Niesamowita teoria fizyków: nasz Wszechświat znajduje się w ogromnej czarnej dziurze. Czarna dziura o masie Wszechświata? Nasz wszechświat znajduje się wewnątrz czarnej dziury
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. CZESI
Spróbujmy cofnąć wskazówki zegara. Przed pojawieniem się życia, przed pojawieniem się Ziemi, przed narodzinami Słońca i powstaniem galaktyk, zanim zaczęło płynąć światło, to się wydarzyło. A było to 13,8 miliarda lat temu.
Ale co było pierwsze? Wielu fizyków twierdzi, że nie ma „przed”. Wierzą, że sam czas rozpoczął się w momencie Wielkiego Wybuchu i wszystko, co było wcześniej, nie pasuje do sfery naukowej. Zgodnie z tym punktem widzenia nigdy nie będziemy w stanie zrozumieć, jaka była rzeczywistość przed Wielkim Wybuchem, z jakich elementów powstała i dlaczego dała początek naszemu wszechświatowi.
Są jednak naukowcy, którym obce są konwencje i nie zgadzają się z nimi. Ludzie ci budują zawiłe teorie, że w ulotnej chwili przed Wielkim Wybuchem cała energia i masa rodzącego się wszechświata została skompresowana w nierealistycznie gęste, ale dość ograniczone ziarno. Można to nazwać „nasionem nowej rzeczywistości”.
Ci szaleni fizycy wierzą, że Nasienie było niewyobrażalnie małe, prawdopodobnie tryliony razy mniejsze niż jakakolwiek cząstka elementarna, którą może zaobserwować człowiek. A jednak to właśnie to ziarno stało się impulsem do powstania wszystkiego innego: innych cząstek, galaktyk, naszego Układu Słonecznego i ludzi. Jeśli naprawdę pragniesz nazwać coś cząstką Boga, wówczas to Nasienie jest najlepszym kandydatem na takie imię.
Jak więc powstało to Nasienie? Pomysł wysunięty przez Nikodima Popławskiego z Uniwersytetu w New Haven głosi, że Ziarno naszej rzeczywistości pojawiło się w pierwotnym piecu czarnej dziury.
Reprodukcja multiwersów
Zanim zaczniemy kopać głębiej, warto zrozumieć, że w ostatnich latach wielu zainteresowanych tą problematyką doszło do wniosku, że nasz wszechświat wcale nie jest wyjątkowy. Może to być tylko niewielka część rozległego wieloświata, jedna ze świetlistych kul na prawdziwym nocnym niebie.
Nikt nie wie, w jaki sposób te wszechświaty są ze sobą połączone i czy w ogóle istnieje takie połączenie. I choć spory powstające w tej kwestii mają charakter spekulacyjny i niemożliwy do udowodnienia, istnieje wciąż jedna interesująca koncepcja mówiąca, że Nasienie każdego wszechświata jest bardzo podobne do nasienia rośliny. Mały kawałek cennej materii, kompaktowo skompresowany i ukryty pod ochronną skorupą.
To bardzo dokładnie wyjaśnia wydarzenia zachodzące wewnątrz Czarnej Dziury. Wszystkie Czarne Dziury to pozostałości po gigantycznych gwiazdach, którym skończyło się paliwo i zapadły się w rdzeniu. Kiedy siły grawitacji ściskają wszystko z oszałamiającą i stale rosnącą mocą. Następnie temperatura wzrasta do 100 miliardów stopni, atomy rozpadają się, a elektrony rozrywają się na kawałki. A potem ten bałagan kurczy się jeszcze bardziej.
Teraz gwiazda jest czarną dziurą. Oznacza to, że siła jego przyciągania jest tak ogromna, że nawet promień światła nie może przed nim uciec. Granica pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną częścią czarnej dziury nazywana jest horyzontem zdarzeń. Jeśli przyjrzysz się uważnie, w centrum niemal każdej galaktyki, nie wyłączając naszej Drogi Mlecznej, znajdziesz masywne czarne dziury, które są miliony razy większe od naszego Słońca.
Pytania bez dna
Wykorzystując teorię Einsteina do ustalenia, co dzieje się na dnie Czarnej Dziury, z pewnością natkniemy się na koncepcję osobliwości, zgodnie z którą istnieje nieskończenie gęsty i nieskończenie mały punkt. A to zaprzecza samej naturze, w której nieskończoności zdają się nie istnieć... Problem leży w samych wzorach Einsteina, które idealnie nadają się do obliczeń dotyczących większości czasoprzestrzeni, ale w skali kwantowej niewiarygodnej nie sprawdzają się wcale siły, które rządzą narodzinami wszechświatów i żyją wewnątrz Czarnych Dziur.
Fizycy teoretyczni, tacy jak dr Poplavsky, argumentują, że materia w czarnej dziurze osiąga punkt, w którym nie jest już możliwe jej skompresowanie. To maleńkie Nasienie waży tyle, co miliard gwiazd, ale w przeciwieństwie do osobliwości jest wciąż całkiem realne.
Popławski uważa, że kompresja ustaje, ponieważ Czarne Dziury wirują bardzo szybko, prawdopodobnie osiągając w tym obrocie prędkość światła. A to małe i ciężkie ziarno, posiadające nierealne skręcanie osiowe, ściśnięte i skręcone, można porównać do sprężyny typu jack-in-the-box. Nagle to Nasienie może wykiełkować i zrobić to z potężnym hukiem. Takie przypadki nazywa się Wielkim Wybuchem lub, jak woli to ująć Popławski, Wielkim Odbiciem.
Innymi słowy może się okazać, że Czarna Dziura jest tunelem pomiędzy dwoma wszechświatami i to w jednym kierunku. Co z kolei oznacza, że jeśli wpadniesz do Czarnej Dziury, od razu znajdziesz się w innym wszechświecie (a dokładniej w tym, co z ciebie zostało). Ten inny wszechświat nie jest powiązany z naszym; dziura jest tylko ogniwem łączącym, jak wspólny korzeń, z którego wyrastają dwa drzewa.
A co z nami wszystkimi w naszym rodzinnym wszechświecie? Możemy być dziećmi innego, bardziej starożytnego pierwotnego wszechświata. Ziarno wykute w Czarnej Dziurze przez macierzysty wszechświat mogło dokonać Wielkiego Odbicia 13,8 miliarda lat temu i mimo że od tego czasu nasz Wszechświat wciąż szybko się rozszerza, możemy nadal istnieć poza horyzontem zdarzeń tej Czarnej Dziury.
Chociaż czarne dziury są uważane za jedną z najbardziej niszczycielskich sił w kosmosie, mogą również stanowić schronienie dla zaawansowanych cywilizacji podobnych do naszej – twierdzą naukowcy. Opierając się na tej radykalnej teorii, możemy stwierdzić, że my również możemy żyć we własnej czarnej dziurze. Ta sama teoria sugeruje, że jeśli wpadniemy do czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej, nasze cząstki mogą zostać rozproszone po innym wszechświecie.
Koncepcję tę badało wielu fizyków teoretyków, w szczególności Nikodem Popławski z Uniwersytetu w New Haven. Einstein przewidział, że środek czarnej dziury jest nieskończenie gęsty i mały, ale grupa młodych naukowców twierdzi, że nieskończoność zwykle nie występuje w przyrodzie. Wierzą, że zamiast tego w jego centrum może znajdować się coś małego, ale skończonego.
Według teorii dr Popławskiego, w centrum Wielkiego Wybuchu znajdowało się „nasienie” utworzone wewnątrz czarnej dziury. Z raportu Michaela Finkela opublikowanego przez National Geographic uważa się, że nasiono jest tryliony razy mniejsze niż jakakolwiek cząstka zidentyfikowana do tej pory przez człowieka.
Ta maleńka cząsteczka była wystarczająco potężna, aby spowodować produkcję każdej innej cząstki, która obecnie składa się na galaktyki, układy słoneczne, planety i ludzi. Dr Poplavsky sugeruje, że to ziarno powstało z czarnych dziur – superpotężnych „pieców” Wszechświata.
Naukowiec twierdzi, że czarna dziura może być „drzwiami” pomiędzy dwoma Wszechświatami, prowadzącymi jednak tylko w jednym kierunku. Twierdzi, że jeśli coś wpadnie do czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej, wyląduje w równoległym wszechświecie. Jeśli nasz wszechświat powstał z supergęstego „nasiona”, teoria sugeruje, że my również możemy żyć w jednej z takich czarnych dziur.
Rosyjski kosmolog Wiaczesław Dokuczajew argumentuje, że gdyby życie mogło istnieć wewnątrz supermasywnych czarnych dziur, to właśnie tam rozwinęłyby się najbardziej zaawansowane cywilizacje na świecie. W 2011 roku profesor Dokuchaev z Moskiewskiego Instytutu Badań Jądrowych Rosyjskiej Akademii Nauk stwierdził, że wcześniej dostępne dane w połączeniu z nowymi badaniami otwierają intrygujące możliwości dla niektórych typów czarnych dziur.
S. TRANKOWSKI
Do najważniejszych i interesujących problemów współczesnej fizyki i astrofizyki akademik V.L. Ginzburg wymienił zagadnienia związane z czarnymi dziurami (patrz „Science and Life” nr 11, 12, 1999). Istnienie tych dziwnych obiektów przewidywano już ponad dwieście lat temu, warunki prowadzące do ich powstania zostały dokładnie obliczone pod koniec lat 30. XX wieku, a astrofizyka zaczęła je poważnie badać niecałe czterdzieści lat temu. Obecnie czasopisma naukowe na całym świecie publikują co roku tysiące artykułów na temat czarnych dziur.
Tworzenie się czarnej dziury może nastąpić na trzy sposoby.
W ten sposób zwyczajowo przedstawia się procesy zachodzące w pobliżu zapadającej się czarnej dziury. Z biegiem czasu (Y) przestrzeń (X) wokół niej (zacieniony obszar) kurczy się, pędząc w stronę osobliwości.
Pole grawitacyjne czarnej dziury powoduje poważne zniekształcenia geometrii przestrzeni.
Czarna dziura, niewidoczna przez teleskop, ujawnia się jedynie dzięki oddziaływaniu grawitacyjnemu.
W potężnym polu grawitacyjnym czarnej dziury rodzą się pary cząstka-antycząstka.
Narodziny pary cząstka-antycząstka w laboratorium.
JAK POWSTAJĄ
Świetliste ciało niebieskie, mające gęstość równą gęstości Ziemi i średnicę dwieście pięćdziesiąt razy większą od średnicy Słońca, ze względu na siłę swojej grawitacji, nie pozwoli, aby jego światło do nas dotarło. Możliwe jest zatem, że największe ciała świecące we Wszechświecie pozostają niewidoczne właśnie ze względu na swój rozmiar.
Pierre’a Simona Laplace’a.
Ekspozycja układu świata. 1796
W 1783 roku angielski matematyk John Mitchell, a trzynaście lat później niezależnie od niego francuski astronom i matematyk Pierre Simon Laplace, przeprowadzili bardzo dziwne badania. Przyjrzeli się warunkom, w których światło nie byłoby w stanie uciec z gwiazdy.
Logika naukowców była prosta. Dla dowolnego obiektu astronomicznego (planety czy gwiazdy) możliwe jest obliczenie tzw. prędkości ucieczki, czyli drugiej prędkości kosmicznej, dzięki której dowolne ciało lub cząstka może go opuścić na zawsze. A w fizyce tamtych czasów królowała teoria Newtona, według której światło jest przepływem cząstek (teoria fal elektromagnetycznych i kwantów była jeszcze prawie sto pięćdziesiąt lat odległa). Prędkość ucieczki cząstek można obliczyć na podstawie równości energii potencjalnej na powierzchni planety i energii kinetycznej ciała, które „uciekło” na nieskończenie dużą odległość. Prędkość ta jest określona wzorem #1#
Gdzie M- masa obiektu kosmicznego, R- jego promień, G- stała grawitacyjna.
Z tego łatwo możemy otrzymać promień ciała o danej masie (zwany później „promieniem grawitacyjnym” R g”), przy której prędkość ucieczki jest równa prędkości światła:
Oznacza to, że gwiazda jest skompresowana w kulę o promieniu R G< 2GM/C 2 przestanie emitować – światło nie będzie mogło z niego wyjść. We Wszechświecie pojawi się czarna dziura.
Łatwo obliczyć, że Słońce (jego masa wynosi 2,1033 g) zamieni się w czarną dziurę, jeśli skurczy się do promienia około 3 kilometrów. Gęstość jego substancji wyniesie 10 16 g/cm 3 . Promień Ziemi ściśniętej w czarną dziurę zmniejszyłby się do około jednego centymetra.
Wydawało się niewiarygodne, że w przyrodzie mogą istnieć siły zdolne do skompresowania gwiazdy do tak nieznacznych rozmiarów. Dlatego też wnioski z prac Mitchella i Laplace’a przez ponad sto lat uważano za coś w rodzaju paradoksu matematycznego, który nie miał fizycznego znaczenia.
Rygorystyczny dowód matematyczny na to, że tak egzotyczny obiekt w kosmosie jest możliwy, uzyskano dopiero w 1916 roku. Niemiecki astronom Karl Schwarzschild po przeanalizowaniu równań ogólnej teorii względności Alberta Einsteina uzyskał interesujący wynik. Badając ruch cząstki w polu grawitacyjnym masywnego ciała, doszedł do wniosku: równanie traci swoje fizyczne znaczenie (jego rozwiązanie zmierza do nieskończoności), gdy R= 0 i R = R G.
Punkty, w których właściwości pola tracą znaczenie, nazywane są pojedynczymi, to znaczy specjalnymi. Osobliwość w punkcie zerowym odzwierciedla punktową, czyli centralnie symetryczną strukturę pola (w końcu każde ciało kuliste - gwiazda czy planeta - można przedstawić jako punkt materialny). I punkty znajdujące się na kulistej powierzchni o promieniu R g, tworzą tę samą powierzchnię, z której prędkość ucieczki jest równa prędkości światła. W ogólnej teorii względności nazywa się to osobliwą sferą Schwarzschilda lub horyzontem zdarzeń (dlaczego okaże się później).
Już na przykładzie znanych nam obiektów – Ziemi i Słońca – widać wyraźnie, że czarne dziury to bardzo dziwne obiekty. Nawet astronomowie zajmujący się materią przy ekstremalnych wartościach temperatury, gęstości i ciśnienia uważają je za bardzo egzotyczne i do niedawna nie wszyscy wierzyli w ich istnienie. Jednak pierwsze przesłanki wskazujące na możliwość powstawania czarnych dziur zawarte były już w ogólnej teorii względności A. Einsteina, stworzonej w 1915 roku. Angielski astronom Arthur Eddington, jeden z pierwszych interpretatorów i popularyzatorów teorii względności, w latach 30. XX wieku wyprowadził układ równań opisujących wewnętrzną budowę gwiazd. Wynika z nich, że gwiazda znajduje się w równowadze pod wpływem przeciwnie skierowanych sił grawitacyjnych i ciśnienia wewnętrznego powstającego w wyniku ruchu cząstek gorącej plazmy wewnątrz gwiazdy oraz ciśnienia promieniowania powstającego w jej głębinach. Oznacza to, że gwiazda jest kulą gazową, w środku której panuje wysoka temperatura, stopniowo malejąca w kierunku obwodu. Z równań wynikało w szczególności, że temperatura powierzchni Słońca wynosiła około 5500 stopni (co było w miarę zgodne z danymi pomiarów astronomicznych), a w jego centrum powinna wynosić około 10 milionów stopni. Pozwoliło to Eddingtonowi na wyciągnięcie proroczego wniosku: w tej temperaturze „zapala się” reakcja termojądrowa, wystarczająca do zapewnienia świecenia Słońca. Ówcześni fizycy atomowi nie zgodzili się z tym. Wydawało im się, że w głębi gwiazdy było za „zimno”: temperatura tam nie była wystarczająca, aby reakcja „zaszła”. Na to rozwścieczony teoretyk odpowiedział: „Poszukaj cieplejszego miejsca!”
I ostatecznie okazało się, że miał rację: reakcja termojądrowa naprawdę zachodzi w centrum gwiazdy (inną rzeczą jest to, że tak zwany „standardowy model Słońca”, oparty na pomysłach na temat syntezy termojądrowej, najwyraźniej okazał się niepoprawne - patrz np. „Nauka i życie” nr 2, 3, 2000). Niemniej jednak w centrum gwiazdy zachodzi reakcja, gwiazda świeci, a powstające promieniowanie utrzymuje ją w stabilnym stanie. Ale „paliwo” nuklearne w gwieździe wypala się. Wydzielanie energii ustanie, promieniowanie gaśnie i zanika siła powstrzymująca przyciąganie grawitacyjne. Istnieje granica masy gwiazdy, po której gwiazda zaczyna się nieodwracalnie kurczyć. Obliczenia pokazują, że dzieje się tak, jeśli masa gwiazdy przekracza dwie do trzech mas Słońca.
Zapadnięcie się grawitacyjne
Początkowo tempo kurczenia się gwiazdy jest małe, ale stale rośnie, ponieważ siła grawitacji jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości. Kompresja staje się nieodwracalna; nie ma sił zdolnych przeciwdziałać grawitacji własnej. Proces ten nazywany jest zapadaniem się grawitacyjnym. Prędkość ruchu powłoki gwiazdy w kierunku jej środka wzrasta, zbliżając się do prędkości światła. I tutaj wpływ teorii względności zaczyna odgrywać rolę.
Prędkość ucieczki obliczono w oparciu o Newtonowskie koncepcje natury światła. Z punktu widzenia ogólnej teorii względności zjawiska w pobliżu zapadającej się gwiazdy zachodzą nieco inaczej. W jego potężnym polu grawitacyjnym zachodzi tak zwane grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni. Oznacza to, że częstotliwość promieniowania pochodzącego od masywnego obiektu jest przesunięta w stronę niższych częstotliwości. W granicy, na granicy sfery Schwarzschilda, częstotliwość promieniowania wynosi zero. Oznacza to, że obserwator znajdujący się na zewnątrz nie będzie w stanie dowiedzieć się niczego o tym, co dzieje się w środku. Dlatego sferę Schwarzschilda nazywa się horyzontem zdarzeń.
Ale zmniejszenie częstotliwości oznacza spowolnienie czasu, a gdy częstotliwość osiągnie zero, czas się zatrzymuje. Oznacza to, że zewnętrzny obserwator zobaczy bardzo dziwny obraz: powłoka gwiazdy, spadając z rosnącym przyspieszeniem, zamiast osiągnąć prędkość światła, zatrzymuje się. Z jego punktu widzenia kompresja ustanie, gdy tylko rozmiar gwiazdy zbliży się do grawitacji
zwykle. Nigdy nie zobaczy ani jednej cząstki „zanurzającej się” pod kulą Schwarzschiela. Ale dla hipotetycznego obserwatora wpadającego do czarnej dziury na jego zegarku wszystko zakończy się w ciągu kilku chwil. Zatem czas zapadania się grawitacyjnego gwiazdy wielkości Słońca wyniesie 29 minut, a znacznie gęstszej i bardziej zwartej gwiazdy neutronowej zajmie to tylko 1/20 000 sekundy. I tu staje przed kłopotami związanymi z geometrią czasoprzestrzeni w pobliżu czarnej dziury.
Obserwator znajduje się w zakrzywionej przestrzeni. W pobliżu promienia grawitacyjnego siły grawitacyjne stają się nieskończenie duże; rozciągają rakietę z astronautą-obserwatorem w nieskończenie cienką nić o nieskończonej długości. Ale on sam tego nie zauważy: wszystkie jego deformacje będą odpowiadać zniekształceniom współrzędnych czasoprzestrzennych. Rozważania te dotyczą oczywiście idealnego, hipotetycznego przypadku. Każde prawdziwe ciało zostanie rozerwane przez siły pływowe na długo przed zbliżeniem się do sfery Schwarzschilda.
WYMIARY CZARNYCH DZIUR
Rozmiar czarnej dziury, a dokładniej promień kuli Schwarzschilda, jest proporcjonalny do masy gwiazdy. A ponieważ astrofizyka nie nakłada żadnych ograniczeń na wielkość gwiazdy, czarna dziura może być dowolnie duża. Jeśli np. powstał podczas zapadnięcia się gwiazdy o masie 10 8 mas Słońca (lub w wyniku połączenia setek tysięcy, a nawet milionów stosunkowo małych gwiazd), jego promień będzie wynosił około 300 milionów kilometrów, dwukrotnie większa od orbity Ziemi. A średnia gęstość substancji takiego giganta jest zbliżona do gęstości wody.
Najwyraźniej są to tego rodzaju czarne dziury, które znajdują się w centrach galaktyk. W każdym razie astronomowie liczą dziś około pięćdziesięciu galaktyk, w których centrum, sądząc po dowodach pośrednich (omówionych poniżej), znajdują się czarne dziury o masie około miliarda (10 9) Słońc. Najwyraźniej nasza Galaktyka również ma swoją własną czarną dziurę; Jego masę oszacowano dość dokładnie – 2,4. 10 6 ±10% masy Słońca.
Teoria sugeruje, że wraz z takimi nadolbrzymami powinny powstawać także czarne minidziury o masie około 10–14 g i promieniu około 10–12 cm (wielkość jądra atomowego). Mogły pojawić się już w pierwszych chwilach istnienia Wszechświata jako przejaw bardzo silnej niejednorodności czasoprzestrzeni o kolosalnej gęstości energii. Warunki jakie panowały wówczas we Wszechświecie, obecnie badacze realizują przy potężnych zderzaczach (akceleratorach wykorzystujących zderzające się wiązki). Eksperymenty w CERN przeprowadzone na początku tego roku pozwoliły uzyskać plazmę kwarkowo-gluonową – materię, która istniała przed pojawieniem się cząstek elementarnych. Badania nad tym stanem materii są kontynuowane w Brookhaven, amerykańskim ośrodku akceleracyjnym. Jest w stanie przyspieszać cząstki do energii o półtora do dwóch rzędów wielkości wyższych niż akcelerator w
CERN. Nadchodzący eksperyment wzbudził poważne obawy: czy w trakcie jego realizacji powstanie mini-czarna dziura, która zakrzywi naszą przestrzeń i zniszczy Ziemię?
Strach ten odbił się tak silnym echem, że rząd USA był zmuszony zwołać autorytatywną komisję w celu zbadania tej możliwości. Komisja złożona z wybitnych badaczy stwierdziła: energia akceleratora jest zbyt niska, aby powstała czarna dziura (eksperyment ten opisano w czasopiśmie Science and Life, nr 3, 2000).
JAK WIDZIĆ NIEWIDZIALNE
Czarne dziury nie emitują niczego, nawet światła. Astronomowie nauczyli się jednak je dostrzegać, a raczej znajdować „kandydatów” do tej roli. Istnieją trzy sposoby wykrywania czarnej dziury.
1. Konieczne jest monitorowanie rotacji gwiazd w gromadach wokół określonego środka ciężkości. Jeśli okaże się, że w tym centrum nic nie ma, a gwiazdy wydają się kręcić wokół pustej przestrzeni, to możemy śmiało powiedzieć: w tej „pustce” znajduje się czarna dziura. Na tej podstawie założono obecność czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki i oszacowano jej masę.
2. Czarna dziura aktywnie zasysa do siebie materię z otaczającej ją przestrzeni. Międzygwiazdowy pył, gaz i materia z pobliskich gwiazd opadają na nią spiralnie, tworząc tak zwany dysk akrecyjny, podobny do pierścienia Saturna. (To właśnie jest strach na wróble w eksperymencie Brookhaven: mini-czarna dziura, która pojawiła się w akceleratorze, zacznie wciągać Ziemię w siebie, a procesu tego nie da się zatrzymać żadną siłą.) Cząsteczki zbliżając się do sfery Schwarzschilda doświadczają przyspieszenie i zaczynają emitować w zakresie rentgenowskim. Promieniowanie to ma charakterystyczne widmo podobne do dobrze poznanego promieniowania cząstek przyspieszanych w synchrotronie. A jeśli takie promieniowanie pochodzi z jakiegoś rejonu Wszechświata, to z całą pewnością możemy stwierdzić, że musi tam znajdować się czarna dziura.
3. Kiedy dwie czarne dziury łączą się, pojawia się promieniowanie grawitacyjne. Oblicza się, że jeśli masa każdego z nich wynosi około dziesięciu mas Słońca, to kiedy się połączą w ciągu kilku godzin, w postaci fal grawitacyjnych zostanie uwolniona energia odpowiadająca 1% ich całkowitej masy. To tysiąc razy więcej niż światło, ciepło i inna energia, które Słońce wyemitowało przez całe swoje istnienie – pięć miliardów lat. Mają nadzieję wykryć promieniowanie grawitacyjne za pomocą obserwatoriów fal grawitacyjnych LIGO i innych, które obecnie budowane są w Ameryce i Europie przy udziale rosyjskich badaczy (patrz „Nauka i życie” nr 5, 2000).
A jednak choć astronomowie nie mają wątpliwości co do istnienia czarnych dziur, nikt nie odważy się kategorycznie stwierdzić, że dokładnie jedna z nich znajduje się w danym punkcie przestrzeni. Etyka naukowa i uczciwość badacza wymagają jednoznacznej odpowiedzi na postawione pytanie, takiej, która nie toleruje rozbieżności. Nie wystarczy oszacować masę niewidzialnego obiektu, trzeba zmierzyć jego promień i wykazać, że nie przekracza on promienia Schwarzschilda. Nawet w naszej Galaktyce problem ten nie jest jeszcze rozwiązany. Dlatego naukowcy wykazują pewną powściągliwość w relacjonowaniu swojego odkrycia, a czasopisma naukowe dosłownie zapełniają się raportami z prac teoretycznych i obserwacjami efektów, które mogą rzucić światło na ich zagadkę.
Czarne dziury mają jednak jeszcze jedną teoretycznie przewidywaną właściwość, która może umożliwić ich dostrzeżenie. Ale jednak pod jednym warunkiem: masa czarnej dziury powinna być znacznie mniejsza niż masa Słońca.
CZARNA DZIURA MOŻE BYĆ RÓWNIEŻ „BIAŁA”
Przez długi czas czarne dziury uważano za ucieleśnienie ciemności, obiekty, które w próżni, przy braku absorpcji materii, nic nie emitują. Jednak w 1974 roku słynny angielski teoretyk Stephen Hawking wykazał, że czarnym dziurom można przypisać temperaturę, a zatem powinny promieniować.
Zgodnie z koncepcjami mechaniki kwantowej próżnia nie jest pustką, ale rodzajem „piany czasoprzestrzeni”, miszmaszu wirtualnych (nieobserwowalnych w naszym świecie) cząstek. Jednakże fluktuacje energii kwantowej mogą „wyrzucić” parę cząstka-antycząstka z próżni. Na przykład w zderzeniu dwóch lub trzech kwantów gamma elektron i pozyton pojawią się jak z powietrza. To i podobne zjawiska były wielokrotnie obserwowane w laboratoriach.
To fluktuacje kwantowe determinują procesy radiacyjne czarnych dziur. Jeśli para cząstek o energiach mi I -MI(całkowita energia pary wynosi zero) nastąpi w pobliżu kuli Schwarzschilda, dalsze losy cząstek będą inne. Mogą unicestwić się niemal natychmiast lub razem zniknąć pod horyzontem zdarzeń. W takim przypadku stan czarnej dziury nie ulegnie zmianie. Ale jeśli tylko jedna cząstka spadnie poniżej horyzontu, obserwator zarejestruje inną i będzie mu się wydawało, że została wygenerowana przez czarną dziurę. W tym samym czasie czarna dziura pochłonęła cząstkę z energią -MI, zmniejszy Twoją energię i energię mi- wzrośnie.
Hawking obliczył prędkości, przy jakich zachodzą wszystkie te procesy i doszedł do wniosku: prawdopodobieństwo absorpcji cząstek o energii ujemnej jest większe. Oznacza to, że czarna dziura traci energię i masę – wyparowuje. Ponadto promieniuje jako całkowicie czarne ciało o temperaturze T = 6 . 10 -8 M Z / M Kelwiny, gdzie M c - masa Słońca (2,10 33 g), M- masa czarnej dziury. Z tej prostej zależności wynika, że temperatura czarnej dziury o masie sześciokrotnie większej od masy Słońca wynosi sto milionowych stopnia. Oczywiste jest, że takie zimne ciało praktycznie nic nie emituje, a całe powyższe rozumowanie pozostaje aktualne. Mini-dziurki to inna sprawa. Łatwo zauważyć, że przy masie 10 14 -10 30 gramów są podgrzewane do dziesiątek tysięcy stopni i rozżarzone do białości! Należy jednak od razu zaznaczyć, że nie ma sprzeczności z właściwościami czarnych dziur: promieniowanie to emitowane jest przez warstwę znajdującą się nad kulą Schwarzschilda, a nie pod nią.
Tak więc czarna dziura, która wydawała się wiecznie zamrożonym obiektem, prędzej czy później znika, wyparowując. Co więcej, gdy „traci na wadze”, tempo parowania wzrasta, ale nadal zajmuje to niezwykle dużo czasu. Szacuje się, że minidziury o masie 10–14 gramów, które pojawiły się bezpośrednio po Wielkim Wybuchu 10–15 miliardów lat temu, do naszych czasów powinny całkowicie wyparować. Na ostatnim etapie życia ich temperatura osiąga kolosalne wartości, zatem produktami parowania muszą być cząstki o niezwykle dużej energii. Być może to właśnie one generują rozległe pęki powietrzne w ziemskiej atmosferze – EAS. W każdym razie pochodzenie cząstek o nienormalnie wysokiej energii to kolejny ważny i interesujący problem, który można ściśle powiązać z nie mniej ekscytującymi zagadnieniami z fizyki czarnych dziur.
Nowy model wszechświata pozwala nam obejść się bez osobliwości kwantowej i kosmologicznej inflacji.
Główne pytanie kosmologii można sformułować dosłownie w trzech słowach: skąd wziął się Wszechświat? Do standardowej odpowiedzi wystarczą dwie: z osobliwości kwantowej. Tak nazywa się szczególny stan materii, w którym nie ma ani przestrzeni, ani czasu i nie obowiązują znane prawa fizyczne. Powszechnie przyjmuje się, że okazał się on niestabilny i dał początek trójwymiarowej przestrzeni wypełnionej polami kwantowymi i generowanymi przez nie cząstkami. To wyjście z osobliwości nazywane jest Wielkim Wybuchem i uznawane jest za początek ery Wszechświata.
Nikt tak naprawdę nie wie, czym jest ta osobliwość. Jeśli „odtworzymy” równania kosmologiczne w czasie do punktu zerowego, gęstość energii i temperatura osiągną nieskończoność i stracą swoje fizyczne znaczenie. Osobliwość zwykle opisuje się jako chaotyczną fluktuację kwantową w próżni, która umożliwiła grawitację i inne pola fizyczne. Teoretycy włożyli wiele wysiłku, aby dokładnie zrozumieć, jak to się mogło stać, ale jak dotąd bez większego powodzenia.
Nie eksplozja, ale upadek
Niektóre modele kosmologiczne całkowicie rezygnują z osobliwości, ale są one w mniejszości. Jednak niedawno trzech kanadyjskich naukowców wymyśliło bardzo interesujący model Wielkiego Wybuchu, który nie wymaga hipotezy chaosu kwantowego. Profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Waterloo Robert Mann i jego współpracownicy przyznają, że nasz Wszechświat mógł powstać jako produkt uboczny grawitacyjnego kurczenia się materii kosmicznej, które zakończyło się narodzinami czarnej dziury. Ich kluczową ideą jest to, że materia ta istniała w przestrzeni mającej nie trzy, ale cztery wymiary. Nowonarodzona dziura, ponownie czterowymiarowa, otoczyła się trójwymiarową powłoką, która stała się zalążkiem Wszechświata. Zapożyczyła od czterowymiarowości swojej matki nie tylko grawitację, ale także inne pola i cząstki, które nabrały niezależnego, trójwymiarowego życia. Zatem nasz świat nie powstał w wyniku Wielkiego Wybuchu, ale z jego przeciwieństwa, Wielkiego Upadku!
Skąd wzięła się ta skorupa? „Zwykła” czarna dziura jest otoczona zamkniętą dwuwymiarową powierzchnią, horyzontem zdarzeń. Cząstka, która wpadnie za horyzont, nie będzie już mogła powrócić, a nawet fotony spod horyzontu również nie pokonają tej nieprzeniknionej bariery. Jeśli otwór jest nieruchomy, horyzont jest kulisty, ale w przypadku otworów obrotowych kula jest spłaszczona na biegunach. Ponieważ horyzont ma zerową grubość, naturalnie nie ma w nim żadnej materii. Ale to jest w przestrzeni trójwymiarowej. Czterowymiarowa dziura ma również horyzont zdarzeń, którego wymiar jest o jeden mniejszy od jej własnego. Dlatego jego horyzont jest przestrzenią trójwymiarową. Według hipotezy kanadyjskich fizyków może dać początek naszemu Wszechświatowi.
Profesor na Uniwersytecie Waterloo (Kanada):
„Równania ogólnej teorii względności mają sens dla przestrzeni o dowolnie dużej liczbie wymiarów i we wszystkich przypadkach mają rozwiązania prowadzące do pojawienia się osobliwości. Wynika z tego, że jeśli gęstość materii w zamkniętym czterowymiarowym obszarze przekracza pewną granicę krytyczną, zapada się ona, tworząc czarną dziurę. Właściwości fizyczne takiej substancji powinny bardzo różnić się od tych, które obserwujemy w naszym świecie. Całkiem logiczne jest jednak założenie, że w tym świecie będzie dominować grawitacja: jeśli cząstki materii w czterowymiarowym świecie odkształcają czasoprzestrzeń zgodnie z równaniami ogólnej teorii względności, przyciągają się nawzajem i dają początek czarnym dziurom. ”
Jeśli chodzi o czterowymiarową przestrzeń, zamkniętą w horyzoncie czarnej dziury, ten trójwymiarowy obszar będzie jedynym światem całkowicie odciętym od czterowymiarowego środowiska. Można założyć, że materia wciągnięta w horyzont będzie zachowywać się zgodnie ze wszystkimi prawami trzech wymiarów. Nowy model eliminuje popularną hipotezę kosmologicznej inflacji zaproponowaną na początku lat 80. XX wieku, która wciąż boryka się z poważnymi nierozwiązanymi problemami. W szczególności niejasna jest natura pola fizycznego, które rzekomo spowodowało przyspieszającą ekspansję nowonarodzonego Wszechświata.
Odbicie świata
Jeśli jednak pominiemy efekty kwantowe, horyzont trójwymiarowej dziury będzie stabilny, podczas gdy nasz Wszechświat będzie się rozszerzał. Model Manna również to wyjaśnia: „Zapadnięcie grawitacyjne w czterowymiarowej przestrzeni nie tylko spowoduje powstanie czarnej dziury, ale także spowoduje, że materia, która do niej nie wpadła, „odbije się” i rozproszy we wszystkich kierunkach. Coś podobnego dzieje się podczas eksplozji supernowych, które rozpraszają swoje powłoki po otaczającej przestrzeni. Obliczenia pokazują, że materia ta może stworzyć wokół horyzontu trójwymiarową warstwę, która będzie się rozszerzać i ciągnąć za sobą sam horyzont. W rezultacie powstanie pojedyncza rozszerzająca się przestrzeń naszego Wszechświata. Model można zmodyfikować w taki sposób, aby przewidywał przyspieszenie tej ekspansji, co standardowa kosmologia wyjaśnia w kategoriach ciemnej energii.
Nowy model pozwala na badania eksperymentalne. Grawitacyjny wpływ czterech wymiarów na nasz Wszechświat powinien powodować pewne wahania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, którego widmo można przewidzieć.
Materiał został przygotowany przez redakcję InoSMI specjalnie na potrzeby działu RIA Science >>
Michał Finkel
Cofnijmy wskazówki zegara. Zanim pojawił się człowiek, zanim powstała Ziemia, zanim zapłonęło Słońce, zanim narodziły się galaktyki, zanim zaświeciło światło, miał miejsce „wielki wybuch”. Stało się to 13,8 miliarda lat temu.
Supernowe zasiały przestrzeń ciężkimi pierwiastkami we wczesnym WszechświecieNaukowcy korzystający z japońskiego kosmicznego teleskopu rentgenowskiego Suzaku zbadali rozmieszczenie żelaza w gromadzie galaktyk w Perseuszu, oddalonej o 250 milionów lat świetlnych.Ale co wydarzyło się wcześniej? Wielu fizyków twierdzi, że „przed tym” nie istnieje. Twierdzą, że czas zaczął się liczyć w momencie „Wielkiego Wybuchu”, wierząc, że wszystko, co istniało wcześniej, nie wchodzi w zakres nauki. Nigdy nie zrozumiemy, jaka była rzeczywistość przed Wielkim Wybuchem, z czego powstała i dlaczego stworzyła nasz Wszechświat. Takie idee wykraczają poza ludzkie zrozumienie.
Ale niektórzy niekonwencjonalni naukowcy nie zgadzają się z tym. Fizycy ci wysuwają teorię, że na chwilę przed „wielkim wybuchem” cała masa i energia rodzącego się wszechświata została skompresowana w jedno niezwykle gęste, ale skończone ziarno. Nazwijmy to zalążkiem nowego wszechświata.
Uważają, że ziarno było niewyobrażalnie małe, być może tryliony razy mniejsze niż jakakolwiek cząstka, którą mogliby zaobserwować ludzie. A jednak ta cząstka dała początek wszystkim innym cząstkom, nie mówiąc już o galaktykach, Układzie Słonecznym, planetach i ludziach.
Jeśli naprawdę chcesz nazwać coś cząstką Boga, to to ziarno jest idealne do tego imienia.
Jak zatem powstało to ziarno? Jeden z pomysłów przedstawił kilka lat temu Nikodem Popławski, pracujący na Uniwersytecie w New Haven. Dzieje się tak dlatego, że ziarno naszego Wszechświata zostało wykute w pierwotnym piecu, którym stała się dla niego czarna dziura.
Mnożenie multiwersów
Zanim przejdziemy dalej, ważne jest, aby zrozumieć, że w ciągu ostatnich dwudziestu lat wielu fizyków teoretyków przekonało się, że nasz wszechświat nie jest jedyny. Możemy być częścią wieloświata, reprezentującego ogromną liczbę indywidualnych wszechświatów, z których każdy jest świecącą kulą na prawdziwym nocnym niebie.
Istnieje wiele kontrowersji na temat tego, jak jeden wszechświat jest połączony z drugim i czy w ogóle istnieje takie połączenie. Ale wszystkie te spory mają charakter czysto spekulacyjny, a prawdy nie da się udowodnić. Ale jedną z atrakcyjnych idei jest to, że nasienie wszechświata jest jak nasienie rośliny. To kawałek istotnej materii, ściśle skompresowany i ukryty w ochronnej skorupie.
To dokładnie wyjaśnia, co dzieje się wewnątrz czarnej dziury. Czarne dziury to zwłoki gigantycznych gwiazd. Kiedy takiej gwieździe kończy się paliwo, jej rdzeń zapada się. Siła grawitacji ściąga wszystko razem z niesamowitą i stale rosnącą siłą. Temperatury sięgają 100 miliardów stopni. Atomy się zapadają. Elektrony zostają rozerwane na kawałki. A potem ta masa kurczy się jeszcze bardziej.
W tym momencie gwiazda zamienia się w czarną dziurę. Oznacza to, że jego siła przyciągania jest tak ogromna, że nawet promień światła nie może przed nim uciec. Granica pomiędzy wnętrzem i zewnętrzem czarnej dziury nazywana jest horyzontem zdarzeń. W centrum niemal każdej galaktyki, w tym naszej Drogi Mlecznej, naukowcy odkrywają kolosalne czarne dziury, kilka milionów razy masywniejsze od naszego Słońca.
Pytania bez dna
Jeśli użyjesz teorii Einsteina do ustalenia, co dzieje się na dnie czarnej dziury, możesz obliczyć punkt, który jest nieskończenie gęsty i nieskończenie mały. Ta hipotetyczna koncepcja nazywa się osobliwością. Ale w naturze nieskończoności zwykle nie istnieją. Problem leży w teoriach Einsteina, które zapewniają doskonałe obliczenia dla dużej części przestrzeni kosmicznej, ale rozpadają się w obliczu niesamowitych sił, takich jak te wewnątrz czarnej dziury lub te obecne podczas narodzin wszechświata.
Fizycy tacy jak dr Popławski twierdzą, że materia wewnątrz czarnej dziury faktycznie osiąga punkt, w którym nie można jej już ścisnąć. To „ziarno” jest niewiarygodnie maleńkie i waży tyle, co miliard gwiazd. Ale w przeciwieństwie do osobliwości, jest całkiem realna.
Według Popławskiego proces kompresji zatrzymuje się, ponieważ czarne dziury się obracają. Wirują bardzo szybko, osiągając prawdopodobnie prędkość światła. To skręcenie zapewnia sprasowanym nasionom niesamowity obrót osiowy. Nasienie jest nie tylko małe i ciężkie; jest też skręcona i ściśnięta, jak sprężyna tego diabła w tabakierce.
Naukowcy po raz pierwszy zmierzyli pole magnetyczne czarnej dziury w centrum GalaktykiSupermasywna czarna dziura Sgr A* znajduje się w centrum naszej galaktyki. Wcześniej astronomowie odkryli pulsar radiowy PSR J1745-2900 w centrum naszej galaktyki. Wykorzystali emitowane przez nią promieniowanie do pomiaru siły pola magnetycznego czarnej dziury.Innymi słowy, jest całkiem możliwe, że czarna dziura jest tunelem, „jednokierunkowymi drzwiami” pomiędzy dwoma wszechświatami, mówi Popławski. Oznacza to, że jeśli wpadniesz do czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej, jest całkiem prawdopodobne, że trafisz do innego wszechświata (cóż, jeśli nie ty, to twoje ciało rozbite na drobne cząstki). Ten inny wszechświat nie znajduje się w naszym; dziura jest po prostu ogniwem łączącym, jak wspólny korzeń, z którego wyrastają dwie osiki.
A co z nami wszystkimi, w naszym własnym wszechświecie? Możemy być produktem innego, starszego wszechświata. Nazwijmy to naszym prawdziwym wszechświatem. Ziarno, które Wszechświat macierzysty wykuł wewnątrz czarnej dziury, mogło dokonać dużego odbicia 13,8 miliarda lat temu i choć od tego czasu nasz Wszechświat szybko się rozszerza, wciąż możemy znajdować się poza horyzontem zdarzeń czarnej dziury.
Dzień Chwały Wojskowej Rosji – Dzień Bitwy pod Borodino
Historia Elisavety Feorovny Romanovej Nieugaszone światło
Włodzimierz Wolontariusz - sprawy bieżące