Космос - «мир, вселенная и мироздание» (др. греческий), первоначальное значение - «порядок, гармония, красота».
Впервые термин Космос для обозначения Вселенной был применён Пифагором...









Интересные сайты:




Феномен человека на фоне универсальной эволюции

Глава VI Космическая эволюция

Третье следствие: наша Метагалактика — черная дыра

6.6. Третье следствие: наша Метагалактика — черная дыра

Если что и загадочно в нашей Метагалактике, так это ее крупномасштабная однородность, связанная с отсутствием центра расширения. Пока мы полагаем, что Большой взрыв претерпела вся бесконечная Вселенная, отсутствие у нее центра расширения и макрооднородность легко объяснить Космологическим принципом, согласно которому разные участки и разные направления во Вселенной равноправны. Поскольку же мы пришли к выводу, что Большой взрыв претерпела лишь наша конечная Метагалактика, то следует признать и то, что в ее пределах Космологический принцип не работает, как он не работает в пределах других конечных метагалактик. Когда в однородной среде или в вакууме взрывается тело конечных размеров, будь то сверхновая звезда, ядерная бомба или тротиловый заряд, то такой взрыв имеет центр и радиальные градиенты давления, плотности и температуры. Ничего подобного при расширении нашей Метагалактики не наблюдается, и это требует объяснения. Точка зрения автора этих строк состоит в том, что макрооднородность нашей Метагалактики и отсутствие у нее центра расширения являются свидетельством того, что она является черной дырой.

Но изложим все по порядку. Черной дырой называется масса, гравитация которой столь велика, что никакие тела и частицы, включая фотоны, испускаемые в ее пределах или на ее поверхности, не могут выйти наружу и достичь внешнего наблюдателя. Обычно черные дыры ассоциируют со сверхсжатыми массами, однако это неправильно, поскольку черной дырой может быть тело со сколь угодно малой плотностью, лишь бы его радиус был меньше некоторой критической величины, которая, очерчивая сферу Шварцшильда, называется гравитационным радиусом и определяется массой тела. Для тела же заданного радиуса его плотность должна быть больше некоторой критической плотности, которая обратно пропорциональна квадрату радиуса тела.

Простые расчеты показывают, что черная дыра с радиусом Земли должна иметь плотность больше 4 • 1026 г/см3, с радиусом Солнца — больше 1017 г/см3, с радиусом нашей Галактики — 3 • 10-7 г/см3 [Трофименко, 1991. С. 11-12], с радиусом нашей Метагалактики — (6±0,1) • 10-30 г/см3 [Чернин, 2001. С. 1155] или 8 • 10-30 г/см3 [Гинзбург, 2002. С. 217]. Как видим, плотность черной дыры и на самом деле может быть очень малой.

Рассмотрим условие, превращающее гравитирующую массу в черную дыру. Результаты, даваемые общей теорией относительности (решением Шварцшильда) и ньютоновой механикой, здесь совпадают, поэтому мы ограничимся для простоты последней.

Бросим с поверхности Земли вверх камень с некоторой начальной скоростью. Чем больше скорость, тем выше он поднимется, прежде чем упадет обратно. А когда камень «оторвется от Земли»? Когда долетит до бесконечности. Если скорость ровно такая, то камень окажется на бесконечности с нулевой скоростью, если больше — его скорость на бесконечности будет больше нуля. Так и определяется, например, вторая космическая скорость — из условия, что заданная пробному телу (ракете) скорость позволяет ему достичь бесконечности с нулевой скоростью. Чтобы определить ее, достаточно начальную кинетическую энергию пробного тела приравнять по абсолютной величине его потенциальной энергии в гравитационном поле Земли на ее поверхности.

Если бы мы находились на планете того же радиуса, но большей массы, то вторая космическая скорость была бы больше, чем на Земле. Если масса планеты столь велика, что вторая космическая скорость равна скорости света, то такая планета уже является черной дырой.

Изменим теперь условия задачи. Пусть по радиусу в направлении от центра движется вся гравитирующая масса, равномерно распределенная по всем направлениям. Представим себе, например, что наша планета разлетается, причем ее поверхностный слой имеет скорость, меньшую второй космической скорости. По мере разлета планеты из-за увеличения ее радиуса вторая космическая скорость падает. Если планета была поначалу черной дырой, то рано или поздно она перестанет ею быть.

Это элементарное рассуждение показывает ошибочность расхожего мифа о том, что если вещество оказалось запертым в черной дыре, то это навсегда. Если вещество, образующее черную дыру, разлетается подобно тому, как разлетается наша Метагалактика, то рано или поздно она раскроется, перестав быть черной дырой.

Оценка реальной плотности нашей Метагалактики p чрезвычайно трудна. Вместо p часто сразу берут ее отношение к критической плотности Ω = р/рc. В реальную плотность нашей Метагалактики и соответственно в Ω основные вклады вносят светящаяся материя, обозначаемая индексом b (барионы), и темная материя (dark matter), обозначаемая индексом d. Соответственно Ωb = 0,02 ± 0,01 [Чернин, 2001] или Ωb = 0,044 ± 0,01 [Гинзбург, 2002] и Ωd = 0,3 ±0,1 [Чернин, 2001; Гинзбург, 2002]. Эти значения делают реальную плотность нашей Метагалактики очень близкой к критической. Подозрительно близкой. Вполне может статься, что она на самом деле является черной дырой или была ею в недавнем прошлом, когда была менее разреженной.

А. П. Трофименко, не отождествляя всей Вселенной с нашей Метагалактикой, допускает, что последняя является или была черной дырой: «И только гравитационный радиус Метагалактики — расширяющейся системы скоплений галактик — близок к размерам самой Метагалактики (1026 м). Можно сказать, что Метагалактика — белая дыра, которая вышла (или выходит) из-под гравитационного радиуса» [Трофименко, 1991. С. 11]. «Вся наша Метагалактика на ее начальном этапе расширения была не чем иным, как белой дырой» [Там же. С. 21].

Приходя к своему заключению, Трофименко ориентируется только на близость значения критической плотности нашей Метагалактики к наблюдаемой. Реальное положение дел сегодня, однако, таково, что ручаться за публикуемые значения ее текущей плотности невозможно. Прежде всего — из-за наличия в Метагалактике темного вещества, но еще и из-за незнания ее радиуса, который может оказаться существенно большим горизонта видимости (см. разд. 6.4). Не имея аргументов за или против своего допущения, Трофименко на нем особо и не задерживается. Мы же располагаем аргументом «со стороны», говорящим, что наша Метагалактика еще и сегодня (по крайней мере частично -см. разд. 6.7) является черной дырой.

Вернемся к вопросу, который был поставлен в начале раздела: почему при вызванном Большим взрывом расширении нашей Метагалактики наблюдается ее макрооднородность, связанная с отсутствием центра расширения, тогда как при взрывах других конечных тел наблюдаются центры, связанные с радиальными градиентами давления, плотности и температуры?

Этот вопрос осложняется проблемой горизонта: «Однородность, как мы знаем, надежно устанавливается по наблюдениям реликтового излучения, приходящего к нам с разных сторон и имеющего одинаковую интенсивность (не зависящую от направления). Это означает, что в прошлом, в момент, когда плазма превратилась в нейтральный газ (около 300 тыс. лет после начала расширения. — С.Х.) и поэтому стала прозрачной и когда вышли реликтовые фотоны, наблюдаемые нами сегодня, точки, далеко разнесенные в пространстве, имели одинаковую температуру. Для той эпохи каждая такая точка лежала тогда вне горизонта видимости, очерченного вокруг другой точки. Поэтому точки были причинно не связаны, не могли за время расширения Вселенной (нашей Метагалактики. — С.Х.) обменяться сигналами. Как же в таком случае у них получились одинаковые температуры, если одна точка не может даже знать, какая температура у другой?» [Новиков, 1985. С. 171].

Макрооднородность Метагалактики тем более загадочна на фоне ее неоднородности в малых масштабах. Как уже говорилось, отождествляя расширяющуюся Метагалактику со всей Вселенной, ее макрооднородность объясняют сегодня действием Космологического принципа, согласно которому разные участки Вселенной равноправны, в ней нет «центра» и «окраин». В этой схеме объяснения требует только наблюдаемое конкретное соотношение масштабов макрооднородности и микронеоднородности, для чего привлекают соображения об особых начальных условиях, при которых началось расширение и которые закладываются в инфляционную модель: «...первоначальные возмущения должны быть не настолько сильными, чтобы нарушалась глобальная изотропия Вселенной, и не настолько слабыми, чтобы возможность образования галактик и их скоплений была утрачена» [Стадник, 1989. С. 108].

Нас это объяснение не устраивает уже потому, что оно опирается на инфляционную модель (см. разд. 6.5.4). Но еще более нас не устраивает апелляция к Космологическому принципу, поскольку мы не отождествляем нашу Метагалактику со всей Вселенной. Каковы бы ни были начальные условия Большого взрыва нашей Метагалактики в рамках инфляционной или какой угодно другой теории, она должна была бы иметь, по идее, центр расширения и радиальные градиенты температуры, давления и плотности. Этого нет, и это действительно странно.

Разгадать эту загадку, мне кажется, можно единственным способом: принять как факт, что наша Метагалактика не просто может быть или могла быть в прошлом черной дырой, как это допускает Трофименко, но является ею еще и сегодня. Крупномасштабная однородность Метагалактики, полагаем мы, является ее геометрическим свойством, обусловленным тем, что она представляет собой черную дыру.

Внутреннее пространство черной дыры замкнуто на себя гравитацией, будучи конечным по объему, но безграничным. Все находящиеся внутри черной дыры тела и излучения в своем движении как бы отражаются от внутренней стороны шварцшильдовской сферы, сами «не замечая» того и продолжая свое движение по прямой. Из-за безграничности предстающего перед наблюдателем пространства он не только не обнаружит центра сферы, внутри которой находится, но и все ее внутренние точки окажутся для него равноправными. Центр черной дыры, явственно существующий для внешнего наблюдателя (как центр ее массы, обозначающий источник притяжения), для внутреннего наблюдателя не существует.

В качестве геометрической аналогии трехмерного безграничного замкнутого пространства в ОТО используется двухмерная поверхность трехмерной сферы — в обоих случаях пространство конечно по объему (по площади), но не имеет границ [Ландау, Лифшиц, 1962. С. 380]. При этом под замкнутым пространством имеется в виду Вселенная, однако эта аналогия применима к любым замкнутым гравитацией системам, которыми, кроме Вселенной в случае ее замкнутости, и являются черные дыры. Используем эту аналогию и мы, учитывая, что сфера расширяется. Поместим на ее поверхность двухмерный газ взаимодействующих точек, имитирующий трехмерный «газ» звезд и галактик. Если эти взаимодействия подобны реальным, то подобно тому, как это происходит в наблюдаемом мире, точки будут образовывать фрактальные (точнее, фракталоподобные) структуры.

Из-за симметрии задачи газ на двухмерной сферической поверхности не будет иметь выделенных участков и направлений, оставаясь однородным и изотропным в том смысле, что находящиеся на ней равные по площади участки будут иметь примерно одинаковую плотность точек, тогда как участки большей площади будут иметь меньшую плотность. По мере расширения сферы плотность газа на ее поверхности уменьшается, точки разбегаются друг от друга, не имея центра расширения. Если радиус сферы растет с постоянной скоростью, точки на сфере разбегаются в соответствии с законом Хаббла в его двухмерном варианте. Все это, только в трехмерном пространстве, мы и наблюдаем в нашей Метагалактике.

Наша Метагалактика, полагаем мы, замкнута в черную дыру гравитацией, которая и обеспечивает макрооднородность и изотропность распределения вещества и энергии внутри черной дыры независимо от скорости распространения гравитационного взаимодействия и размеров Метагалактики. В соответствии с принципом эквивалентности ОТО, макрооднородность нашей Метагалактики обеспечивается не распространяющимися с конечной скоростью гравитационными сигналами, но является геометрическим свойством внутреннего пространства-времени сферической черной дыры. Это снимает проблему горизонта, о которой шла речь выше в настоящем разделе. Геометрия шварцшильдовской черной дыры приводит внутри нее к тому же результату, что и Космологический принцип применительно ко всей Вселенной.

В такой «нивелирующей» деятельности гравитации сразу во всем объеме черной дыры нет ничего странного, мы должны были уже привыкнуть к такого рода феноменам, имеющим место как бы без участия распространяющихся с конечной скоростью взаимодействий. Нас должен был приучить к такому ходу мысли тот же Космологический принцип: равноправие разных фрагментов Вселенной обеспечивается не какими-то распространяющимися сигналами, но самим устройством мироздания (равноправностью разных его участков). Другой пример: квантовая механика говорит, и эксперимент это подтверждает, что две частицы, испущенные данным атомом, могут вести себя единовременно коррелированным образом, если даже их разделяет сколь угодно большое расстояние, как если бы между ними существовала некая «телепатическая» связь Девис, 1989. С. 53-54].

В нашей замкнутой Метагалактике гравитационные взаимодействия выступают в двойной ипостаси. С одной стороны, они как «нормальные» взаимодействия, распространяющиеся со скоростью света, участвуют в создании локальных искривлений пространства-времени и воспринимаются нами как силы притяжения. В этой ипостаси гравитационные взаимодействия участвуют в создании структур, образующих «микромасштабную» неоднородность Метагалактики -звезды, галактики и пр. С другой стороны, они же, замыкая нашу Метагалактику в шварцшильдовскую (сферическую) черную дыру, создают ее пространственно-временную геометрию, воспринимаемую нами в трехмерном пространстве как макрооднородность с отсутствующим центром расширения. И эта макрооднородность уже не связана с конечной скоростью распространения гравитации.

Гравитация как кривизна пространства-времени, применительно к которой нет смысла говорить о (конечной) скорости распространения гравитационного сигнала, возникает в ОТО благодаря центральному в ней принципу эквивалентности и не возникает, к примеру, в релятивистской теории гравитации (РТГ) А. А. Логунова, в которой гравитация — это только распространяющееся с конечной скоростью поле и, соответственно, нет черных дыр [Логунов, 2001]. Так что, помимо прочего, макрооднородность нашей Метагалактики и отсутствие у нее центра расширения является доводом в пользу ОТО против РТГ.

Современные авторы говорят, что науке неизвестно, в каком состоянии находится вещество внутри черных дыр. Это верно лишь в отношении малых черных дыр с их гигантской плотностью энергии. Для черных дыр масштаба нашей Метагалактики ситуация, как видим, другая — ее житель примерно видит то, что видим мы. Внутри такой черной дыры нет ничего особенного, жить можно.





Назад     Содержание     Далее















Друзья сайта: