Астрофизик Александр Шацкий о горизонте событий, нетривиальной топологии и материи с отрицательной массой

Для решения каких задач в математике возникает нетривиальная топология? Что такое горизонт событий черной дыры? В чем отличие простейшей шварцшильдевской черной дыры от заряженных и вращающихся черных дыр? Как возникают кротовые норы? Об этом рассказывает доктор физико-математический наук Александр Шацкий.

Более ста лет назад Эйнштейн начал развивать сначала специальную теорию относительности, потом общую теорию относительности. Буквально спустя 10 лет появилось известное решение Шварцшильда, описывающее черную дыру. Далеко не сразу люди осознали смысл и важность этого решения, а именно то, что оно описывает такое понятие, как черная дыра. До конца 60-х годов прошлого века понятия черных дыр не существовало, по крайней мере в Советском Союзе, а те люди, которые пытались развивать эту науку, в том числе известный физик-теоретик Новиков Игорь Дмитриевич, высмеивались и подвергались жесткой критике со стороны именитых ученых. Связано это с недоверием к таким экзотическим объектам, как черная дыра.

Наша черная дыра является белой дырой для какой-то третьей Вселенной

Я не буду останавливаться на подробном описании свойств черной дыры, поскольку большинство людей гипотетически представляют, что это за объект. Скажу только, что он обладает настолько мощной гравитацией, что на своей границе, которую принято называть горизонтом событий, черная дыра не выпускает даже свет, тем более любые другие частицы. Именно по этой причине и принято называть границу черной дыры горизонтом событий.

Количество публикаций по черным дырам в 1960-х годах прошлого века начало резко увеличиваться, примерно с двух десятков до нескольких сотен. Этот скачок символизировал прогресс в области физики черных дыр. В современном понимании черная дыра является не просто гравитирующим объектом, а объектом с нетривиальной топологией.

Такое понятие, как нетривиальная топология, в математике известно давно, но в физике и в восприятии большинства людей это темный лес, то есть совершенно непонятное явление. С помощью нетривиальной топологии мы можем путешествовать между различными Вселенными, из одного мира в другой, не прибегая к специальным средствам: космическим кораблям, ускорителям и так далее. Возникает закономерный вопрос: как же мы можем куда-то путешествовать, попадая в черную дыру? В конце прошлого века стало понятно явление нетривиальной топологии для черных дыр. Оказалось, что черные дыры могут быть не только черными, но и белыми, но уже не для нашей Вселенной. А именно, попадая в черную дыру, мы уже не попадем в сингулярность, а попадем в другую Вселенную. И также наша черная дыра является белой дырой для какой-то третьей Вселенной. То есть из третьей Вселенной частица или объект через свою черную дыру попадает в нашу Вселенную. А мы из нашей второй Вселенной можем попасть в первую Вселенную. Все три Вселенные разные. Таким образом, одно и то же тело, упав в черную дыру, в эту же Вселенную вернуться никогда не сможет.

Возникает логичный вопрос: почему же такие явления не были известны достаточно давно, а стали обсуждаться только сейчас? Это происходит потому, что сложную топологию исследовать математически строго намного более сложно, чем обычную топологию, скажем, обычного мира.

Понятия нетривиальной топологии появились после открытия других решений для черных дыр — не самых простейших, которые открыл Шварцшильд около 100 лет назад, а с открытием более сложной черной дыры Рейснера — Нордстрема. Это заряженная черная дыра, то есть черная дыра, обладающая электрическим зарядом. И также решение Кера — это вращающаяся черная дыра.

Чем же принципиально эти черные дыры отличаются от черной дыры Шварцшильда? У черной дыры Шварцшильда сингулярность находится в центре, если можно так сказать, потому что понятие центра для черной дыры, вообще говоря, отсутствует. Но для человека, не специализирующегося в области гравитации, можно сказать и так. У решения Шварцшильда сингулярность притягивает. Любое вещество, любая материя, которая в нее попадает, во-первых, будет притягиваться к ней все ближе и ближе и, во-вторых, будет разрывать любую материю. Таким образом, невозможно никуда проникнуть просто по причине сильных приливных сил. Дело в том, что самые обычные приливные силы, которые вызывают приливы океанов, морей на Земле, при приближении к черной дыре становятся настолько сильными, что способны разорвать на части любое вещество, любую материю.

Например, у человека, который падает вниз ногами в черную дыру, голова будет притягиваться к черной дыре слабее, чем ноги. Причем настолько слабее, что просто в конце концов голову оторвет, как и все остальное. Также в поперечном направлении туловище будет сжиматься все больше и больше при приближении к сингулярности. То есть человек уже попал под горизонт событий, все еще продолжает лететь к сингулярности, и его разрывает.

Но если черная дыра у нас не шварцшильдовская, самая простейшая, а либо заряженная Рейснера — Нордстрема, либо вращающаяся, как у Кера, то сингулярность обладает принципиально другими свойствами. Например, у заряженной черной дыры сингулярность отталкивает объект. То есть сначала объект притягивается, и после того, как он попадает под горизонт событий, он какое-то время еще продолжает двигаться в том же направлении и ускоряется в том же направлении. После этого он попадает под другой внутренний горизонт, также именуемый иногда горизонтом Коши, и уже под горизонтом Коши объект начинает отталкиваться от сингулярности. При этом отталкивание возрастает и возрастает, и в конце концов объект останавливается по радиальным координатам, начинает двигаться в направлении другой Вселенной (нельзя сказать «в обратном направлении») и вылетает из белой дыры. Белая дыра является объектом в другой Вселенной, не нашей, как я сказал до этого.

В природе гипотетически могут существовать еще и двусторонне-проходимые кротовые норы.

Аналогично нашу черную дыру можно представить белой дырой для третьей Вселенной, из которой объект может попасть к нам. Эти необычные свойства — следствие нетривиальной топологии необычной (заряженной или вращающейся) черной дыры. Надо сказать, что вращающаяся черная дыра является еще более сложным объектом, чем просто заряженная. У нее сингулярность находится не в точке, как у Шварцшильда или как у Рейснера — Нордстрема, а на кольце. Это кольцо лежит на экваторе вращающейся черной дыры, и размер этого кольца описывается точной формулой. Также это кольцо является отталкивающим для всех частиц, которые попали под второй внутренний горизонт.

Существует и комбинированное решение, когда черная дыра и заряжена, и вращающаяся. В этом случае принцип не меняется. То есть до внешнего горизонта частица будет притягиваться и ускоряться внутрь. Между двумя горизонтами продолжает двигаться в том же направлении, а под внутренним горизонтом она начинает резко тормозиться и потом выталкивается в другую Вселенную. Почему же так получается? Потому что простейшее решение Шварцшильда для незаряженной и невращающейся черной дыры является вырожденным, как говорят в физике, то есть не отображает истинной картины. Любой сколь угодно малый заряд или любое сколь угодно малое вращение, которое всегда будет иметь место в природе, приведут к тому, что у нас сингулярность окажется кольцевой и отталкивающей.

Это необычное интересное свойство дополняется еще и тем, что топология становится нетривиальной, то есть появляется некий тоннель между разными Вселенными, но тоннель односторонний. Иногда такие тоннели в физике называют полупроходимыми кротовыми норами, иногда называют динамическими кротовыми норами, иногда — черно-белыми дырами. Лично мне нравится третий вариант — «черно-белые дыры». На мой взгляд, это определение ясно описывает суть возникающего объекта.

Кроме этого, в природе гипотетически могут существовать еще и двусторонне-проходимые кротовые норы, или просто проходимые, или кротовые, норы. Дело в том, что в английском варианте принято различать просто кротовые норы и непроходимые кротовые норы. А в русском языке принято говорить, что кротовая нора полностью проходима в обоих направлениях. Можно сказать, что это бело-белая дыра, то есть в обоих направлениях она проходима и видима. Но такой объект для своего существования требует крайне экзотические свойства материи, которая должна его окружать. Такая экзотическая материя еще иногда называется фантомной материей, потому что такая материя должна нарушать энергетические условия. Не все, правда. Их три основных энергетических условия — слабое, сильное и нулевое. Так вот, сильные условия такая материя не должна нарушать, а слабое и нулевое энергетические условия такая материя нарушает. Что это за условия такие?

Если не прибегать к математике и формулам, то основным определением для такой материи является то, что существует такая система отсчета, двигаясь в которой, наблюдатель обнаруживает относительно себя отрицательную плотность массы у этой материи. То есть такая фантомная экзотическая материя не обязана обладать отрицательной массой. Но я подчеркиваю, что должна быть такая система отсчета, находясь в которой, наблюдатель измерит отрицательную плотность массы у такой материи.

Наиболее вероятным кандидатом на роль черной дыры является черная дыра в центре нашей Галактики.

Это нечто сверхэкзотическое, и по этой причине ее называют фантомной, или экзотической, материей. Я бы не стал сейчас подробно останавливаться на том, что такое материя с отрицательной массой. Скажу только, что ничего принципиально необычного в этом для физики нет. Существуют работы, которые показывают, что объекты с отрицательной массой не приводят к нарушению законов сохранения энергии, не приводят к появлению частиц со сверхсветовыми скоростями, так называемых тахионов. Но тем не менее они обладают весьма странными свойствами. Если одна из этих частиц обладает отрицательной массой, вторая — положительной, то одна из них будет притягиваться к другой, а другая будет отталкиваться от первой. Это приведет к тому, что они будут гнаться друг за другом. Но это движение будет неустойчивым, и в конце концов они просто разлетятся друг от друга.

Условия, которые приводили к тому, что эти частицы не стали бы разлетаться друг от друга, а создали бы вечный паровоз, из которого можно было бы извлекать энергию для нужд народного хозяйства, являются приемлемыми в физике. По этой причине частицы и материю с отрицательной массой очень многие не любят. Но тем не менее такие объекты теорфизиками исследуются, и успешно доказывается, что такие объекты с отрицательной массой можно обходить, то есть строить теории без таких объектов. А можно строить теории с такими объектами и далее развивать теорию черных дыр и кротовых нор.

На сегодняшний день мы практически наверняка знаем о существовании черных дыр. Наиболее вероятным кандидатом на роль черной дыры является черная дыра в центре нашей Галактики. Она обладает массой примерно 4,3 млн масс Солнца, и соответствующий ей радиус горизонта событий равен примерно 1 млн км. Также известным кандидатом на роль черной дыры является черная дыра в центре известного массивного квазара M87. Ее масса оценивается уже около 4 млрд солнечных масс, и соответствующий радиус горизонта — порядка 1 млрд км. Других более-менее надежных кандидатов на роль черных дыр мы не знаем. Тем более мы не можем быть уверены, что существуют кротовые норы или черно-белые дыры. Для успешного прохождения через черно-белую дыру необходимо, чтобы приливные силы, которые все равно будут присутствовать и в черно-белой дыре, и в кротовой норе, были не настолько сильными, чтобы космический корабль или любой другой объект смог проникнуть через такой тоннель.

Поэтому на сегодняшний день теория физики кротовых нор и черных дыр является чисто теоретической наукой, но все ближе и ближе подступает к экспериментальным методам изучения таких объектов, в частности объектов для центра нашей Галактики и объекта M87.

Александр Шацкий
доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела теоретической астрофизики Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (АКЦ ФИАН)

источник

Читайте так же:

Поделиться в соц. сетях

0