за хоризонта на събитията. Сега хоризонтът на събитията само временно съхранява това, което е получил. Когато черната дупка се изпари, информацията ще се върне зад хоризонта, макар и в изкривен вид. Но дори самият Хокинг нарича идеята си нищо повече от хипотеза. Той подчертава, че учените имат още много да научат, преди да говорят с увереност за хоризонта на събитията.
Фентъзи герой
Във всеки случай мистерията и неизвестността на хоризонта на събитията ще вълнува умовете на писателите на научна фантастика дълго време. Най-често хоризонтът на събитията се явява като портал към далечно пространство, време или измерение. Писателите на научна фантастика наистина са свободни да му приписват много свойства, защото досега науката не е в състояние да спори с тях.
Най-успешен в това отношение е филмът на Кристофър Нолан „Интерстелар“.
По сценария и графиката на филма работи известният теоретичен физик Кип Торн. Това отличава филма от повечето научнофантастични филми. Малко вероятно е някой да може да се сравни с реализма на „изобразяването“ на свръхмасивна черна дупка, направено в Interstellar.
Създаден за тези, които искат да се почувстват като героя на Interstellar. Онлайн моделът на черна дупка симулира кривината на пространството около черна дупка. Програмата ви позволява да наблюдавате хоризонта на събитията от различни ъгли и приближения. Докато слушате саундтрака на Interstellar, можете да се потопите в хоризонта на събитията, наблюдавайки промените не само в красотата на космоса или акреционния диск, но и в координатната мрежа.
Математическа формулировка
Космология
Хоризонт на събитията- въображаема граница в пространство-времето, разделяща онези събития (точки от пространство-времето), които могат да бъдат свързани със събития в светлоподобна (изотропна) безкрайност чрез светлоподобни геодезични линии (траектории на светлинни лъчи), и онези събития, които не може да се свърже по този начин. Тъй като дадено пространство-време обикновено има две подобни на светлина безкрайности: тези, свързани с миналото и бъдещето, тогава може да има два хоризонта на събитията: хоризонт на минали събитияИ бъдещ хоризонт на събитията. Казано по-просто, можем да кажем, че хоризонтът на събитията от миналото разделя събитията на такива, които могат да бъдат повлияни от безкрайност, и такива, които не могат; и бъдещият хоризонт на събитията разделя събитията, за които може да се знае нещо, поне в безкрайно далечното бъдеще, от събитията, за които нищо не може да се знае. Това е така, защото скоростта на светлината е ограничаващата скорост, с която всяко взаимодействие може да се движи, така че никоя информация не може да се движи по-бързо.
Хоризонтът на събитията обикновено е триизмерна хиперповърхност. Необходимо и достатъчно условие за неговото съществуване е пространствеността на поне част от светлоподобната (изотропна) безкрайност. Трябва да се отбележи, че хоризонтът на събитията е интегрална и нелокална концепция, тъй като неговата дефиниция включва светлоподобна безкрайност, тоест всички безкрайно отдалечени региони на пространство-времето. Следователно в непосредствена близост до него хоризонтът на събитията не се отличава с нищо, което създава проблем при числените изчисления в общата теория на относителността. За да се реши този проблем, бяха предложени някои понятия, подобни по свойства на хоризонта на събитията, но дефинирани локално: динамичен хоризонт, капан повърхност и привиден хоризонт.
Има и концепция хоризонт на събитията на индивидуалния наблюдател. Той разделя събития, които могат да бъдат свързани със световната линия на наблюдателя чрез светлоподобни (изотропни) геодезични линии, насочени съответно в бъдещето - хоризонт на минали събитияи в миналото - бъдещ хоризонт на събитията, и събития, с които това не може да стане. Например, постоянно равномерно ускорен наблюдател в пространството на Минковски има свое собствено минало и бъдещи хоризонти (вижте хоризонта на Риндлер).
Хоризонт на събитията на черна дупка
Хоризонтът на бъдещите събития е необходима характеристика на черната дупка като теоретичен обект. Хоризонтът на събитията на сферично симетрична черна дупка се нарича сфера на Шварцшилд и има характерен размер, наречен гравитационен радиус.
Намирайки се под хоризонта на събитията, всяко тяло ще се движи само вътре в черната дупка и няма да може да се върне обратно в открития космос. От гледна точка на наблюдател, свободно падащ в черна дупка, светлината може да се движи свободно както към, така и от черната дупка. Въпреки това, след пресичане на хоризонта на събитията, дори светлината, пътуваща навън от наблюдателя, никога няма да може да излезе отвъд хоризонта. Обект, който попада в хоризонта на събитията, вероятно в крайна сметка ще попадне в сингулярност и преди това ще бъде изтеглен в низ поради високия градиент на гравитационната сила на черната дупка (приливни сили).
Енергията евентуално може да напусне черна дупка през т.нар. Лъчението на Хокинг, което е квантов ефект. Ако е така, истинските хоризонти на събитията в строгия смисъл на думата не се формират за колабирали обекти в нашата Вселена. Въпреки това, тъй като астрофизичните колабирали обекти са много класически системи, точността на тяхното описание от класическия модел на черна дупка е достатъчна за всички възможни астрофизични приложения.
Други примери за хоризонти на събитията
- За наблюдател, който се движи с постоянно ускорение в пространството на Минковски (неговата скорост в инерциалната отправна система се доближава до скоростта на светлината, но не я достига), има два хоризонта на събитията, така наречените хоризонти на Риндлер (вижте координатите на Риндлер).
Освен това за ускорен наблюдател има аналог на радиацията на Хокинг - радиация на Унру. - Бъдещият хоризонт на събитията съществува за нас в нашата Вселена, ако съвременният космологичен модел ΛCDM е правилен.
- В акустиката има и крайна скорост на разпространение на взаимодействието - скоростта на звука, поради което математическият апарат и физическите последици от акустиката и теорията на относителността стават подобни, а в свръхзвукови потоци течност или газ възникват аналози на хоризонти на събития - акустични хоризонти.
Вижте също
Бележки
Фондация Уикимедия. 2010 г.
Вижте какво е „Хоризонт на събитията“ в други речници:
ХОРИЗОНТ НА СЪБИТИЯТА, границата на ЧЕРНА ДУПКА, отвъд която не може да излезе обект или радиация. Естествено, наблюдателите извън черната дупка не могат да получат информация за това какво се случва вътре в нея. Радиус... ... Научно-технически енциклопедичен речник
Затворена повърхност, която ограничава областта около черна дупка, в която гравитационните сили са толкова силни, че никакви сигнали (фотони, частици) не могат да избягат изпод тази повърхност и да достигнат външен наблюдател... Голям енциклопедичен речник
Хоризонт на събитията- в теорията на черните дупки (вижте „Черна дупка“) и в общата теория на относителността, границата на област в пространство-времето, в която сигналите, разпространяващи се със скоростта на светлината, са напълно задържани от гравитацията и не могат да стигнат до безкрайност в ..... Концепции на съвременното естествознание. Речник на основните термини
Затворена повърхност, която ограничава областта около черна дупка, в която гравитационните сили са толкова силни, че никакви сигнали (фотони, частици) не могат да избягат изпод тази повърхност и да достигнат външен наблюдател. * * * ХОРИЗОНТ НА СЪБИТИЯТА… енциклопедичен речник
Затворена повърхност, която ограничава областта около черна дупка, в която гравитационните сили са толкова големи, че никакви сигнали (фотони, частици) не могат да излязат под тази повърхност и да достигнат навън. наблюдател... Естествени науки. енциклопедичен речник
хоризонт на събитията- Виж в черната дупка... Универсален допълнителен практичен обяснителен речник от И. Мостицки
Този термин има други значения, вижте Хоризонт на събитията (значения). Хоризонт на събитията Хоризонт на събитията ... Уикипедия
- Превод
Изображение на черна дупка. Въпреки тъмния им цвят се смята, че всички черни дупки са се образували от обикновена материя, но подобни илюстрации не са съвсем точни.
През април 2017 г. телескопи по целия свят едновременно събраха данни за централната черна дупка на Млечния път. От всички черни дупки, известни във Вселената, тази, която се намира в центъра на Галактиката - Стрелец A*, е специална. От наша гледна точка неговият хоризонт на събитията е най-големият от всички черни дупки, достъпни за нас. Той е толкова голям, че телескопите, разположени на различни места на Земята, биха могли да го видят, ако всички го погледнат едновременно. Въпреки че ще отнеме месеци, за да комбинираме и анализираме данни от различни телескопи, трябва да имаме първото си изображение на хоризонта на събитията до края на 2017 г. И така, как трябва да изглежда? Този въпрос задава наш читател, объркан от илюстрациите:
Не трябва ли хоризонтът на събитията да заобикаля напълно черна дупка, като черупка на яйце? Всички художници рисуват черни дупки под формата на нарязани твърдо сварени яйца. Защо хоризонтът на събитията не заобикаля изцяло черна дупка?
Разбира се, в интернет можете да намерите всякакви илюстрации. Но кои са правилните? 
Чертеж с обикновен черен кръг и пръстен около него е прекалено опростено изображение на хоризонта на черната дупка
Най-старият тип илюстрация е обикновен черен диск, който блокира цялата светлина зад себе си. Това има смисъл, ако си спомняте какво е черна дупка: по същество това е маса, събрана на едно място, толкова голяма и толкова компактна, че скоростта на бягство от нейната повърхност надвишава скоростта на светлината. Тъй като нищо не може да се движи толкова бързо, дори прехвърлянето на взаимодействия между частици вътре в черната дупка, вътре в черната дупка се срива до сингулярност и около черната дупка се формира хоризонт на събитията. Светлината не може да излезе от тази сферична област на пространството, поради което тя трябва да изглежда от всяка перспектива като черен кръг, насложен върху фона на Вселената.
Черната дупка не е просто маса над изолиран фон, тя има гравитационни ефекти, които разтягат, увеличават и изкривяват светлината поради гравитационни лещи.
Но това не е цялата история. Поради гравитацията черните дупки увеличават и изкривяват светлината, идваща от противоположната страна, поради ефекта на гравитационните лещи. Има по-точни и подробни илюстрации за появата на черна дупка и тя дори има хоризонт на събитията, чийто размер е правилно сравнен с кривината на пространството според общата теория на относителността.
За съжаление тези илюстрации не са без недостатъци: те не вземат предвид материала пред черната дупка и акреционния диск около черната дупка. Някои изображения включват и това.
Изображението на активна черна дупка, заета с натрупване на материя и ускоряване на част от нея под формата на две перпендикулярни струи, може да опише правилно черната дупка в центъра на нашата Галактика от много гледни точки.
Поради огромните си гравитационни ефекти черните дупки образуват акреционни дискове в присъствието на други източници на материя. Астероиди, газови облаци и цели звезди могат да бъдат разкъсани от приливни сили, излъчвани от масивни обекти като черни дупки. Поради запазване на ъгловия импулс и поради сблъсъци между различни частици, попадащи в черната дупка, около нея се появява дискообразен обект, който се нагрява и излъчва. Във вътрешните области частиците периодично попадат в черната дупка, което увеличава нейната маса, а материалът пред нея закрива част от сферата, която иначе бихте видели.
Но самият хоризонт на събитията е непрозрачен и не трябва да виждате материята зад него.
Черната дупка във филма Interstellar показва хоризонта на събитията доста точно за специален клас въртящи се черни дупки.
Може да ви изненада, че холивудският филм Interstellar изобразява черната дупка по-точно от много професионални изображения, създадени от или за НАСА. Но дори сред професионалистите има много погрешни схващания за черните дупки. ЧД не засмукват материята вътре, а само упражняват гравитационен ефект. Черните дупки не разкъсват обекти поради някаква допълнителна сила - обикновените приливни сили правят това, когато една част от падащия обект е по-близо до центъра от другата. И най-важното е, че черните дупки рядко съществуват в „голо“ състояние и често се намират близо до друга материя, като тази, която съществува в центъра на нашата Галактика.
Композитен образ на черната дупка Стрелец A* в центъра на нашата Галактика, съставен от рентгенови и инфрачервени лъчи. Той има маса от 4 милиона слънчеви и е заобиколен от горещ газ, който излъчва рентгенови лъчи.
Като имаме предвид всичко това, нека си припомним какви изображения на варени яйца са тези? Не забравяйте, че самата черна дупка не може да бъде изобразена, тъй като не излъчва светлина. Можем да наблюдаваме само в определен диапазон от дължини на вълните и да видим комбинация от светлина, която обикаля черната дупка отзад, огъвайки се около и пред нея. И полученият сигнал наистина ще прилича на твърдо сварено яйце, разполовено.
Някои от възможните сигнали за хоризонта на събитията на BH, получени в симулациите на проекта Event Horizon Telescope
Всичко зависи от това какво снимаме. Не можем да наблюдаваме в рентгеновия диапазон, защото има твърде малко такива фотони. Не можем да наблюдаваме във видима светлина, защото центърът на галактиката е непрозрачен за нея. И не можем да наблюдаваме в инфрачервена светлина, защото атмосферата блокира такива лъчи. Но можем да наблюдаваме в радиовълни и да го правим по целия свят едновременно, за да получим възможно най-добрата резолюция.
Части от телескопа Event Horizon от едно полукълбо
Ъгловият размер на черната дупка в центъра на Галактиката е приблизително 37 микроарксекунди, а разделителната способност на телескопа е 15 микроарксекунди, така че трябва да можем да я видим! Повечето радиочестотни лъчения идват от заредени частици материя, ускоряващи се около черната дупка. Не знаем как ще бъде ориентиран дискът, дали ще има няколко диска, дали ще прилича повече на рояк пчели или на компакт диск. Не знаем и дали той ще предпочете едната "страна" на БХ, от наша гледна точка, пред другата.
Пет различни симулации на общата теория на относителността, използващи магнитохидродинамичния модел на акреционния диск на черна дупка и как би изглеждал полученият сигнал
Очакваме да открием истински хоризонт на събитията с определен размер, който да блокира цялата светлина, идваща отзад. Очакваме също, че ще има някакъв сигнал пред него, че този сигнал ще бъде назъбен поради безпорядъка около черната дупка и че ориентацията на диска спрямо черната дупка ще определи какво ще можете да видите .
Една част ще бъде по-ярка, когато дискът се върти към нас. Другата страна е по-тъмна, когато дискът се върти встрани от нас. Очертанията на хоризонта на събитията също могат да бъдат видими поради гравитационни лещи. По-важното е, че местоположението на ръба или равнината на диска към нас ще повлияе значително на естеството на получения сигнал, както може да се види в първия и третия квадрат на фигурата по-долу.
Местоположението на диска към нас с ръб (два десни квадрата) или равнина (два леви квадрата) значително ще повлияе какъв вид черна дупка виждаме
Можем да тестваме и други ефекти, а именно:
Черната дупка има ли размера, предвиден от общата теория на относителността?
дали хоризонтът на събитията е кръгъл (както е предвидено), или удължен, или сплескан в полюсите,
дали радиоизлъчването се простира по-далеч, отколкото си мислим?
Или има някакви други отклонения от очакваното поведение. Това е нов етап във физиката и ние сме на ръба да го тестваме директно. Едно нещо е ясно: независимо какво вижда Event Horizon Telescope, със сигурност ще научим нещо ново и прекрасно за някои от най-екстремните обекти и условия във Вселената!
Черните дупки привличат вниманието на физици и астрономи, защото представляват уникална природна лаборатория за изследване на гравитационни ефекти, които не можем да видим на Земята. Много учени изучават мъртвите звезди, които са черни дупки, от един век. Но най-известният от тях беше британският космолог от университета в Кеймбридж Стивън Хокинг.
Като привърженик на квантовата механика, Хокинг изучава черните дупки от гледна точка на квантовите модели, опитвайки се да ги използва, за да обясни класически механични явления и прояви на теорията на относителността на Айнщайн.
Изследването на черните дупки зависи преди всичко от концепцията за хоризонт на събитията - определена хипотетична сфера около точка на гравитационна сингулярност, отвъд която нищо не може да отиде. А под „нищо“ космолозите имат предвид материя, енергия и дори информация.
Последното си струва да се спомене по-подробно. През 2012 г. физикът-теоретик Джо Полчински от Института за теоретична физика в Санта Барбара описва подробно парадокса на „огнената стена“ и феномена на изчезване на информация в черна дупка, което е принципно невъзможно според законите на квантовата механика. . В отговор Хокинг разшири темата, като публикува своята научна статия, странно озаглавена „Съхранение на информация и прогнозиране на времето за черни дупки“, на сайта за предпечат arXiv.org.
В новата си работа космологът поставя под голямо съмнение самото съществуване на хоризонта на събитията. Вместо това той въвежда нов термин, „привиден хоризонт“, което означава, че една въображаема сфера само временно задържа материя и енергия, но в крайна сметка ги освобождава, макар и в изкривена форма.
„Според класическата теория няма изход от хоризонта на събитията, но квантовата теория позволява излизането на енергия и информация от черна дупка, за съжаление, се крие само в единна теория, която би обединила квантовата механика и теорията на. гравитацията и ние, учените, не можем да го формулираме“, коментира идеята си Хокинг.
Черните дупки може изобщо да нямат хоризонт на събитията.
Физиците обичат да говорят за черни дупки, използвайки следния мисловен експеримент: Какво би се случило с астронавт, ако случайно се приближи на критично разстояние до черна дупка? Привържениците на класическата механика казват, че той е щял да премине незабелязано през хоризонта на събитията, след което е щял да бъде засмукан вътре, докато нещастникът е щял да бъде разпънат на дълга спагета, атом по атом. И тогава ще бъде опаковано в безкрайно плътното ядро на черна дупка - точката на сингулярност.
Полчински открива, че квантовата механика дава напълно различна версия на събитията. Хоризонтът на събитията, според квантово-механичните модели, трябва да бъде изключително високоенергийна зона, нещо като огнена стена, която би изпържила бъдещ астронавт до хрупкавост.
Но подобен сценарий би възмутил Айнщайн: според Общата теория на относителността хипотетичен наблюдател би възприел законите на физиката еднакво независимо дали свободно лети през галактика или пада в черна дупка. Хокинг предложи трети вариант, който е математически прост и не "изненадва" квантовата механика или общата теория на относителността.
Идеята е проста: според Хокинг хоризонтът на събитията изобщо не съществува. Квантовите ефекти, които се появяват в близост до черна дупка, причиняват резки флуктуации в пространство-времето и тези флуктуации са толкова големи, че строга граница, като хоризонт на събитията, просто не може да възникне.
Така нареченият „видим хоризонт“, алтернатива на хоризонта на събитията, е повърхност, която блокира светлинните лъчи, опитващи се да избягат от черна дупка. Това явление в известен смисъл съвпада с хоризонта на събитията, но все пак има разлика между двете понятия. Ако и двете граници не изпускат светлина отвъд своите граници, тогава хоризонтът на събитията ще се свие с времето, а видимият хоризонт ще се раздуе.
Според законите на класическата механика, астронавт, който се приближава до черна дупка, ще бъде разтегнат като спагети и след това атом по атом ще бъде опакован в гравитационна сингулярна точка
Последното е очевидно: колкото повече материя поглъща една черна дупка, толкова по-голяма ще става тя и съответно границите й ще се разширяват. И Хокинг обясни слягането на хоризонта на събитията през 1974 г., когато въведе концепцията за радиация на Хокинг: някои частици все още понякога напускат границите на мъртва звезда, но това се постига главно от фотони. И колкото по-малко частици съдържа една черна дупка, толкова по-тесен е нейният хоризонт на събитията.
Колегите на Хокинг, които не са участвали в работата му, отбелязват, че с подобни идеи космологът опровергава съществуването на черни дупки като такива. Първо, по своята същност видимият хоризонт може един ден да изчезне и всичко, което някога е било уловено от черната дупка, ще бъде пуснато в открития космос, макар и не в оригиналната си форма.
И второ, липсата на хоризонт на събитията поставя под съмнение наличието на гравитационна сингулярност в центъра на черна дупка. Вместо класическите представи за съдбата на астронавт или който и да е обект в близост до черна дупка, материята само временно ще се съхранява зад видимия хоризонт и постепенно ще се придвижва към центъра под въздействието на гравитацията на ядрото. Но нищо няма да бъде „опаковано“ в точката на сингулярност и информацията за материята напълно ще напусне черната дупка заедно с радиацията на Хокинг, макар и в изключително изкривена форма.
Полчински, след като прочете статията на Хокинг, изрази съмнение относно съществуването в природата на черни дупки без хоризонт на събитията. Флуктуациите в пространство-времето, които са необходими, за да се изтрие тази граница, трябва да са твърде силни и астрофизиците все още не са наблюдавали нещо подобно. Айнщайн описва черните дупки почти като обикновени източници на мощно гравитационно поле и в този смисъл неговата теория е много по-проста, въпреки че не взема предвид много други физически аспекти.
Как е възможно?
Фразата Big Bang, използвана от Фред Хойл през 1950 г. по време на негово радио интервю за BBC, впоследствие е преведена на руски като Big Bang (всъщност фразата „Голям взрив“ е правилно преведена само от Big Explosion). Така започна объркване, което не се среща в английския език. Думата Bang всъщност не означава „експлозия“. Използва се в комиксите за обозначаване на удар или експлозия. Това е по-скоро нещо като "банг" или "бум". Думата "експлозия" предизвиква много специфични асоциации, поради което във връзка с Големия взрив възникват въпросите "какво е избухнало?", "къде?", "от какво?" и подобни. Всъщност Големият взрив изобщо не прилича на експлозия. Първо, експлозията обикновено се случва в нашето познато пространство и е свързана с разлика в налягането. По правило тази разлика се осигурява от колосална разлика в температурата. Увеличаването му се осигурява от бързото освобождаване на голямо количество енергия поради някаква химическа или ядрена реакция. Голяма експлозия, за разлика от обикновената, не е свързана с разлика в налягането. Това доведе преди всичко до раждането на самото пространство с материя и едва след това до разширяването на пространството и последващото разширяване на материята. Невъзможно е да се посочи „точката“, в която се е случило. |
Често дори професионалисти (физици, астрономи) отговарят на въпроса: „Възможно ли е да се наблюдава галактика, която както в момента, в който излъчва светлина, така и в момента, в който сигналът й се приема на Земята, се отдалечава от нас по-бързо от светлината?“ - те отговарят: "Разбира се, че не!" Интуицията се задейства въз основа на специалната теория на относителността (SRT), която един космолог уместно нарече „сянката на SRT“. Този отговор обаче е неправилен. Оказва се, че все пак е възможно. Във всеки космологичен модел скоростта на бягство нараства линейно с разстоянието. Това се дължи на един от най-важните принципи – хомогенността на Вселената. Следователно има разстояние, на което скоростта на бягство достига скоростта на светлината, а на големи разстояния става свръхсветлинна. Тази въображаема сфера, на която скоростта на бягство е равна на светлината, се нарича сфера на Хъбъл.
"Как е възможно! - ще възкликне читателят. „Грешна ли е специалната теория на относителността?“ Вярно, но тук няма противоречие. Свръхсветлинните скорости са съвсем реални, когато не говорим за пренос на енергия или информация от една точка на пространството в друга. Например слънчевият лъч може да се движи с всякаква скорост, просто трябва да инсталирате екрана, върху който бяга по-далеч. SRT „забранява“ само трансфера на информация и енергия със свръхсветлинни скорости. А за да пренесете информация, имате нужда от сигнал, разпространяващ се в пространството - самото разширяване на пространството няма нищо общо с това. Така че в нашия пример за отдалечаващите се галактики всичко е в идеален ред с теорията на относителността: със свръхсветлинна скорост те се отдалечават само от земния наблюдател, а по отношение на околното пространство тяхната скорост може дори да е нула. Удивителното е, че можем да видим галактики, които отлитат от нас по-бързо от светлината. Това е възможно, защото скоростта на разширяване на Вселената не е постоянна. Ако в някакъв период тя намалее и светлината успее да „достигне“ до нашата Галактика, тогава ще видим свръхсветлинен източник. Този пример перфектно илюстрира, че съдбата на един фотон зависи от това как Вселената се държи, докато се движи през него. Да приемем, че в момента на излъчване на фотона, галактиката източник се е отдалечавала от нас по-бързо от светлината. Тогава, въпреки че фотонът е бил излъчен в нашата посока, движейки се по протегната координатна мрежа, той ще се отдалечи от нас поради инфлацията на Вселената. Ако скоростта на разширяване намалее, тогава е напълно възможно в даден момент скоростта на бягство (на мястото, където се намира фотонът в този момент) да стане по-малка от скоростта на светлината. Тогава светлината ще започне да се приближава към нас и в крайна сметка може да ни достигне. Самата галактика източник, в момента на „обръщане“ на светлината, все още се отдалечава от нас по-бързо от светлината (защото е много по-далеч от фотона и скоростта се увеличава с разстоянието). В момента на приемане на фотона неговата скорост също може да е по-голяма от светлинната (тоест ще е зад сферата на Хъбъл), но това няма да попречи на наблюдението му.
Във Вселена, пълна с материя (такава Вселена винаги се разширява с по-бавна скорост), всички тези критични параметри могат да бъдат изчислени в детайли. Ако нашият свят беше такъв, тогава галактиките, за които червеното отместване е по-голямо от 1,25, излъчваха светлината, която сега получаваме, в момент, когато скоростта им беше по-голяма от скоростта на светлината. Съвременната сфера на Хъбъл за най-простия модел на Вселената, изпълнена с материя (тоест без приноса на тъмна енергия), има радиус, съответстващ на червено отместване 3. И всички галактики с голямо изместване, от момента на излъчване до наше време, се отдалечават от нас по-бързо от светлината.
В космологията говорим за три важни повърхности: хоризонта на събитията, хоризонта на частиците и сферата на Хъбъл. Последните две са повърхности в пространството, а първата е в пространство-времето. Вече се запознахме със сферата на Хъбъл, сега нека поговорим за хоризонтите. Хоризонтът на частиците разделя наблюдаваните в момента обекти от ненаблюдаемите обекти. Тъй като Вселената има ограничена възраст, светлината от далечни обекти просто все още не е имала време да достигне до нас. Този хоризонт непрекъснато се разширява: времето минава и ние „чакаме“ сигнали от все по-далечни галактики. Хоризонтът на частиците се отдалечава; изглежда, че бяга от нас със скорост, която може да е по-голяма от скоростта на светлината. Благодарение на това виждаме все повече и повече галактики.
Обърнете внимание, че настоящото разстояние до „галактики на ръба на наблюдаваната Вселена“ не може да се определи като произведение на скоростта на светлината и възрастта на Вселената. Във всеки модел на разширяваща се Вселена това разстояние ще бъде по-голямо от този продукт. И това е съвсем разбираемо. Самата светлина измина това разстояние, но Вселената успя да се разшири през това време, така че текущото разстояние до галактиката е по-голямо от пътя, изминат от светлината, и в момента на излъчване това разстояние може да бъде значително по-малко от този път.
Източниците в хоризонта на частиците имат безкрайно червено отместване. Това са най-древните фотони, които, поне теоретично, вече могат да се „видят“. Те са излъчени почти в момента на Големия взрив. Тогава размерът на видимата днес част от Вселената е бил изключително малък, което означава, че оттогава всички разстояния са се увеличили много. Ето откъде идва безкрайното червено отместване. Разбира се, всъщност не можем да видим фотони от самия хоризонт на частиците. Вселената в своята младост е била непрозрачна за радиация. Следователно фотони с червено отместване по-голямо от 1000 не се наблюдават. Ако в бъдеще астрономите се научат да откриват реликтови неутрино, това ще им позволи да надникнат в първите минути от живота на Вселената, съответстващи на червеното изместване - 3x10 7. Още по-голям напредък може да се постигне при откриването на реликтни гравитационни вълни, достигащи „времена на Планк“ (10 43 секунди от началото на експлозията). С тяхна помощ ще бъде възможно да се погледне в миналото, доколкото е възможно по принцип, като се използват законите на природата, известни днес. Близо до началния момент на големия взрив общата теория на относителността вече не е приложима.
Хоризонтът на събитията е повърхност в пространство-времето. Такъв хоризонт не се появява във всеки космологичен модел. Например, в забавящата се Вселена, описана по-горе, няма хоризонт на събитията - всяко събитие от живота на далечни галактики може да се види, ако чакате достатъчно дълго. Смисълът на въвеждането на този хоризонт е, че той разделя събития, които могат да ни засегнат поне в бъдеще, от тези, които не могат да ни засегнат по никакъв начин. Ако дори светлинният сигнал за дадено събитие не достигне до нас, то самото събитие не може да ни повлияе. Можете да мислите за това като за междугалактическо излъчване на футболен мач, провеждащ се в далечна галактика, чийто сигнал никога няма да получим. Защо това е възможно? Може да има няколко причини. Най-простият е моделът на „края на света“. Ако бъдещето е ограничено във времето, тогава е ясно, че светлината от някои далечни галактики просто няма да може да достигне до нас. Повечето съвременни модели не предоставят тази функция. Има обаче версия за предстоящия Big Rip, но тя не е много популярна в научните среди. Но има и друг вариант - разширяване с ускорение. В този случай някои нефутболни фенове просто ще „избягат от светлината“: за тях скоростта на разширяване ще бъде свръхсветлинна.
Когато се говори за „голямата Вселена“, често се приема, че материята е равномерно разпределена в пространството. На първо приближение това е вярно. Не бива обаче да забравяме за такива „смущения“ като галактиките и техните клъстери. Те се формират от първични флуктуации на плътността. Ако топка с малко по-висока плътност се появи в равномерно разпределено вещество, тогава, без да се вземат предвид ефектите, свързани с температурата, можем да кажем, че топката ще започне да се свива и плътността на веществото ще започне да се увеличава. В най-простия модел на разширяваща се Вселена, в който приносът на тъмната енергия е нула, нищо фундаментално не се променя. Всяко смущение на плътността в такава прашна Вселена (за реален газ, а не за прах, масата на смущението трябва да надвишава определена критична стойност - така наречената маса на Джинс) ще доведе до „изпадане“ на материята от разширяването на Вселена и образуване на обвързан обект. Ако приносът на тъмната енергия не е нула, тогава флуктуациите на плътността от самото начало трябва да имат стойност, по-голяма от определена критична стойност, в противен случай контрастът на плътността няма да има време да се увеличи до необходимата стойност и материята няма да “ изпадане” от потока Хъбъл. Точно както енергията на фотона намалява поради разширяване, кинетичната енергия на праховите частици също ще намалява с времето, когато Вселената се разширява. Поради това, докато флуктуацията не бъде напълно отделена от общото разширение на Вселената, процесът на „колапс“ на смущението ще протича по-бавно, отколкото без да се вземе предвид разширяването. Вместо експоненциално нарастване на плътността, ще се наблюдава увеличение на степенния закон. Веднага щом контрастът на плътността достигне определена критична стойност, флуктуацията сякаш ще „забрави“ за разширяването на Вселената.
Капризите на черната кралица
Оказва се, че разширяващата се Вселена донякъде прилича на страната на Черната кралица, в която Алис се озова в приказката на Луис Карол „Алиса в огледалото“. Там, за да стоиш на едно място, трябваше да тичаш много бързо. Да предположим, че има галактика с висока собствена скорост, насочена към нас. В този случай два ефекта ще допринесат за пълното му спектрално изместване: космологично червено разширение и синьо изместване поради ефекта на Доплер, дължащ се на собствената му скорост. Първият въпрос е: как ще се промени разстоянието до галактиката с нулево изместване на спектъра? Отговор: галактиката ще се отдалечи от нас. Втори въпрос: представете си галактика, чието разстояние не се променя поради факта, че нейната собствена скорост напълно е компенсирала ефекта от разширяването (това е точно като Алиса да тича през земята на Черната кралица). Галактиката се движи по нашата начертана координатна мрежа със същата скорост, с която мрежата се раздува. Каква ще бъде промяната в спектъра на такава галактика? Отговор: Отместването ще бъде синьо. Тоест линиите в спектъра на такава галактика ще бъдат изместени към по-къси дължини на вълните.
Такова неочаквано поведение на емисионния спектър се дължи на факта, че тук има два физически ефекта, описани с различни формули. За източник, разположен върху сферата на Хъбъл, в момента на излъчване в най-простия модел на забавяща се Вселена червеното отместване е равно на 1,25, а скоростта на бягство е равна на скоростта на светлината. Това означава, че за да остане на постоянно разстояние от нас, източникът трябва да има собствена скорост, равна на скоростта на светлината. А към собствените (специални) скорости е необходимо да се приложи формулата за релативистичния ефект на Доплер, която за скоростта
 |
Гравитационни лещи върху галактически купове. Основният принос за масата на клъстера идва от мистериозната тъмна материя. Галактиките отвъд сферата на Хъбъл се отдалечават по-бързо от светлината. |
Капризите на черната кралица |
Днес космологията се счита за точна наука и измерването на космическите метрики се извършва с помощта на лазерни интерферометри и свръхпроводящи жироскопи. |
 |
Разбира се, галактиките не могат да имат свои собствени скорости в близост до светлината. Но някои квазари и галактики с активни ядра генерират джетове - струи от материя, които се изстрелват на разстояния от милиони светлинни години. Скоростта на материята в такава струя може да бъде близка до скоростта на светлината. Ако струята е насочена към нас, тогава поради ефекта на Доплер можем да видим синьо изместване. Освен това веществото трябва да изглежда, че се приближава към нас. В светлината на написаното по-горе обаче второто заключение не е толкова очевидно. Ако източникът е достатъчно далеч, тогава космологичното разширение все още ще „отнесе“ материята от нас, дори ако скоростта му е много близка до тази на светлината и струята ни изглежда „синя“. Само в космологията възниква такава на пръв поглед абсурдна ситуация, когато обект, който се отдалечава от нас, има синьо изместване. Например квазарът GB1508+5714, който има червено отместване 4,3, се отдалечава от нас 1,13 пъти по-бързо от светлината. Това означава, че материята на неговата струя, движеща се към нас с голяма собствена скорост, се отдалечава от нас, тъй като скоростта на частиците не може да надвишава скоростта на светлината.
Скорошното откритие, че Вселената сега се разширява с ускорена скорост, буквално развълнува космолозите. Може да има две причини за това необичайно поведение на нашия свят: или основният „пълнител“ на нашата Вселена не е обикновена материя, а неизвестна материя с необичайни свойства (така наречената тъмна енергия), или (още по-страшно да се мисли!) необходимо е да се променят уравненията на общата теория на относителността. Освен това по някаква причина човечеството живее в този кратък период в космологични мащаби, когато бавното разширяване просто отстъпва място на ускореното. Всички тези въпроси все още са много далеч от разрешаване, но днес можем да обсъдим как ускореното разширяване (ако продължи вечно) ще промени нашата Вселена и ще създаде хоризонт на събитията. Оказва се, че животът на далечните галактики, започвайки от момента, в който те наберат достатъчно висока скорост на бягство, ще спре за нас и тяхното бъдеще ще стане неизвестно за нас - светлината от редица събития просто никога няма да достигне до нас. С течение на времето, в доста далечно бъдеще, всички галактики, които не са включени в нашия локален суперклъстер с размер от 100 мегапарсека, ще изчезнат зад хоризонта на събитията: цялото ускоряващо се разширяване ще „влачи“ съответните им точки на координатната мрежа там.
Тук, между другото, ясно се вижда разликата между хоризонта на частиците и хоризонта на събитията. Тези галактики, които са били под хоризонта на частиците, ще останат под него, светлината от тях ще продължи да достига. Но колкото повече се доближава скоростта на една галактика до скоростта на светлината, толкова повече време е необходимо на светлината да достигне до нас и всички събития в такава галактика ще ни се струват разтегнати във времето. Относително казано, ако поставите часовник в такава галактика, който трябва да показва 12 часа на обяд, когато напусне хоризонта на събитията, тогава земните наблюдатели ще видят безкрайно забавяне на този часовник. Колкото и да гледаме (теоретично такава галактика „с часовник“ никога няма да изчезне от нашето небе), никога няма да видим стрелките на часовника точно на „дванадесет“ - тя ще направи последната си революция за неопределено време според нашия собствен часовник . След дълго чакане ще видим какво се е случвало в галактиката (според нейния часовник) в 11:59 ч., в 11:59 ч. 59 s и т.н. Но случилото се на него след „обед” ще остане завинаги скрито за нас. Много е като да гледаш как часовник пада в черна дупка.
Наблюдателят в тази далечна галактика може да мисли по подобен начин. Сега той вижда нашата галактика в нейното минало, но в даден момент нашата история ще стане недостъпна за него, тъй като нашите сигнали вече няма да достигат до тази галактика. Странно е, че за общоприетия набор от космологични параметри такива галактики обикновено не са далеч. Тяхното червено отместване трябва да е по-голямо от 1,8. Тоест те дори може да са вътре в сферата на Хъбъл, но човечеството вече е закъсняло да им изпрати съобщение.
Тези парадоксални от гледна точка на здравия разум феномени се случват в нашата Вселена. Тяхната необичайност се дължи на факта, че обичайните понятия за скорост, разстояние и време в космологията придобиват малко по-различен смисъл. За съжаление учените все още не са стигнали до общо мнение за това какъв живот живее нашата Вселена и какво по принцип може да се случи с нея. В крайна сметка дори за специалистите разширяването на границите на здравия разум е много трудно.
Сергей Попов, Алексей Топоренски
Алберт Айнщайн веднъж каза: „Здравият разум е предразсъдък, придобит от човек преди 18-годишна възраст“. Той живееше в епохата на формирането на нов възглед за физическия свят и имаше много причини да не се доверява на обичайните идеи за свойствата на обектите. Цели три нови свята се разкриха пред учените в началото на ХХ век: квантовите явления, специалните и общите теории на относителността. Ние нямаме ежедневна интуиция, която ни позволява да усетим спецификата на явленията, случващи се в тези светове. Здравият разум, базиран на нашите непосредствени усещания, ни позволява да разберем само законите на Нютоновата механика и той не е приложим в микро-, мега- и светове, движещи се със скорост, близка до светлинната. На помощ идват създадени от човека устройства, които разширяват възможностите на човешкото възприятие. Ускорителите и телескопите, лазерите и микроскопите, компютрите и човешкият ум ни позволяват да направим явления, които са недостъпни за нас, разбираеми и логични. Само логиката и законите, открити от учените при изследване на дълбините на Вселената, се оказаха напълно различни от това, с което сме свикнали. |
Зареждане...