Черные дыры физического мышления

Станислав Кравченко

Феномен черных дыр - одна из самых «темных», потому «любимых» тем современной физики, хотя с позиций ОТО ее смысл прозрачно ясен: нельзя «упаковать» среду плотнее однофазного состояния. Теоретическая неординарность и экспериментальная недостоверность предоставляет самое широкое поле, как для добросовестных заблуждений, так и для преднамеренных спекуляций.

Позаблуждаемся и мы.

За основу возьмем классическое решение Шварцшильда для сферической не вращающейся массы: rгр=2gM/c2. Найдем граничные решения.

1. Самая маленькая черная дыра.

Рассчитаем энергию электромагнитного кванта, при которой этот квант сам себя "притянет", то есть станет, в некотором классическом смысле, "черной дырой". Итак, энергия "самосфокусированного" кванта равна: E=2p hw или

E=hс/l, где

Е - энергия кванта,

h - постоянная Планка,

w - угловая частота,

l - длина волны,

с - скорость света.

При этом следует учесть, что движение по замкнутой, в первом приближении, круговой орбите, предполагает наличие на такой "орбите" режима стоячих волн. Другими словами, в окружность такой орбиты должно укладываться целое число полуволн. Если радиус такой орбиты обозначить как rгр, то 2p rгр=1/2ln, где n = 1;2;3;4… - натуральное число.

Принимая во внимание решение Шварцшильда rгр=2gM/c2 или rгр=2gE/c4 (E=mc2) и подставляя в это решение вышеприведенные формулы при n = 1 получим хорошо известные Планковские величины:

1.1.rгр=(2p hg/ c3)1/2 ;

1.2. E=(2p h c5/g)1/2;

1.3. m=(2p h c/g)1/2;

1.4. Δt=(2p hg/ c5)1/2.

Данный расчет делает «прозрачным» философскую и физическую сущность фундаментальной длины. Квант с такой длины волны «не должен двигаться» в пространстве, физически невозможно ни излучить, ни принять этот квант. Любой спектр с ультрафиолетовой стороны обрезан принципиально. В более общем, философском  плане фундаментальная длина выступает той теоретической границей познания, от которой получить какую-либо информацию уже принципиально невозможно. Ниже уже не «наша физика».

Но, кроме философского смысла, данный расчет имеет весьма конкретные физические аспекты.

Квантованность набора орбит самофокусировки электромагнитных квантов исключает возможность метастабильных промежуточных состояний. Потому данная квантовая "черная" микродыра на самом деле оказывается вообще не "дырой":

- она не может поглотить образовавший ее фотон, решение стационарно;

- внутри "дыры" вообще ничего нет;

- она не может поглотить никакую другую энергетическую порцию, кроме кратной энергии образовавшей ее фотона. Для любых других частиц данная "дыра" будет "зеркалом";

- данная "дыра" принципиально неуничтожима. Туннельными эффектами могут быть излучены энергетические порции, кратные энергии планковского фотона, который (см. выше) не будет перемещаться в пространстве, а будет такой же "черной микродырой", то есть, будет тут же поглощен.

- самое главное, она принципиально не "создаваема". Для ее создания, в соответствии с соотношением неопределенностей, необходимо за период времени Δt в области, радиусом rгр сконцентрировать массу m или энергию E. Другими словами, соотношение неопределенностей "позволяет" создавать квантовые черные дыры только из квантовых черных дыр. Ничто иное в эти параметры не "влезает". Теоретически нет физических объектов для создания квантовой черной дыры, кроме нее самой.

Даже если такие объекты каким-то чудом и могли бы существовать во Вселенной, то они могли бы находиться только в центрах тяготения и гравитационно взаимодействовать с материй. Это взаимодействие будет заключалось бы в преобразовании материи в энергию. Ничего поглотить, кроме себя, квантовая черная дыра не может.

Данный расчет исключает понятие сингулярности из научного лексикона. Даже теоретически невозможны меньшие объекты.

Данный расчет требует иного подхода к понятию коллапса. Коллапсировать будут лишь фотоны планковской энергии. Величина энергии такого фотона исключает возможность его образования в коллапсирующем объекте. Следовательно, коллапс любого макрообъекта на деле будет означать его лишь его разрушение в режиме от квазистационарного истечения вещества до взрывного.

2. Самая большая черная дыра.

Первое предположение, которое напрашивается само, то, что вся наша Вселенная есть именно такая дыра. Но, вопреки всему, наблюдается лишь один экземпляр Вселенной, который выглядит совсем не сингулярной точкой и небо над нами черное. Вопрос даже не в том, что наблюдаемая Вселенная мало напоминает сингулярность.

В решении Шварцшильда rгр=2gM/c2 между массой М и граничным радиусом r имеется линейная зависимость. Плотность вещества есть отношение массы М к занимаемому объему, пропорциональному r3. Отсюда следует, что среднераспределенная коллапсная плотность вещества черной дыры падает пропорционально кубу ее размеров. Наблюдаемой плотности вещества будет соответствовать коллапс в достаточно большую, но все-таки конечных размеров черную дыру. Тем более, что ни о каком «внутреннем давлении» материи наблюдаемой части Вселенной речи быть не может. Необходим удовлетворительный ответ на вопрос: почему наблюдаемая часть Вселенной со вполне определенной конечной и ненулевой плотностью вещества не коллапсирует, не образует черную макси-дыру?

Проверяем:

При ненулевой реальной средней плотности вещества Вселенной (по разным оценкам около 10-29 – 10-30 г/см3 или ρr10-26 -10-27 кг/м3) традиционный подход требует обязательного образования множества «реальных черных макси-дыр» конечных размеров:

Rr=2gMr/c2

Принимая округленно Mr= ρr*4/3π Rr3  ≈4ρr Rr3 получим:

Rr=2gMr/c2≈8gρrRr3/c2

Откуда

c2=8gρrRr2

или

c2/8gρr=Rr2

Rr=c/(8gρr)0,5

Учитывая, что: g≈6,7*10-11Hm2/kg2 получим

Rr=3*108/(8*6,7*10-11*10-26)0,5 ≈1026(м)

Учитывая, что световой год приблизительно равен 0,9*1016 м, получим Rr<1010 световых лет - что-то, достаточно близкое к хорошо знакомому. Смущает одно – расчетный радиус стандартной черной макси-дыры «Вселенской» плотности примерно того же порядка, точнее, даже меньше наблюдаемой части Вселенной, однако в этой наблюдаемой части, нет даже намека на коллапс или сингулярное состояние материи в ней, скорее наоборот. Что отменяет решение Шварцшильда?

Не принимая во внимание открытые еще Фридманом и прекрасно развитые Глинером антигравитационные (будем называть вещи своими именами) свойства лоренцинвариантной фазы вакуумоподобной среды, в рамках традиционного понимания, удовлетворительного ответа на поставленный вопрос нет.

 

3. Самое спорное.

 

Однако, настоящая работа - не потакание заблуждениям. Может  быть, для фантазера-теоретика чернордырная мифология и привлекательна, но не для философа. Достаточно  одного  -  начала коллапса, то есть образования первой квантовой "микродыры" (см. выше), то и при игнорировании бесконечного времени достижения горизонта любым материальным  объектом  с  точки  зрения  внешнего наблюдателя (других нет),  чтобы  на  100%  уверенно  констатировать - во Вселенной, не зависимо от времени ее существования, не могла быть сформирована ни одна черная дыра. Все   "подтверждения" - мифы,  изначально противоречащие  ОТО. Единственным разумным исследованием может быть  лишь  исследование  предколлапсного  состояния  материи. Поэтому крайне интересно исследование поведение материальных  объектов, ощутимая часть вещества которого находится в сильном гравитационном поле, в состоянии,  где  имеют  место существенно релятивистские  эффекты, в частности, Эффект Замедления Времени.

Естественно,  в предколлапсном состоянии замедление  времени  для  любого материального объекта Вселенной  будет  конечным.  Эффект  замедления  времени  должен будет проявляться, в частности и в том, что процессы, длящиеся в областях со слабой гравитацией один промежуток времени, в  сильной гравитации будут  длиться для внешнего наблюдателя существенно дольше.

И, наоборот, для массы в сильном поле любое внешнее излучение станет существенно более  коротковолновым (голубое смещение),  чем масс внешних областей. Другими словами, сильное гравитационное  поле будет "разогревать" опускающиеся потоки   излучения   и   "охлаждать"   восходящие.  Или, по другому, релятивистская масса будет существенно "темнее", если хотите, "холоднее" не   релятивистской  при  той  же  относительной скорости (том же соотношении v/c).

С точки зрения внешнего наблюдателя количество соударений между частицами релятивистского слоя начнет падать (падение внутреннего давления). Для самих частиц слоя, наоборот, наблюдаемым эффектом будет увеличение числа соударений частиц внешнего слоя в единицу их времени (рост внешнего давления), «побеление», «разогрев» внешних слоев.

Эффект замедления времени – не единственный учитываемый релятивистский эффект. Не меньшее значение будет иметь и эффект изменения константы скорости света в релятивистском слое по отношению к внешним.  Физически это означает  преобразование кинетической энергии релятивистского слоя в энергию гравитации. Для внешнего наблюдатель это будет «замедление» движения частиц релятивистского слоя. Энергия соударений между частицами релятивистского слоя для внешнего наблюдателя начнет падать, что будет все тем же падением внутреннего давления. Для самих частиц слоя наблюдаемым эффектом будет увеличение «скорости» частиц внешних слоев (константой здесь является не сама абсолютная величина скорости, а угол наклона мировой линии частицы (отношения v/c), не изменяемый при отсутствии взаимодействия при изменении кривизны пространства), то есть рост давления внешних слоев.

Релятивистский эффект Сокращения Длины приведет к тому, что для внешнего наблюдателя эффективные размеры частиц релятивистского слоя будут уменьшаться. Для самих частиц это будет эффект «увеличения внутреннего пространства», увеличения расстояний между частицами слоя и сокращение числа соударений, значит, так же падение внутреннего давления. Таким образом, сильное гравитационное поле не столько «преодолевает» внутреннее давление, сколько его «отменяет». Динамическое равновесие слоев материи неизбежно будет нарушено. Релятивистский слой начнет уплотняться. Это, в свою очередь, еще больше увеличит кривизну внутреннего пространства. Произойдет предколлапс, своеобразный «взрыв внутрь» с соответствующим увеличением массы релятивистского слоя и все большим нарастанием релятивистских эффектов. Взрывное падение давления должно приводить к переходу нейтронного состояния материи «падающих» слоев в обычное состояние протон-электронной смеси, точнее смеси, близкой по составу к сбросовым оболочкам сверхновых. В идеале, за бесконечный промежуток времени, все тело могло бы стать полностью «релятивистским», компактным, с очень «холодным» для внешнего наблюдателя состоянием обычного вещества, но с ничтожно малыми эффективными сечениями элементарных частиц. Для внутреннего наблюдателя внешняя Вселенная, наоборот, предстанет все более «горячей», со «сверхсветовыми» скоростями и  «странно большими эффективными сечениями» частиц. Поскольку настоящий полный коллапс требует бесконечного промежутка времени за любой конечный промежуток любой материальный объект вселенной любой массы может пройти лишь конечную предколлапсную стадию сжатия. Однако неравновесные процессы гравитационного сжатия будут существенно динамическими и породят серию ударных волн, и внутрь, и наружу, где релятивистские эффекты проявлены меньше, что неизбежно приведет к сбросу части внешних слоев. Этот сброс столь же неизбежно уменьшит напряженность гравитационного поля и перезапустит весь вышеописанный механизм предколлапса в обратном направлении с той разницей, что релятивистский слой будет уже существенно перегрет внешней энергетической накачкой. Динамическое равновесие слоев материи неизбежно опять будет нарушено уже в другую сторону. После фазы сжатия (взрыва внутрь) неизбежно должна наступить фаза расширения – взрыва наружу. Остаток будет существенной функцией исходной массы объекта. Только для объектов, с массой, существенно большей критической, при пренебрежимо малой массе сбрасываемой внешней оболочке, существует возможность сохраниться в чисто релятивистской фазе. Такие объекты будут наблюдаться как очень компактные образования внешне, за счет газопылевой диффузии на поверхность,  из обычного вещества, но с весьма существенным гравитационным красным смещением спектров излучения. Традиционная астрофизика, не признающая иных объяснений красного смещения, кроме эффекта Доплера, даст для них гораздо большее действительному расчетное удаление с соответствующим перерасчетом масс и светимостей. Кроме того, если абстрагироваться от большевзрывного шаманства, то с необходимостью следует признать наличие во Вселенной большого, если не превалирующего, процента очень старых релятивистских объектов. Массой каждый из них заведомо должен заведомо превосходить критическую, но, естественно, и близко не подходить к сверхмассам центров галактик. Окружающую материю они давно должны были поглотить, переходные процессы у них уже должны практически завершиться, внутренние энергетические источники должны у них почти иссякнуть, в силу этого они должны находиться достаточно близко к тепловому равновесию с окружающей средой. Их плотность такова, что релятивистские эффекты спектрального смещения снижают наблюдаемые уровни основного квантового состояния нейтронов до фоновых энергий. Поэтому наблюдаемая температура должна быть одного порядка с температурой реликтового фона, а, значит, их наблюдение даже современными средствами должно быть крайне затруднено. Таких низкотемпературных макси-атомов, «замороженной» материи должно быть много, но не бесконечно много поскольку такое состояние не может быть бесконечно длительным. Для нейтронных звезд должны быть характерны те же процессы, что теоретически просчитывались для «белых дыр», то есть туннельная диффузия элементарных частиц в пространство.  Одиночная нейтронная звезда в любом случае будет терять массу. Рано или поздно ее масса приблизится к критической, при которой силы гравитации уже не смогут сдержать вещество в релятивистском нейтронном состоянии. Произойдет взрыв сверхновой. Поскольку законы физики во Вселенной везде одинаковы, то и критическая масса в любой точке Вселенной одна. Это делает сверхновые такого типа высококачественными «стандартными свечами». Кроме того, физика процесса у сверхновых такого типа не предполагает оставление в эпицентрах взрыва каких-либо квазизвездных объектов.

Однако,  наблюдательная  астрономия  знает  не  только  сферические  не вращающейся  (низкооборотные)  массы,  но и быстровращающиеся. Поэтому несомненный интерес  представляет  предколлапсное  состояние  материи, вращающееся  с  большой  угловой  скоростью. Решающую роль здесь будет играть   не   сферичность   геометрии   объекта,  его  сплюснустость, "блинообразность".  В  этом  случае неизбежен прорыв "перегретого пара элементарных  частиц  внутреннего  релятивистского  слоя  с  полностью стертой  информацией  о  предыдущих  состояниях" лишь в самых "слабых" местах - у полюсов с возможным переходом процесса в стационарный режим двуструйной генерации. Большинство объектов потенциально предколлапсного состояния – активные  центры галактик, наблюдаются именно в этом состоянии. Вполне возможно и мы с Вами когда-то давно были такой «струей», а когда-то и снова будем. Ею замыкается процесс «массооборота» вещества во Вселенной. Просчитать этот процесс – достойная Физика, хотя и не сверхсложная задача, но загипнотизированное большинство предпочитают «искать» черно-белые фантомы.

 

Станислав Кравченко

Hosted by uCoz