Концепції сучасного природознавства - Бобильов Ю.П. - 2.4. "Діри" у просторі и часі

Чорні діри – це породження гігантських сил тяжіння. Вони виникають, коли в ході сильного стиску більшої маси матерії зростаюче гравітаційне поле її стає настільки сильним, що не випускає навіть світло, з чорної діри взагалі ніщо не може виходити. У неї можна тільки впасти під дією величезних сил тяжіння, але виходу звідти немає.

З якою силою центральна маса притягує яке-небудь тіло, що знаходиться на її поверхні? Якщо радіус маси великий, то відповідь збігається з класичним законом Ньютона. Але коли приймалося, що та ж маса стиснута до все меншого й меншого радіуса, поступово виявлялися відхилення від закону Ньютона – сила притягання виходила хоч і трохи, але все-таки більшою. При зовсім фантастичних стисках відхилення були помітніші. Але найцікавіше, що для кожної маси існує свій визначений радіус, при стиску до якого сила тяжіння прагнула до нескінченності! Такий радіус у теорії був названий гравітаційним радіусом. Гравітаційний радіус тим більший, чим більша маса тіла. Але навіть для астрономічних мас він дуже малий: для маси Землі це всього один сантиметр.

У 1939 р. американські фізики Р. Оппенгеймер і X. Снайдер дали точний математичний опис того, що буде відбуватися з масою, що стискується під дією власного тяжіння до все менших розмірів. Якщо сферична маса, зменшуючись, стиснеться до розмірів, що менші гравітаційного радіусу або дорівнюють йому, то потім ніякий внутрішній тиск речовини, ніякі зовнішні сили не зможуть зупинити подальший стиск. Дійсно, адже якби при розмірах, рівних гравітаційному радіусу, стиск зупинився, то сили тяжіння на поверхні маси були б нескінченно великі і ніщо з ними б не могло боротися, вони відразу змусять масу стискуватися далі. Але при стрімкому стиску – падінні речовини до центра – сили тяжіння не відчуваються. Усім відомо, що при вільному падінні настає стан невагомості і будь-яке тіло, не зустрічаючи опори, втрачає вагу. Те саме відбувається і зі стискною масою: на її поверхні сила тяжіння – вага – не відчувається. Після досягнення розмірів гравітаційного радіуса зупинити стиск маси не можна. Вона нестримно прагне до центру.

Такий процес фізики називають гравітаційним колапсом, а результатом є виникнення чорної діри. Саме всередині сфери з радіусом, рівним гравітаційному, тяжіння настільки велике, що не випускає навіть світло. Цю область Дж. Віллер назвав у 1968 р. чорною дірою. Назва виявилася украй вдалою і була моментально підхоплена всіма фахівцями. Межу чорної діри називають горизонтом подій. Назва ця зрозуміла, тому що з-під цієї межі не виходять до зовнішнього спостерігача ніякі сигнали, що могли б подати відомості про події, що відбуваються всередині. Про те, що відбувається всередині чорної діри, зовнішній спостерігач ніколи нічого не довідається.

Отже, поблизу чорної діри незвичайно великі сили тяжіння, але це ще не все. У сильному полі тяжіння змінюються геометричні властивості простору і сповільнюється спливання часу. Біля горизонту подій кривизна простору стає дуже сильною. Щоб уявити собі характер цього викривлення, зробимо так. Замінимо в наших міркуваннях тривимірний простір двовимірною площиною (третій вимір приберемо) – нам буде легше зобразити її викривлення. Порожній простір зображується площиною. Якщо ми тепер помістимо в цей простір тяжіючу кулю, то довкола неї простір злегка викривиться – прогнеться. Уявімо собі, що куля стискується і її поле тяжіння збільшується. Перпендикулярно до простору відкладена координата часу, як його вимірює спостерігач на поверхні кулі. Із зростанням тяжіння збільшується викривлення простору. Нарешті, виникає чорна діра, коли поверхня кулі стиснеться до розмірів, менших горизонту подій, і "прогин" простору зробить стінки в прогині вертикальними. Ясно, що поблизу чорної діри на такій викривленій поверхні геометрія буде зовсім не схожа на евклідову геометрію на площині. З точки зору геометрії простору чорна діра справді нагадує діру в просторі.

Звернемося тепер до темпу спливання часу. Чим ближче до горизонту подій, тим повільніше спливає час із погляду зовнішнього спостерігача. На межі чорної діри його біг і зовсім завмирає. Таку ситуацію можна порівняти з плином води біля берега ріки, де течія води завмирає. Це образне порівняння належить німецькому професору Д. Лібшеру. Але зовсім інша картина постає перед спостерігачем, який у космічному кораблі вирушає в чорну діру. Величезне поле тяжіння на її межі розганяє падаючий корабель до швидкості, що дорівнює швидкості світла. А далекому спостерігачеві здається, що падіння корабля загальмовується і цілком завмирає на межі чорної діри. Адже тут, з його точки зору, завмирає сам час. З наближенням швидкості падіння до швидкості світла час на кораблі також сповільнює свій біг, як і на будь-якому тілі, що швидко летить. І от це уповільнення спонукає завмирання падіння корабля. Розтягнута до нескінченності картина наближення корабля до межі чорної діри через усе більше й більше розтягування секунд на падаючому кораблі вимірюється скінченим числом цих секунд, що все подовжуються (з погляду зовнішнього спостерігача). За годинником падаючого спостерігача або за його пульсом до перетину межі чорної діри спливло цілком скінчене число секунд. Нескінченно довге падіння корабля за годинником далекого спостерігача умістилося в дуже короткий час падаючого спостерігача. Нескінченне для одного стало скінченим для іншого. От уже воістину фантастична зміна уявлень про спливання часу.

Те, що ми говорили про спостерігача на космічному кораблі, стосується й уявного спостерігача на поверхні стискної кулі, коли утворюється чорна діра. Спостерігач, який упав у чорну діру, ніколи не зможе звідти вибратися, якими б не були потужними двигуни його корабля. Він не зможе послати звідти і ніяких сигналів, ніяких повідомлень. Адже навіть світло – найшвидший вісник у природі – звідти не виходить. Для зовнішнього спостерігача саме падіння корабля розтягується за його годинником до нескінченності. Виходить, те, що буде відбуватися з падаючим спостерігачем і його кораблем усередині чорної діри, станеться вже поза часом зовнішнього спостерігача (після його нескінченності за часом). У цьому смислі чорні діри являють собою "діри в часі Всесвіту". Звичайно, відразу зазначимо, що це зовсім не означає, що усередині чорної діри час не спливає. Там час спливає, але це інший час, він спливає інакше, ніж час зовнішнього спостерігача.

Що ж станеться зі спостерігачем, якщо він наважиться вирушити в чорну діру на космічному кораблі? Сили тяжіння будуть затягувати його в область, де ці сили все сильніші й сильніші. Якщо на початку падіння в кораблі спостерігач знаходився в невагомості і нічого неприємного не відчував, то в ході падіння ситуація зміниться. Щоб зрозуміти, що відбудеться, згадаймо про припливні сили тяжіння. їхня дія пов'язана з тим, що точки тіла, які знаходяться ближче до центру тяжіння, притягуються сильніше, ніж ті, що розташовані далі. У результаті притягуване тіло розтягується. На початку падіння спостерігача в чорну діру припливне розтягування може бути незначним. Але воно неминуче наростає в ході падіння.

Як показує теорія, будь-яке падаюче в чорну діру тіло потрапляє в область, де припливні сили стають нескінченними. Це так звана сингулярність усередині чорної діри. Тут будь-яке тіло або частинка будуть розірвані припливними силами і перестануть існувати. Пройти крізь сингулярність і не зруйнуватися не може ніщо. Але якщо такий результат абсолютно неминучий для будь-яких тіл усередині чорної діри, то це означає, що в сингулярності перестає існувати й час. Властивості часу залежать від процесів, що протікають. Теорія стверджує, що в сингулярності властивості часу змінюються настільки сильно, що його безупинний потік обривається, воно розпадається на кванти. Тут треба ще раз згадати, що теорія відносності показала необхідність розглядати час і простір спільно, як єдине різноманіття. Тому правильніше говорити про розпад у сингулярності на кванти єдиного простору-часу. Сучасна наука розкрила зв'язок часу з фізичними процесами, дозволила "прощупати" перші ланки ланцюга часу в минулому і простежити за його властивостями в далекому майбутньому.