Физики предсказывают черную дыру

3 года назад

Нету коментариев

Итак, согласно теории Эйнштейна, как только радиус небесного тела становится равным его гравитационному радиусу, свет не сможет уйти с поверхности тела к далекому наблюдателю, т. е. тело станет невидимым. Но читатель наверняка уже обратил внимание, что это чрезвычайно необычное свойство — далеко не единственное из тех «чудес», которые должны произойти с телом, размеры которого сравнялись с гравитационным радиусом. Согласно сказанному в предыдущем разделе сила тяготения на поверхности звезды с R = r_gдолжна стать бесконечно большой, так же как и ускорение свободного падения (1). К чему это может привести?

Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним сначала, почему обычные звезды и планеты не сжимаются к центру под действием тяготения, а представляют собой равновесные тела.

Сжатию к центру препятствуют силы внутреннего давления вещества. В звездах это давление газа с очень высокой температурой, стремящееся расширить звезду. В планетах типа Земли это силы натяжения, упругости, давления, также препятствующие сжатию. Равенство сил тяготения и противоборствующих сил как раз и обеспечивает равновесие небесного тела.

Противоборствующие тяготению силы зависят от состояния вещества, от его давления и температуры. При сжатии вещества они увеличиваются. Однако если сжать вещество до конечной (не бесконечно большой) плотности, то они останутся также конечными. Иначе обстоит дело с силами тяготения. С приближением размера небесного тела к гравитационному радиусу сила тяготения стремится, как мы знаем, к бесконечности. Плотность вещества тела при этом является вполне определенной конечной величиной, хотя и достаточно большой. Следовательно, и сила давления также конечна. Ясно, что теперь бесконечно большая сила тяготения не может быть уравновешена конечной силой давления и небесное тело должно неудержимо сжиматься к центру под действием тяготения.

Итак, важнейший вывод теории Эйнштейна гласит: сферическое тело размером с гравитационный радиус и меньше не может находиться в покое, а должно сжиматься к центру. «Но позвольте, — спросит читатель,— на гравитационном радиусе сила тяготения бесконечна, а как только тело уменьшится до размеров меньше гравитационного радиуса, какова же будет гравитационная сила?»

Ответ довольно очевиден. До сих пор мы говорили о силе тяготения на поверхности несжимающегося тела. Но сила тяготения зависит от состояния движения. Всем хорошо известно, что при свободном падении наступает состояние невесомости — на свободно падающем теле вообще нет гравитационной силы. Поэтому на поверхности свободно сжимающегося тела не ощущается никакой силы тяготения (и вне сферы Шварцшильда и внутри ее). Увлекаемое тяготением тело уже ни при каких условиях не может остановиться на сфере Шварцшильда (оно испытало бы тогда бесконечную силу тяготения). Тем более не может остановиться тело внутри сферы Шварцшильда. Любая частица или, например, ракета со сколь угодно сильным двигателем, оказавшись от тяготеющего центра на расстоянии меньше гравитационного радиуса, должна неудержимо падать к этому центру.

Итак, мы получили ответ на вопрос о том, к чему ведет бесконечное нарастание гравитационной силы с приближением к сфере Шварцшильда: к катастрофическому, неудержимому сжатию тела. Физики называют это явление релятивистским коллапсом.

Таким образом, достаточно сжать тело до размеров гравитационного радиуса, а дальше тело само будет неудержимо сжиматься. Так возникает объект, который получил название черной дыры. Из нее не могут вылететь ни свет, ни частицы (для этого потребовалась бы скорость больше световой), но под действием тяготения и свет и вещество падают в черную дыру.

Правда, на пути создания черной дыры искусственным путем лежат огромные технические трудности. Чем меньшую массу мы хотим превратить в черную дыру, тем до меньших размеров ее необходимо сжать, поскольку гравитационный радиус прямо пропорционален массе. Так, мы знаем, что гравитационный радиус Земли равен около 1 см. Для того чтобы, например, превратить в черную дыру гору размером в миллиард тонн, пришлось бы ее сжать до размера атомного ядра!

В последующих разделах мы увидим, что во Вселенной большие массы могут самопроизвольно превращаться в черные дыры в ходе естественной эволюции. Однако прежде чем говорить об этом, продолжим знакомство с удивительными особенностями черных дыр.