Научные работы Стивена Хокинга

Сила гравитации (черные дыры)

Термин «черная дыра» появился совсем недавно. Его ввел в обиход в 1969 г.

американский ученый Джон Уилер как метафорическое выражение представления,

возникшего по крайней мере 200 лет назад, когда существовали две теории света: в первой,

которой придерживался Ньютон, считалось, что свет состоит из частиц; согласно же второй

теории, свет – это волны. Сейчас мы знаем, что на самом деле обе они правильны. В силу

принципа частично-волнового дуализма квантовой механики свет может рассматриваться и

как частицы, и как волны. В теории, в которой свет – волны, было непонятно, как будет

действовать на него гравитация. Если же свет – поток частиц, то можно считать, что

гравитация действует на них так же, как на пушечные ядра, ракеты и планеты. Сначала

ученые думали, что частицы света перемешаются с бесконечной скоростью и поэтому

гравитация не может их замедлить, по когда Рёмер установил, что скорость света конечна,

стало ясно, что влияние гравитации может оказаться существенным.

Исходя из этого, Джон Мичел, преподаватель из Кембриджа, в 1783 г. представил в

журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» (Philosophical

Transactions of the Royal Society of London) свою работу, в которой он указывал на то, что

достаточно массивная и компактная звезда должна иметь столь сильное гравитационное

ноле, что свет не сможет выйти за его пределы: любой луч света, испущенный поверхностью

такой звезды, не успев отойти от нее, будет втянут обратно ее гравитационным

притяжением. Мичел считал, что таких звезд может быть очень много. Несмотря на то что их

нельзя увидеть, так как их свет не может до нас дойти, мы тем не менее должны ощущать их гравитационное притяжение. Подобные объекты называют сейчас черными дырами, и этот термин отражает их суть: темные бездны в космическом пространстве.

На самом деле свет нельзя рассматривать как пушечные ядра в теории тяготения Ньютона, потому что скорость света фиксирована. (Пушечное ядро, вылетевшее вверх с поверхности Земли, из-за гравитации будет замедлять полет и в конце концов остановится, а потом начнет падать. Фотон же должен продолжать движение вверх с постоянной скоростью. Как же тогда ньютоновская гравитация может воздействовать на свет?) Последовательная теория взаимодействия света и гравитации отсутствовала до 1915 г., когда Эйнштейн предложил общую теорию относительности. Но даже после этого прошло немало времени, пока стало наконец ясно, какие выводы следуют из теории Эйнштейна относительно массивных звезд. Чтобы понять, как возникает черная дыра, надо вспомнить о том, каков жизненный цикл звезды. Звезда образуется, когда большое количество газа (в основном водорода) начинает сжиматься силами собственного гравитационного притяжения. В процессе сжатия атомы газа все чаще и чаще сталкиваются друг с другом, двигаясь со все большими и большими скоростями. В результате газ разогревается и в конце концов становится таким горячим, что атомы водорода, вместо того чтобы отскакивать друг от друга, будут сливаться, образуя гелий. Тепло, выделяющееся в этой реакции, которая напоминает управляемый взрыв водородной бомбы, и вызывает свечение звезды. Из-за дополнительного тепла давление газа возрастает до тех пор, пока не уравновесит гравитационное притяжение, после чего газ перестает сжиматься. Это немного напоминает надутый резиновый шарик, в котором устанавливается равновесие между давлением воздуха внутри, заставляющим шарик раздуваться, и натяжением резины, под действием которого шарик сжимается. Подобно шарику, звезды будут долго оставаться в стабильном состоянии, в которомвыделяющимся в ядерных реакциях теплом уравновешивается гравитационное притяжение. Но в конце концов у звезды кончится водород и другие виды ядерного топлива. Как ни парадоксально, но чем больше начальный запас топлива у звезды, тем быстрее оно истощается, потому что для компенсации гравитационного притяжения звезде надо тем сильнее разогреться, чем больше ее масса. А чем горячее звезда, тем быстрее расходуется ее топливо. Запаса топлива на Солнце хватит примерно на пять тысяч миллионов лет, но более тяжелые звезды израсходуют свое топливо всего за сто миллионов лет, т. е. за время, гораздо меньшее возраста Вселенной. Израсходовав топливо, звезда начинает охлаждаться и сжиматься, а вот что с ней происходит потом, стало понятно только в конце 20-х годов нашего века. В 1928 г. СубраманьянЧандрасекар, аспирант из Индии, отправился по морю в Англию, в Кембридж, чтобы пройти там курс обучения у крупнейшего специалиста в области общей теории относительности Артура Эддингтона.Во время своего путешествия из Индии Чандрасекар вычислил, какой величины должна быть звезда, чтобы, израсходовав целиком свое топливо, она все же могла бы противостоять воздействию собственных гравитационных сил. Чандрасекар рассуждал так. Когда звезда уменьшается, частицы вещества очень сильно сближаются друг с другом, и в силу принципа запрета (исключения) Паули их скорости должны все больше различаться. Следовательно, частицы стремятся разойтись и звезда расширяется. Таким образом, радиус звезды может удерживаться постоянным благодаря равновесию между гравитационным притяжением и возникающим в силу принципа Паули отталкиванием, точь-в-точь как на более ранней стадии развития звезды гравитационные силы уравновешивались ее тепловым расширением. Однако Чандрасекар понимал, что отталкивание, обусловленное принципом Паули, не беспредельно. Согласно теории относительности, максимальная разница скоростей частиц вещества в звезде равна скорости света. Это значит, что, когда звезда становится достаточно плотной, отталкивание, обусловленное принципом Паули, должно стать меньше, чем гравитационное притяжение. Чандрасекар рассчитал, что если масса холодной звезды более чем в полтора раза превышает массу Солнца, то эта звезда не сможет противостоять собственной гравитации. (Данное значение массы сейчас называют пределом Чандрасекара). Приблизительно в то же время аналогичное открытие сделал советский физик Л. Д. Ландау. Выводы Чандрасекара и Ландау имели важные следствия относительно судьбы звезд с большой массой. Если масса звезды меньше предела Чандрасекара, то она в конце концов может перестать сокращаться, превратившись в белого карлика – одно из возможных конечных состояний звезды. Белый карлик имеет в радиусе несколько тысяч километров, плотность – сотни тонн на кубический сантиметр и удерживается в равновесии благодаря отталкиванию электронов в его веществе, отталкиванию, которое возникает из-за принципа Паули. На небе видно немало белых карликов. Одним из первых был открыт белый карлик, вращающийся вокруг Сириуса – самой яркой звезды на ночном небе. Ландау показал, что звезда может оказаться и в другом конечном состоянии, предельная масса которого равна одной-двум массам Солнца, а размеры даже меньше, чем у белого карлика. Эти звезды тоже должны существовать благодаря возникающему из-за принципа Паули отталкиванию, но не между электронами, а между протонами и нейтронами. Поэтому такие звезды получили название нейтронных звезд. Их радиус не больше нескольких десятков километров, а плотность – сотни миллионов тонн на кубический сантиметр. Когда Ландау предсказал нейтронные звезды, наблюдать их никто не умел, а реальная возможность их наблюдения появилась значительно позже. Если масса звезды превышает предел Чандрасекара, то, когда ее топливо кончается, возникают большие сложности. Чтобы избежать катастрофического гравитационногоколлапса, звезда может взорваться или каким-то образом выбросить из себя часть вещества, чтобы масса стала меньше предельной. Трудно, однако, поверить, что так происходит со всеми звездами независимо от их размеров. Как звезда узнает, что ей пора терять вес? А даже если бы каждой звезде удалось потерять в весе настолько, чтобы избежать коллапса, то что произошло бы, если бы мы увеличили массу белого карлика или нейтронной звезды так, чтобы она превысила бы предел? Может быть, тогда произошел бы коллапс и плотность звезды стала бесконечной? Эддингтон был так этим поражен, что отказался верить результату Чандрасекара. Он считал просто невозможным, чтобы звезда сколлапсировала в точку. Такой позиции придерживалось большинство ученых: сам Эйнштейн заявил в своей статье, что звезды не могут сжиматься до нулевых размеров. Враждебное отношение ученых, в особенности Эддингтона, который был первым учителем Чандрасекара и главным авторитетом в исследовании строения звезд, вынудили Чандрасекара оставить работу в прежнем направлении.

Он показал, что если масса звезды превышает предел Чандрасекара, то принцип запрета не может остановить ее коллапс, а задачу о том, что должно произойти с такой звездой согласно общей теории относительности, первым решил в 1939 г. молодой американский физик Роберт Оппенгеймер. Но из результатов Оппенгеймера следовало, что с помощью существовавших тогда телескопов нельзя наблюдать ни один из предсказанных эффектов.

Но в шестидесятых годах, благодаря новейшей технике, число астрономических наблюдений сильно возросло, а их область значительно расширилась, что вызвало возрождение интереса к астрономии и космологии. Результаты Оппенгеймера были заново открыты и развиты далее многими физиками.

В итоге, благодаря Оппенгеймеру, мы имеем сейчас следующую картину. Из-за гравитационного поля звезды лучи света в пространстве-времени отклоняются от тех траекторий, по которым они перемещались бы в отсутствие звезды. Световые конусы, вдоль поверхности которых распространяются испущенные из их вершин световые лучи, около поверхности звезды немного наклоняются внутрь. Это проявляется в наблюдаемом во время солнечного затмения искривлении световых лучей, идущих от удаленных звезд. По мере сжатия звезды увеличивается гравитационное поле на ее поверхности и световые конусы наклоняются еще сильнее. Поэтому световым лучам, испущенным звездой, становится все труднее выйти за пределы гравитационного поля звезды, и удаленному наблюдателю ее свечение будет казаться тусклым и более красным. В конце концов, когда в ходе сжатия радиус звезды достигнет некоторого критического значения, гравитационное поле у ее поверхности станет очень сильным, и тогда световые конусы настолько повернутся внутрь, что свет не сможет больше выйти наружу. По теории относительности ничто не может двигаться быстрее света; а раз свет не может выйти наружу, то и никакой другой объект не сможет выйти, т. е. все будет втягиваться назад гравитационным полем. Это значит, что существует некое множество событий, т. е. некая область пространства-времени, из которой невозможно выйти наружу и достичь удаленного наблюдателя. Такая область называется сейчас черной дырой. Границу черной дыры называют горизонтом событий. Она совпадает с путями тех световых лучей, которые первыми из всех теряют возможность выйти за пределы черной дыры.

Горизонт событий, ограничивающий ту область пространства-времени, из которой невозможно выбраться наружу, подобен некоей полупроницаемой мембране, окружающей черную дыру: объекты вроде неосторожного астронавта могут упасть в черную дыру через горизонт событий, но никакие объекты не могут выбраться из нее через горизонт событий обратно.Все и вся провалившееся за горизонт событий вскоре попадет в область бесконечной плотности, где время кончается. Общая теория относительности предсказывает, что при движении тяжелых объектов должны излучаться гравитационные волны, которые представляют собой пульсации кривизны пространства, распространяющиеся со скоростью света. Излучаемые при любом движении гравитационные волны будут уносить энергию системы.При вращении Земли вокруг Солнца теряемая мощность очень мала – примерно такова, какую потребляет небольшой электрокипятильник.Изменения орбиты Земли происходят слишком медленно для наблюдения, но за последние несколько лет в точности такой же эффект наблюдался в системе PSR 1913+16. (PSR означает «пульсар» – особая разновидность нейтронной звезды, которая излучает периодические импульсы радиоволн). Это система двух нейтронных звезд, вращающихся одна вокруг другой; потери энергии на гравитационное излучение приводят к их сближению по спирали. Когда во время гравитационного коллапса звезды образуется черная дыра, все движения звезды должны сильно ускориться, и поэтому потери энергии тоже должны сильно возрасти. Следовательно, коллапсирующая звезда должна вскоре оказаться в некоем стационарном состоянии. Каким же будет это конечное состояние? Можно предположить, что оно будет зависеть от всех сложных свойств исходной звезды, т. е. не только от ее массы и скорости вращения, но и от разных плотностей разныхчастей звезды и от сложного движения газов внутри нее. Но если бы черные дыры были столь же разнообразными, как и коллапсирующие объекты, из которых они возникают, то делать какие бы то ни было общие предсказания о черных дырах оказалось бы очень трудно. Однако в 1967 г. канадский ученый Вернер Израэль (он родился в Берлине, воспитывался в Южной Африке, а докторскую диссертацию защищал в Ирландии) произвел революцию в науке о черных дырах. Израэль показал, что, согласно общей теории относительности, невращающиеся черные дыры должны иметь очень простые свойства: они должны быть правильной сферической формы, размеры черной дыры должны зависеть только от ее массы, а две черные дыры с одинаковыми массами должны быть идентичны друг другу. Фактически получалось, что черные дыры можно описать частным решением уравнений Эйнштейна.Сначала многие, в том числе и сам Израэль, считали, что, поскольку черные дыры должны быть совершенно круглыми, они могут образовываться только в результате коллапса совершенно круглого объекта. Таким образом, любая реальная звезда – а реальные звезды не бывают идеально сферической формы – может сколлапсировать, порождая только голую сингулярность. Правда, была возможна и другая интерпретация полученного Израэлем результата, которую, в частности, поддерживали Роджер Пенроуз и Джон Уилер. Быстрые движения, возникающие во время коллапса звезды, означают, указывали эти ученые, что излучаемые звездой гравитационные волны могут еще сильнее скруглить ее, и к тому моменту, когда звезда окажется в стационарном состоянии, она будет в точности сферической формы. При таком взгляде на вещи любая невращающаяся звезда, как бы ни была сложна ее форма и внутренняя структура, после гравитационного коллапса должна превратиться в черную дыру правильной сферической формы, размеры которой будут зависеть только от ее массы. В дальнейшем такой вывод был подтвержден расчетами и вскоре стал общепринятым. Результат Израэля касался только черных дыр, образовавшихся из невращающихся объектов. В 1963 г. Рой Керр из Новой Зеландии нашел семейство решений уравнений общей теории относительности, которые описывали вращающиеся черные дыры. Керровские черные дыры вращаются с постоянной скоростью, а их форма и размер зависят только от массы и скорости вращения. Если вращение отсутствует, то черная дыра имеет идеальную шарообразную форму. Если же черная дыра вращается, то ее диаметр увеличивается по экватору (точно так же, как деформируются вследствие вращения Земля и Солнце), и тем сильнее, чем быстрее вращение. Чтобы можно было перенести результат Израэля и на вращающиеся тела, было сделано предположение, что любое вращающееся тело, которое в результате коллапса образует черную дыру, должно в конце концов оказаться в стационарном состоянии, описываемом решением Керра.

После гравитационного коллапса черная дыра должна оказаться в таком состоянии, чтобы она могла вращаться, но не могла пульсировать. Кроме того, размеры черной дыры будут зависеть только от се массы и скорости вращения и никак не будут связаны со свойствами того тела, которое сколлапсировало в эту черную дыру. Этот вывод стал известен в формулировке: «У черной дыры нет волос».

Как можно рассчитывать найти черную дыру, если по самому ее определению она вообще не излучает свет? Это все равно что ловить черного кота в темной комнате. И все-таки один способ есть. Еще Джон Митчелл в своей пионерской работе, написанной в 1783 г., указывал, что черные дыры все же оказывают гравитационное воздействие на близкие к ним объекты. Астрономы наблюдали много систем, в которых две звезды обращаются одна вокруг другой под действием гравитационного притяжения. Наблюдаются и такие системы, в которых видима лишь одна звезда, обращающаяся вокруг своего невидимого партнера. Разумеется, мы не можем сразу заключить, что партнер и есть черная дыра, потому что это может быть просто чересчур тусклая звезда. Однако некоторые из таких систем являются еще и мощными источниками рентгеновского излучения. Это явление лучше всего объясняется предположением, что с поверхности видимой звезды «сдувается» вещество, которое падает на вторую, невидимую звезду, вращаясь по спирали (как вытекающая из ванны вода), и, сильно разогреваясь, испускает рентгеновское излучение.Для существования такого механизма невидимый объект должен быть очень малым – белым карликом, нейтронной звездой или черной дырой. Результаты наблюдения орбиты видимой звезды позволяют вычислить, какую наименьшую массу может иметь невидимый объект.

Но черных дыр почти наверняка гораздо больше: на протяжении долгой истории Вселенной многие звезды должны были израсходовать до конца свое ядерное топливо и сколлапсировать. Число черных дыр вполне может даже превышать число видимых звезд, которое только в нашей Галактике составляет около ста тысяч миллионов. Дополнительное гравитационное притяжение столь большого количества черных дыр могло бы быть причиной того, почему наша Галактика вращается именно с такой скоростью, а не с какой-нибудь другой: массы видимых звезд для объяснения этой скорости недостаточно. Существуют и некоторые данные в пользу того, что в центре нашей Галактики есть черная дыра гораздо большего размера с массой примерно в сто тысяч масс Солнца. Звезды, оказавшиеся в Галактике слишком близко к этой черной дыре, разлетаются на части из-за разницы гравитационных сил на ближней и дальней сторонах звезды. Остатки разлетающихся звезд и газ, выброшенный другими звездами, будут падать по направлению к черной дыре. Падающее внутрь вещество будет рождать около черной дыры частицы очень высокой энергии. Магнитное поле будет настолько сильным, что сможет сфокусировать эти частицы в струи, которые будут вылетать наружу вдоль оси вращения черной дыры, т. е. в направлении ее северного и южного полюсов.

Черные дыры малой массы могут образоваться лишь при условии, что вещество сжато до огромных плотностей чрезвычайно высокими внешними давлениями. Такие условия могут выполняться в очень большой водородной бомбе. Более реальная возможность – это образование не очень массивных черных дыр с небольшой массой при высоких значениях температуры и давления на весьма ранней стадии развития Вселенной. Черные дыры могли образоваться лишь в том случае, если ранняя Вселенная не была идеально гладкой и однородной, потому что лишь какую-нибудь небольшую область с плотностью, превышающей среднюю плотность, можно так сжать, чтобы она превратилась в черную дыру. Но мы знаем, что во Вселенной должны были присутствовать неоднородности, иначе все вещество не сбилось бы в комки, образуя звезды и галактики, а равномерно распределилось бы по всей Вселенной.

Могли ли эти неоднородности, существованием которых объясняется возникновение звезд и галактик, привести к образованию первичных черных дыр, зависит от того, какой была ранняя Вселенная. Следовательно, определив, какое количество первичных черных дыр сейчас существует, мы смогли бы многое узнать о самых ранних стадиях развития Вселенной. Первичные черные дыры, масса которых превышает тысячу миллионов тонн (масса большой горы), можно было бы зарегистрировать только по влиянию их гравитационного поля на видимую материю или же на процесс расширения Вселенной.

Наше время. Научные факты. 2016 год 11 февраля

*Что такое гравитационные волны

Гравитацио́нные во́лны — возмущения метрики пространства-времени, отрывающиеся от источника и распространяющиеся подобно волнам (так называемая «рябь пространства-времени»)[1].

В общей теории относительности и в большинстве других современных теорий гравитации гравитационные волны порождаются движением массивных тел с переменным ускорением[2]. Гравитационные волны свободно распространяются в пространстве со скоростью света. Ввиду относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) эти волны имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

11 февраля ученые коллаборации LIGO сообщили о первой регистрации гравитационных волн, которых говорил ещё Эйнштейн. Что это такое, как их уловили и, главное, с какой целью?

1,3 миллиарда лет назад, далеко-далеко от Земли, Солнечной системы и даже нашей Галактики предельно сблизились две черные дыры, одна массой в 29 Солнц, а другая — в 36. 20 миллисекунд — неуловимо мало для человека — и они сливаются в одну большую черную дыру, а избыток выделившейся при столкновении энергии заставляет пространство-время пойти рябью от места космической катастрофы. 14 сентября 2015 года, в 13:51 по московскому времени эта волна дошла до Земли и заставила колебаться разнесенные на четыре километра друг от друга зеркала гравитационных телескопов возле американских городов Ливингстона и Хэнфорда.

Правда, колебания были совсем незаметны: с амплитудой в 10-19 (во столько раз апельсин меньше нашей планеты!). Хитрая оптическая схема для регистрации таких возмущений, измерения на грани квантового предела точности, десятки лет теоретических работ и месяцы проверок результатов. 11 февраля физики из международной коллаборации LIGO сообщили: человечество впервые зарегистрировало гравитационные волны и это не может быть ошибкой. Впереди нас ждут гравитационные телескопы, новая физика и, может быть, новая реальность.

Что это такое?

Представим себе натянутую ткань и несколько камней разного веса, которые мы будем на нее класть. Чем тяжелее камень, тем больше он продавливает ткань — точно так же массивные гравитационные объекты, согласно теории относительности Эйнштейна, продавливают ткань пространства-времени, окутывающую наш мир (точнее, эта ткань и есть наш мир).

Даже время в окрестностях чёрных дыр протекает медленнее, а все объекты, попавшие в гигантскую воронку, уже не могут выйти наружу. Звезды, пыль, кванты света — все остается в ловушке навечно.

Но что будет, если мы не просто положим камни, но еще начнем их вращать? По ткани пойдет рябь складок. Так и массивные гравитационные объекты, двигающиеся с переменным ускорением, порождают вокруг себя распространяющуюся рябь пространства-времени — те самые гравитационные волны, предсказанные Альбертом Эйнштейном еще сто лет назад.

Что излучает гравитационные волны?

Гравитационные волны излучает любой объект, который обладает массой и движется с переменным ускорением. Они вызывают такие скромные колебания пространства, что с точки зрения современной квантовой физики их невозможно зарегистрировать.

Заключение

Вселенная полна тайн. Чёрные дыры, гравитационные волны - все эти явления уникальны. Поэты, учёные, художники, мечтатели испокон веков интересовались небом и всем, что выше. А звёзды маняще подмигивали людям сверху, намекая на то, что нам никогда не раскрыть всех тайн Вселенной.

Информация была представлена из:

http://cyber-ek.ru/world/davies/superforce12.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Большой_взрыв

https://ru.wikipedia.org/wiki/Гравитация

http://chrdk.ru/sci/2016/2/12/phiziki_nashli_gravtatsionnye_volny