Страница 34 из 37
ВТОРАЯ КОСМИЧЕСКАЯ
Чтобы как следует понять, что такое черная дыра, обратимся к космонавтике. Известно, что всякое тело, движущееся вблизи тяготеющей массы, находится под воздействием двух сил — силы тяготения и силы, вызываемой ускорением тела в его движении относительно этой массы. Характер движения определяется тем, какая из этих двух сил больше. Если больше сила тяготения, тело падает «вниз». Если больше сила, вызываемая ускорением, и, кроме того, эта сила направлена в сторону, противоположную силе тяготения, тело будет удаляться от тяготеющей массы и в конце концов покинет сферу ее воздействия.При орбитальном движении ускорение тела пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально расстоянию до центра вращения. Поэтому, чтобы преодолеть силу тяготения, тело должно приобрести определенную скорость. Самая маленькая скорость, при которой тело может преодолеть путы земного притяжения, получила название второй космической скорости. В настоящее время вторая космическая скорость — это не предмет научных спекуляций, а совершенно реальная величина, используемая в расчетах траекторий космических кораблей, направляющихся к Марсу, Венере и более отдаленным небесным телам солнечной системы,При орбитальном движении сила, противодействующая силе тяготения, зависит не только от скорости, но и от радиуса орбиты: чем меньше радиус, тем больше вторая скорость. Существует такая величина радиуса (она называется гравитационным радиусом), при которой вторая космическая скорость оказывается равной скорости света. Поскольку никакой физический объект не может двигаться быстрее, чем со скоростью света, попав внутрь сферы с радиусом, равным гравитационному радиусу, объект никогда уже не сможет выйти наружу. Для этого необходимо, конечно, чтобы вся тяготеющая масса была сосредоточена внутри сферы с гравитационным радиусом.
ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ
Для Солнца гравитационный радиус равен примерно трем километрам. Это означает, что сфера с гравитационным радиусом (ее называют также горизонтом событий) целиком расположена внутри материи Солнца. Поэтому Солнце и излучает различные частицы, главным образом фотоны, в окружающее его пространство.Если масса небесного тела превышает некоторую критическую величину, под воздействием собственных сил тяготения оно начинает сжиматься и сжимается до тех пор, пока целиком не окажется сосредоточенным внутри сферы — горизонта событий.Такой процесс называется коллапсом, и так рождается черная дыра.Если наблюдатель, двигаясь по направлению к черной дыре, пересекает сферу горизонта событий и продолжает двигаться дальше, он не наблюдает ничего особенного. Просто ускорение силы тяжести непрерывно увеличивается, формально обращаясь в бесконечность в центре черной дыры. Для наблюдателя же, находящегося вне черной дыры, она просто не существует, поскольку, как уже отмечалось, никакой физический объект, в том числе и квант электромагнитного излучения, не может покинуть черную дыру и быть зарегистрированным в каком-либо физическом эксперименте. Черная дыра как бы вычеркивается из пространства, изучаемого внешним наблюдателем.Любой физический объект, упавший на черную дыру, исчезает. Исчезает не в том смысле, что он перестает быть доступным для наблюдателя, а исчезает совсем, то есть перестает каким бы то ни было способом влиять на любые процессы, происходящие в рассматриваемой области пространства. Конечно, при падении объекта в черную дыру его энергия (масса) прибавляется к общей энергии черной дыры.То же самое происходит с количеством движения, моментом количества движения и электрическим зарядом.Казалось бы, все только что сказанное неотвратимо свидетельствует об одном: черная дыра должна восприниматься внешним наблюдателем как тело, находящееся при температуре абсолютного нуля. Ведь понятиетеплоты неразрывно связано у нас с понятием из лучения, а черная дыра ничего не излучает и ничего не отражает. Но вот американский ученый С. Хокинг в 1975 году показал обратное
ПУСТОТА — ИСТОЧНИК ЧАСТИЦ
Чтобы сделать рассуждения понятными, необходимо сейчас напомнить читателю, что окружающий нас физический вакуум — это совсем не абсолютная пустота, как считалось, скажем, сто лет назад. По многим своим свойствам физический вакуум материален. Это проявляется, в частности, в том, что в физическом вакууме непрерывно происходят процессы рождения и взаимного уничтожения пар так называемых виртуальных частиц. Такими парами могут быть электрон и позитрон или пары различных квантов электромагнитного излучения. Поскольку эти пары рождаются все же «из ничего», они должны отвечать обязательному условию: если энергия (масса) одной из частиц такой пары положительна, то энергия (масса) второй частицы должна быть отрицательной и равной по абсолютной величине энергии первой частицы. При таком условии частицы, взаимно уничтожаясь, исчезают бесследно и средняя энергия, распределенная в физическом вакууме, как и следует быть, оказывается равной нулю.Иначе обстоит дело, если рождение пар виртуальных частиц происходит вблизи горизонта событий. Тогда частица, обладающая отрицательной энергией, падает внутрь черной дыры и исчезает. А частица, обладающая положительной энергией, подчиняясь закону сохранения количества движения, улетает в сторону от черной дыры, Легко показать, что внутрь должны падать именно частицы с отрицательной энергией. Если бы было наоборот, то энергия черной дыры непрерывно увеличивалась бы за счет энергии падающих на нее виртуальных частиц. Энергия бралась бы из ничего, что запрещено законом сохранения. Наоборот, если внутрь черной дыры падают частицы с отрицательной энергией, ее энергия постепенно уменьшается и это уменьшение в точности равно положительной энергии частиц, улетающих в космическое пространство. Вот и получается, что черная дыра излучает, то есть представляется для внешнего наблюдателя горячим телом. Рассуждения С. Хокинга полностью подтвердились сделанными им расчетами.
ТЕМПЕРАТУРА БИЛЬЯРДА
К тем же выводам, что и С. Хокинг, можно прийти, исходя из совершенно иных соображений. И снова, в который раз, вернемся к бильярду. Когда шары на бильярдном столе неподвижны и составлены в пирамидку, можно сказать, что температура бильярда равна нулю. Ведь температура определяется средней скоростью движения частиц. Разбивая пирамидку, мы «нагреваем» бильярд до определенной температуры. При этом шары «забывают» свое первоначальное положение в пирамидке и движутся так, что все положения на столе для них равновероятны. Можно сказать, что процесс нагревания — это то же самое, что процесс забывания. Раньше мы строго сформулировали ту же мысль, сказав, что информация суть энтропия, взятая с обратным знаком, чем выше энтропия системы, тем меньшее количество информации может быть от нее получено.Но должно быть справедливо и обратное. Чем меньше информации может быть получено от системы, тем выше должна быть ее энтропия. Мы уже сталкивались с подобным положением в главе четвертой и подчеркивали там, что существенное значение имеет именно принципиальная возможность получать информацию, а не то, хотим мы получать эту информацию и располагаем ли мы при этом соответствующими приборами или нет.Перенося эти рассуждения на случай черных дыр, приходим к непосредственному выводу. Поскольку возможность получать какую-либо информацию о черной дыре отсутствует, значит, энтропия ее должна быть велика. Черная дыра полностью «забыла» как о своем собственном происхождении, так и о всех тех объектах (в том числе и виртуальных частицах), которые она поглотила. А подобное забывание эквивалентно тому, что черная дыра ведет себя как тело, нагретое до достаточно высокой температуры.Все эти рассуждения, может быть, и не имели бы особой цены, если бы, будучи облаченными в математические формулы, они не дали бы в точности тот же результат, который получается при выводе математических зависимостей на основе представления о виртуальных частицах.До открытия эффекта Хокинга мы знали единственный механизм появления тепловых свойств у динамической системы. Он состоит в превращении упорядоченного движения частиц в хаотическое, проявляясь и при трении двух кусков дерева, с помощью которых наши предки добывали огонь, и в современных установках по нагреву плазмы. Физика черных дыр указала нам новый механизм появления тепла, который происходит по схеме: черная дыра — черный ящик (то есть объект, который можно изучить только по его внешним проявлениям) — черное тело.Черные дыры помогли нам увидеть новые и неожиданные аспекты термодинамики, обогатив наше понимание природы теплоты. Поэтому независимо от того, существуют эти объекты в природе или нет, они уже с лихвой оправдали себя как предмет теоретического исследования и, можно думать, надолго останутся в истории естествознания.