Парадоксальные объекты современной космологии. «Черные дыры»: физические свойства.

Чёрная дыра́ — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света).

В рамках наиболее популярной сейчас теории гравитации – ОТО Эйнштейна – свойства черных дыр изучены весьма подробно. Вот некоторые важнейшие из них:

1) Вблизи черной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если удаленный наблюдатель бросит в сторону черной дыры зажженный фонарь, то увидит, как фонарь будет падать все быстрее и быстрее, но затем, приближаясь к поверхности Шварцшильда, начнет замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть (поскольку замедлится темп колебания всех его атомов и молекул). С точки зрения далекого наблюдателя фонарь практически остановится и станет невидим, так и не сумев пересечь поверхность черной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда вместе с фонарем, то он за короткое время пересек бы поверхность Шварцшильда и упал к центру черной дыры, будучи при этом разорван ее мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстояниях от центра.

2) Каким бы сложным ни было исходное тело, после его сжатия в черную дыру внешний наблюдатель может определить только три его параметра: полную массу, момент импульса (связанный с вращением) и электрический заряд. Все остальные особенности тела (форма, распределение плотности, химический состав и т.д.)в ходе коллапса «стираются». То, что для стороннего наблюдателя структура черной дыры выглядит чрезвычайно простой, Джон Уилер выразил шутливым утверждением: «Черная дыра не имеет волос».

В процессе коллапса звезды в черную дыру за малую долю секунды (по часам удаленного наблюдателя) все ее внешние особенности, связанные с исходной неоднородностью, излучаются в виде гравитационных и электромагнитных волн. Образовавшаяся стационарная черная дыра «забывает» всю информацию об исходной звезде, кроме трех величин: полной массы, момента импульса (связанного с вращением) и электрического заряда. Изучая черную дыру, уже невозможно узнать, состояла ли исходная звезда из вещества или антивещества, была ли она вытянутой или сплюснутой и т.п. В реальных астрофизических условиях заряженная черная дыра будет притягивать к себе из межзвездной среды частицы противоположного знака, и ее заряд быстро станет нулевым. Оставшийся стационарный объект либо будет невращающейся «шварцшильдовой черной дырой», которая характеризуется только массой, либо вращающейся «керровской черной дырой», которая характеризуется массой и моментом импульса.

3) Если исходное тело вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется «вихревое» гравитационное поле, увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее. Поле тяготения вращающейся черной дыры называют полем Керра (математик Рой Керр в 1963 нашел решение соответствующих уравнений). Этот эффект характерен не только для черной дыры, но для любого вращающегося тела, даже для Земли. По этой причине размещенный на искусственном спутнике Земли свободно вращающийся гироскоп испытывает медленную прецессию относительно далеких звезд. Вблизи Земли этот эффект едва заметен, но вблизи черной дыры он выражен гораздо сильнее: по скорости прецессии гироскопа можно измерить момент импульса черной дыры, хотя сама она не видна.

Чем ближе мы подходим к горизонту черной дыры, тем сильнее становится эффект увлечения «вихревым полем». Прежде чем достичь горизонта, мы окажемся на поверхности, где увлечение становится настолько сильным, что ни один наблюдатель не может оставаться неподвижным (т. е. быть «статическим») относительно далеких звезд. На этой поверхности (называемой пределом статичности) и внутри нее все объекты должны двигаться по орбите вокруг черной дыры в том же направлении, в котором вращается сама дыра. Независимо от того, какую мощность развивают его реактивные двигатели, наблюдатель внутри предела статичности никогда не сможет остановить свое вращательное движение относительно далеких звезд.

Предел статичности всюду лежит вне горизонта и соприкасается с ним лишь в двух точках, там, где они оба пересекаются с осью вращения черной дыры. Область пространства-времени, расположенная между горизонтом и пределом статичности, называется эргосферой. Объект, попавший в эргосферу, еще может вырваться наружу. Поэтому, хотя черная дыра «все съедает и ничего не отпускает», тем не менее, возможен обмен энергией между ней и внешним пространством. Например, пролетающие через эргосферу частицы или кванты могут уносить энергию ее вращения.

4) Все вещество внутри горизонта событий черной дыры непременно падает к ее центру и образует сингулярность с бесконечно большой плотностью. Английский физик Стивен Хоукинг определяет сингулярность как «место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени».

5) Кроме этого С.Хоукинг открыл возможность очень медленного самопроизвольного квантового «испарения» черных дыр. В 1974 он доказал, что черные дыры (не только вращающиеся, но любые) могут испускать вещество и излучение, однако заметно это будет лишь в том случае, если масса самой дыры относительно невелика. Мощное гравитационное поле вблизи черной дыры должно рождать пары частица-античастица. Одна из частиц каждой пары поглощается дырой, а вторая испускается наружу. Например, черная дыра с массой 10¹² кг должна вести себя как тело с температурой 10¹¹ К, излучающее очень жесткие гамма-кванты и частицы. Идея об «испарении» черных дыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах, не способных излучать.

21.Сущность живого. Основные подходы к проблеме определения жизни в биологии.

Понятия живое, неживое человечеству известны очень давно. Живым считалось все то, что растет, дышит, передвигается, питается, рождается и умирает. С накоплением знаний в определении живого возникли проблемы. Левенгук в капле воды открыл мир микроорганизмов. Появились науки биология, ботаника, зоология и др. Различные исследователи давали определения жизни, находя у живого характерные признаки. Написаны учебники, где перечисляются специфические признаки живого [144], но при глубоком профессиональном рассмотрении эти признаки можно обнаружить и у неживых объектов. Четкая граница живое–неживое исчезла, что подтверждает гипотезу об эволюционном перерастании неживой материи в живую. Но необходимость осмыслить понятие жизнь осталась. Ниже приводятся признаки живого, опубликованные в учебной литературе по естествознанию [144]. Вначале цитируется учебник, затем приводятся наши комментарии.

1. “Живые организмы характеризуются сложной упорядоченной структурой. Уровни их организации значительно выше, чем в неживой природе».

Весь мир бесконечно сложный, до конца не познанный объект. В ходе эволюции периодически возникали новые организованности, более сложные, чем их предшественники. Молекула сложнее атома. Белковая молекула значительно сложнее какой-либо низкомолекулярной структуры. Как видно, отличие в уровнях сложности упорядоченных объектов характерно для любых иерархических уровней организации Мира.

2. “Живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее для поддержания своей высокой упорядоченности”.

Это определение указывает на то, что живое можно причислить к открытым системам. Но в природе все эволюционирующие системы (и неживые тоже) являются открытыми системами и черпают энергию из надсистемы. Существует множество физических, химических, физико-химических процессов, происходящих только тогда, когда энергия поступает из окружающей среды. Многие реакции протекают при нагреве. Все технические устройства функционируют на “внешней” энергии. Смерчи, тайфуны, ветер черпают энергию солнца. Таким образом, открытость живых систем – не специфический признак.

3. “Способность реагировать на внешнее воздействие (раздражитель) - универсальное свойство всех живых систем”.

Да, все живое отвечает реакциями на внешнее воздействие. Но и это не специфический признак живого. Внешнее воздействие всегда вызывает ответную реакцию в любых объектах природы. При изменении температуры объекты изменяют свои размеры. На действие электромагнитных полей они отвечают намагничиванием, электризацией, деформацией, свечением, поляризацией и др. На механические воздействия отвечают деформацией, инерцией, перемещением, разрушением, нагревом, свечением, электризацией и др.[230]. Ответная реакция сложных объектов обычно направлена на “нейтрализацию” внешнего воздействия. Объект своей реакцией стремится сохранить свое исходное состояние (принцип Ле-Шателье, принцип Ленца, инерция Ньютона). Причем реакции неживых объектов могут быть и не повторяющимися, наблюдается адаптация. Например, пружины теряют упругость при повторных воздействиях. Магнитный гистерезис – это тоже запоминание прежнего воздействия [103].

Однако живые существа реагируют ситуационно, могут менять свое поведение. При опасности могут убежать, напасть, замереть. Однако, чем проще форма жизни, тем менее разнообразны реакций. У живых существ есть возможность выбирать тип реакции.

4.“Живые организмы изменяются и усложняются”.

Модель эволюционирующей Вселенной демонстрирует изменения и усложнения не только живого, но и неживого (глава 2).

5. “Все живое размножается”

Да, этой яркий отличительный признак живого от большинства неживых объектов, но мало известно, что некоторые неживые объекты также могут размножаться. Капля воды в насыщенных парах растет до определенного размера, а затем делится на две меньшие капли. Последние снова начинают расти и делиться. Этот процесс размножения капель будет протекать до тех пор, пока сохраняются соответствующие условия. Этот процесс внешне напоминает размножение бактерий [38]. Коацерватные капли органических веществ также могут расти и делиться. Из растворов солей растут кристаллы. Кусочек, отломившийся от растущего кристалла, становиться зародышем для роста подобного кристалла.

Очевидно, что различия живого и неживого следует искать не в факте размножения, а в способах, как это происходит.

6. “Жизнь есть форма существования белковых тел” (Ф. Энгельс).

На наш взгляд это определение не поясняет сущность живого, т.к. главными в клетках являются не белки (они лишь исполнители), а сложноэфирные полимеры (ДНК, РНК). Кроме того, не исключены формы и небелковой жизни.

7. “Живое способно к саморегуляции”.

Очень многие системы, которые нельзя назвать живыми, способны саморегулироваться. Многие неживые творения человека (холодильник, робот, автомат) – «саморегуляторы». Устойчивые вихри, торнадо, вращающийся волчок (гироскоп) – саморегулирующиеся системы. Следовательно, не сам факт саморегуляции, а способ, как это достигается, могут служить отличием живого и неживого.

8. “Живая система работает против возрастания энтропии”.

С появлением науки синергетики было открыто много неживых систем, повышающих свою организованность. Например, лазер созданный человеком, преобразует “хаотическую” энергию в высокоупорядоченный световой луч. Позже лазеры (газовые мазеры) были обнаружены в межзвездном пространстве. Бензобак самолета покрытый слоем сырой резины и пробитый пулей «самозалечивался». Отверстие затягивалась разбухшей от бензина резиной. Но процессы самозалечивания, регенерации, “ремонта” изношенных белковых молекул в живом, несомненно, ярко выражены. Кроме того, как было показано в разделе 2.12, понятие энтропия не способно характеризовать живое в связи с чрезмерными упрощениями, которые были приняты при выведении этого понятия.

9. “Живые объекты осуществляют обмен веществ с окружающей средой”.

Это значит, что на вход живой системы поступает одно вещество, а на выходе появляется вещество другого состава. В простейшей клетке совершается огромное количество биохимических превращений. Вернадский писал, что за год жи­вое вещество планеты Земля пропускает через себя массу, соизмеримую с массой земной коры. Организм человека почти полностью обновляется за несколько месяцев [39].

Но и в неживых объектах можно наблюдать обмен веществ. Например, горение. На входе – горючие вещества, на выходе – продукты сгорания. Химические реакторы, созданные человеком, интенсивно превращают вещество, но живыми их не считают. Гетерогенные катализаторы (в том числе и природные) осуществляют на своей поверхности множество превращений [236]. Вся Вселенная это грандиозный потоковый процесс. Но несомненно, что обменные процессы выглядят в живом более грандиозно даже на уровне клетки. Различия в обменных процессах живого и неживого состоят в том, что в первом они управляемы.

Как видно, пройдясь по эволюционной лестнице и проанализировав различные определения живого, мы не приблизились к ответу, но утвердились во мнении, что в живом всегда можно найти признаки, которые в упрощенных формах можно обнаружить и в неживом. Поэтому попытка найти какой-либо один абсолютный, характерный признак живого – занятие малоперспективное. Нужно изменить подход и искать те признаки (функции) неживого, которые в живом прогрессивно усилились (метод изложен в раздел 2.7). Схематически это можно представить таким образом, как показано на рисунке 2.6.1. Надо сравнивать спектры свойств живых и неживых объектов. Различия можно обнаружить, рассматривая только комплекс свойств (спектр) сравниваемых объектов. Но в любом спектре есть характеристические признаки, которые выражены особо ярко, заметно. Попытаемся выделить ряд наиболее заметных, ярких характеристических признаков живого.

1. Стремление к независимости от изменяющейся внешней среды.

Это признак исходит из поведения неживых систем, описанных принципом Ле-Шателье, законом инерции в механике, принципом Ленца в электромагнетизме. Живое реализует это стремление разными способами. Например, созданием искусственной среды обитания мембранами (клетка), кожей, шкурой, стенами и т.п. Поддержание в этой искусственной среде заданных параметров по температуре (теплокровные животные), химическому составу. Обновление внутренней структуры.

Стремление к свободе человека – это проявления того же явления. Борьба народов за самоопределение – это социальные отголоски принципа Ле-Шателье. В живом принцип Ле-Шателье может и нарушаться в связи со способностью живого оценивать характер внешнего воздействия. Если воздействие негативное, то ему оказывают сопротивление. Если же воздействие желательное, то сопротивление не оказывается.

2. Размножение и экспансия.

Самоизоляция организма внутри некоторого замкнутого объема компенсируется экспансией вида, стремлением занять всю окружающую среду. Этот процесс реализуется через размножение. Неограниченное размножение подобно биологическому взрыву. Одноклеточные водоросли за 8 дней неограниченного размножения способны достигнуть объема соизмеримого с объемом Земли [26].

Экспансия живого вещества корнями уходит в растущие кристаллы, сталактиты, но в живом это свойство возросло до невероятных размеров, ограниченных только ресурсами.

3. Неравновесность состояния. Обмен веществ. Стремление преобразовать и окружающую среду.

Обмен веществ - это могучая геологическая сила (Вернадский). Живое вещество Земли за год пропускает через себя и преобразует количество химических элементов, соизмеримое с массой земной коры. Это свойство в неживой материи (косной) очень слабо выражено и может быть обнаружено, например, в каталитических процессах, протекающих на поверхности глин. Окружающая среда это ресурс, потребляемый живым веществом. Интенсивность обмена веществ усиливается способностью живого активно искать ресурсы (питание). Клетка перемещается в сторону увеличения концентрации пищи. Растения тянутся к свету, воздуху, к воде.

Следы таких же явлений можно обнаружить в коллоидных системах: движение частиц в градиентном поле, поглощение мелких капель крупными.

4. Способность к регенерации. Возрастание устойчивости.

Живые системы постоянно заменяют морально устаревшее или изношенное «оборудование». Процессам распада, дезинтеграции противопоставляются процессы восстановления испорченного и разрушенного. Клетка периодически заменяет белки (ферменты) [39]. Организмы восстанавливают хвосты, ногти, кожу, волосы, стенки желудка. Человек полностью обновляется в течение нескольких месяцев. Именно регенерация является той основой, которая позволяет существовать живым объектам.

Эта способность просматривается и в неживом. Ледяная сосулька после разрушения восстанавливается снова. Кристаллы способны к регенерации дефектов.

Подходы:Моноатрибутивный подход. Согласно данному подходу выводы о сущности живого делаются на основе анализа одного из жизненных явлений и соответствующих ему структур.
Полиатрибутивный подход. Включает требование учитывать все основные свойства и проявления живой материи. Определения живого, разработанные на основе полиатрибутивной методологии, сводятся к перечислению главных жизненных процессов.
Функциональный подход. Его сторонники предлагают отказаться от анализа субстрата живого, ограничиваясь лишь его функциями.
Механистический подход. Отрицание, каких бы то ни было принципиальных отличий живого от неживого. Объясняет все жизненные процессы на основе физических и химических закономерностей.
Виталистический подход. Характеризуется стремлением выйти за рамки материального мира, объяснить жизненные явления посредством особого нематериального «начала».
Субъективистский подход. Отвергает объективное содержание определений живой материи. Сторонники этого подхода считают, что суждения о живом зависят исключительно от произвольных толкований исследователей.
Диалектико-материалистический подход (по В.Н. Веселовскому) [2, 42-57 ст.]. Главные черты: объективность, т.е. безоговорочное признание живой материи одной из форм объективной реальности, существование и специфика которой не зависят от человеческого сознания