4. ГИБЕЛЬ ЗВЕЗД (1)

Если вы углубитесь в Землю, то только часть Земли, которая ближе вас к центру, будет притягивать вас по направлению к нему. Часть Земли, которая дальше вас от центра, уже не будет участвовать для вас в силе притяжения. Следовательно, когда вы углубляетесь в Землю, притяжение для вас уменьшается. И если бы вы в воображении достигли самого центра Земли, никакого притяжения к центру Земли вообще бы не было, потому что не было бы ничего ближе к центру, чтобы оказывать на вас притяжение. Вы были бы подвержены нулевой гравитации.

Предположим, однако, что Земля сжалась бы на половину своего радиуса при сохранении всей своей массы.

Если бы вы находились далеко, скажем, в космическом корабле, это сжатие на вас не повлияло бы. Масса Земли оставалась бы прежней, неизменными оставались бы ваша масса и расстояние от вас до центра Земли. Сжимается Земля или расширяется, сила ее притяжения для вас не меняется (за исключением случая, когда ее расширение заходит настолько далеко, что она захватывает вас своим веществом, в этом случае для вас ее притяжение уменьшилось бы).

Предположим теперь, что вы стоите на поверхности Земли, когда она начала сжиматься, и вы остаетесь на ее поверхности в процессе сжатия. Масса Земли и ваша масса остаются теми же самыми, но ваше расстояние от центра Земли уменьшилось в 2 раза. Вы — вне самой Земли, и вся масса Земли находится между вами и ее Центром, тогда притяжение Земли увеличится для вас в 2 х 2, или в 4 раза. Другими словами, поверхностная гравитация Земли увеличивается при сжатии Земли.

Если бы Земля продолжала сжиматься без потери массы, и если бы вы оставались на ее поверхности, сила притяжения для вас продолжала бы увеличиваться. Если представить, что Земля уменьшится до точки нулевого диаметра (при сохранении массы), и вы бы оказались в этой точке, сила притяжения для вас была бы бесконечной.

Это верно для любого тела, обладающего массой, какое бы оно ни было маленькое или большое. Если бы вы, или я, или, скажем, протон сжимались все больше и больше, сила притяжения на нашей поверхности или поверхности протона увеличивалась бы беспредельно. И если бы вы, или я, или протон были уменьшены до точки нулевого диаметра при сохранении первоначальной массы, поверхностная гравитация в этом случае стала бы бесконечной.

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Впрочем, Земля, вероятно, никогда не сожмется до меньшего размера, по крайней мере пока она сохраняет свое настоящее состояние. Как не сожмется ничто, что меньше Земли. Даже объекты намного крупнее, чем Земля, например Юпитер, масса которого в 318 раз больше массы Земли, — не сожмутся, пока они предоставлены сами себе.

Звезды, тем не менее, в конечном счете сожмутся. Их масса значительно больше, чем масса планет, и их мощное гравитационное поле вызовет сжатие, как только масса ядерного топлива упадет ниже критической точки, и производимого тепла станет недостаточно для противодействия гравитационной силе. Насколько далеко зайдет сжатие, зависит от интенсивности гравитационного поля сжимающегося тела и соответственно от его массы. Если тело достаточно массивно, то, насколько нам известно, предела сжатию нет, и тело сжимается до нулевого объема Когда звезда сжимается, интенсивность ее гравитационного поля на значительных расстояниях не меняется, но ее поверхностная гравитация увеличивается без предела Одно из последствий этого — то, что скорость исчезновения с поверхности звезды, или вторая космическая скорость, неуклонно увеличивается, когда звезда сжимается. Любому объекту становится все труднее и труднее оторваться от звезды, уйти от нее, когда звезда сжимается и ее поверхностная гравитация увеличивается.

В настоящий момент, например, вторая космическая скорость для нашего Солнца — 617 километров в секунду, почти в 55 раз больше второй космической скорости для Земли. Для Солнца это все еще достаточно малая скорость, и частицы вещества покидают его довольно легко. Солнце (и другие звезды) постоянно испускает субатомные частицы во всех направлениях и с высокой скоростью.

Однако, если бы Солнце сжималось, и, соответственно, увеличивалась бы его поверхностная гравитация, увеличивалась бы и его вторая космическая скорость до тысяч километров в секунду, до десятков тысяч, до сотен тысяч. В конечном счете она достигла бы уровня 300 000 километров в секунду, а это — скорость света.

Когда звезда (или любой другой объект) сжимается до того предела, когда скорость исчезновения равняется скорости света, это означает, что звезда достигла «радиуса Шварцшильда», названного так потому, что предположение о нем впервые высказал немецкий астроном Карл Шварцшильд (1873-1916), но полное теоретическое изучение ситуации не было произведено до тех пор, пока в 1939 году этого не сделал американский физик Д. Роберт Оппенгеймер (1904-1967).

Земля достигла бы своего радиуса Шварцшильда, если бы сжалась до радиуса в 1 сантиметр. Так как радиус любой сферы есть половина его диаметра, Земля была бы тогда шаром 2 сантиметра в поперечнике, шаром, который содержал бы всю массу Земли. Солнце достигло бы своего радиуса Шварцшильда при сжатии до шара радиусом 3 километра при сохранении своей массы.

Твердо установлено, что ничто, обладающее массой, не может передвигаться со скоростью большей, чем скорость света. Как только какой-либо объект сожмется до своего радиуса Шварцшильда или еще меньшего, ничто не может покинуть его поверхность(Недавно выяснилось, что это не совсем верно. Я объясню это ниже.). Что-либо, попавшее на такой сжавшийся объект, не может больше с него выбраться, так что такой объект словно глубокая дыра в космосе. Даже свет не может выбраться с него, так что этот объект абсолютно черный. Американский физик Арчибальд Уиллер (р.1911) первым применил к подобным объектам термин «черная дыра» (Как это ни странно, французский астроном Пьер Симон де Лаплас (1749-1827) еще в 1798 году сделал предположение о возможности объектов настолько массивных, что ничто не может покинуть их, даже свет).

По-видимому, черные дыры должны формироваться, когда у звезд истощается топливо, и они достаточно велики, чтобы создавать гравитационное поле, достаточное для сжатия до радиуса Шварцшильда. Это, по-видимому, необратимый процесс. То есть черная дыра может образоваться, но не может вернуться к прежнему состоянию. Как только она образовалась, она вечна — за исключением одного случая, на котором я остановлюсь далее.(В 1998 году американские ученые получили еще одно подтверждение существования черных дыр с помощью телескопа Хаббла, использующего рентгеновское излучение. Черная дыра обнаружена в районе звезды Альфа Центавра в 10 миллионах световых лет от Земли.) Кроме того, что бы ни приближалось к черной дыре, оно, вероятно, захватывается чрезвычайно интенсивным гравитационным полем, существующим близ нее. Приближающийся объект, видимо, двигается по спирали около нее и в конце концов падает в нее. Как только это произойдет, он никогда больше не вырвется. Поэтому казалось бы, черная дыра может приобретать массу, но не может ее терять.

Если черные дыры образуются и никогда не исчезают, то количество черных дыр должно постоянно увеличиваться по мере старения Вселенной. Кроме того, если каждая черная дыра может увеличивать свою массу, но не уменьшать, все черные дыры должны постоянно расти. Каждый год количество черных дыр увеличивается, их размеры растут, с течением времени все больший и больший процент массы Вселенной оказывается в черных дырах, и в конце концов все объекты Вселенной окажутся в той или иной черной дыре.

Если мы живем в незамкнутой Вселенной, мы можем представить себе, что конец — это не просто максимум энтропии и тепловая смерть в бесконечном море разреженного газа. Это также не максимум энтропии и тепловая смерть в каждом из миллиарда галактических скоплений, отделенных друг от друга неизмеримыми и все время растущими расстояниями. Вместо этого Вселенная в далеком будущем, возможно, приобретет максимум энтропии в виде ряда чрезвычайно массивных черных дыр, существующих в скоплениях, каждое из которых отделено от других неизмеримыми и постоянно растущими расстояниями. Именно это представляется сейчас наиболее вероятным будущим для незамкнутой Вселенной.

Существуют теоретические основания для предположения, что гравитационная энергия черных дыр способна произвести огромное количество работы. Мы легко можем представить себе, что люди пользуются черными Дырами как большими топками, забрасывая в них ненужную массу и используя радиацию, вырабатываемую в этом процессе. За отсутствием излишков массы можно было бы использовать вихревую силу черной дыры. В этом случае из черных дыр можно извлечь гораздо больше энергии, чем из той же массы обычных звезд, и потомки человечества могли бы дольше просуществовать во Вселенной с черными дырами, чем во Вселенной без черных дыр.

В завершение второе начало термодинамики все же проявит себя. Вся материя окажется в черных дырах, и черные дыры перестанут вращаться. Никакой работы из них извлечь будет уже нельзя, в свои права вступит максимальная энтропия. Наступление тепловой смерти с черными дырами представляется неминуемым, тогда как без них еще остаются кое-какие шансы избежать ее. Если мы имеем дело с черными дырами, то трудно предположить наличие областей низкой энтропии, беспорядочную флуктуацию, и в этом случае просто невозможно понять, как жизнь может избежать окончательной катастрофы.

Однако как черные дыры вписываются в замкнутую Вселенную?
[1] [2] [3] [4]