Хван М.П. Неистовая Вселенная: От Большого взрыва до ускоренного расширения, от кварков до суперструн
Подождите немного. Документ загружается.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
271
271
2. О на озн ачает, что глубоко под гори зон том коллап с ун и чтож ает все сущ ее м атерии
и п ространства-врем ен и , т. е. все нам известн ы е акц и денц и и , атрибуты и
субстан ц и и три ады м атери и , пространства и врем ени: ун и чтож аю тся н е только
м олекулы , атом ы , протон ы и н ейтрон ы , которы е рассы п аю тся на кварки и глю он ы ,
но и сам и эти кварки и глю оны , а такж е ф отоны , электр оны , н ей три н о в
си н гулярности . Н о ун и чтож ение этих атом ов и элем ентарны х частиц абсолю тно
невозм ож н о без одн оврем енн ого уничтож ени я всех н ам известн ы х не только
акци ден тальн ы х свойств п ространства-врем ени , н о и их атрибутивны х (т. е.
геом етри чески х, м етрических, топ ологических, кинем ати чески х) свой ств: коллап с
уни чтож ает не только п ространствен н о -врем енн ы е структуры вещ ества (т. е.
элем ентарн ы х части ц , полей, излучен и я, п лазм ы ), но и , как м ы уж е отм ечали ,
окруж аю щ ую звезду п ространственн о -врем ен н ую окрестную область.
С и н гулярн ость разры вает эту пространственно -врем енную область от остальной
больш ой В селенной и стягивает ее к себе: в результате этого образуется м алая
изоли рованн ая си н гулярная вселен н ая, оторванн ая от остальной больш ой
В селенной и сущ ествую щ ая сам остоятельно как н овая вселенн ая.
Р и с. 2.15
3. С и н гулярн ость является всеобщ им и ун и версальны м ф еном ен ом во В селен н ой как
субстан ц и ональны м способом бы ти я триады м атери и , пространства и врем ен и :
си н гулярность — сп особ абсолю тного сам осохранени я и неи счезаем ости н и п ри
каких условиях коллап са м атери и , простран ства и врем ен и . О на сущ ествует и
м ож ет сущ ествовать оторван н о от больш ой В селенн ой как реальной , готовой
структурно-орган и зованн ой , но она связана с ви ртуальны м ф и зи чески м вакуум ом :
она с ни м взаи м о действует, черпая из бездн ы ви ртуального вакуум а эн ергию и
одноврем енн о отдавая свою эн ерги ю этой бездн е виртуального вакуум а.
О тн ош ен и е си н гулярн ости и ви ртуального вакуум а — отн ош ен и е м еж ду реальны м
и виртуальны м , и х взаи м оп ревращ ени я реального в виртуальное и ви ртуального
— в реальн ое.
4. С и н гулярн ость н е м ож ет бы ть абсолю тно изоли рованной вселенной, п оскольку во
В селенной н ет п устоты : пустота стала ви ртуальны м ф и зическим вакуум ом .
П оэтом у син гулярность п редставляет собой «м ости к», связы ваю щ ий больш ую
В селен н ую с ви ртуальны м вакуум ны м м и ром : он является н еисчерпаем ой бездной
энерги и , сн абж аю щ ей ею наш у В селенную .
5. Ч ерная ды ра во В селенн ой не оди н ока: она долж н а им еть белую ды ру. Ч ерная
ды ра и белая ды ра представляю т собой «кротовую н ору», горловиной которой
является туннель («м етроп олитен») со входом и вы ходом : черная ды ра — вход, а
белая ды ра — вы ход (ри с. 2.15).
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
272
272
П роблем а черной ды ры все ещ е остается проблем ой: м ногое о н ей нам и звестн о,
но м ногое ещ е остается загадкой , которую долж н ы разгадать. П реж де всего это
проблем а син гулярности : разгадка син гулярн ости м н огое н еизвестное о черны х
ды рах сделает и звестны м и п рояснен н ы м .
Ч ерн ы е ды ры м огут бы ть н е только звездн ы м и : они м огут бы ть в ядрах
активн ы х галакти к как источн и к свети м ости квазаров. М огут бы ть п ервобы тн ы е
м и н и -черн ы е ды ры с разм ером протон а 10
-13
см . М огут образовы ваться он и
вследствие столкновен и я галакти к и и х притяж ени я: сердцеви н ой во всех черн ы х
ды рах является си н гулярность. В се эти черны е ды ры , каки м и бы он и ни бы ли и где
бы он и ни сущ ествовали, долж н ы в п ри н ц и п и альн ом отн ош ен и и п одчи н яться
узловы м м ом ентам коллапси рую щ ей звезды как ф ун дам ен тальны м закон ам н ачала
коллап са и его заверш ен и я — неустой чи вости как точке би ф уркаци и , н аправленн ого
внутрь катастроф ического взры ва (им п лозия), грави таци он н ого ради уса как
горизон та собы тий и, наконец , си н гулярн ости: главн ы й ф и лософ ский (и не только)
см ы сл коллап са как катастроф ического гравитационн ого сж ати я заклю чается в
си н гулярности как точке бескон ечн ой п лотн ости м атерии и и скривлен н ого
(свернутого, скручен н ого, ком п акти ф и ц и рован н ого) п ространства-врем ен и .
§4. Зак он ы ф и зи к и ч ер н ы х ды р
Ч ерн ы е ды ры , как м ы уж е отм ечали , стали ц ентральн ой п роблем ой в
исследован и и расш иряю щ ей ся В селенн ой и астроф и зи ке элем ен тарн ы х части ц в 60 -
70-е гг. п рош лого столети я: он и бы ли вы дви н уты н а сам ы е п ередовы е п озиц и и
косм оф и зи ческих исследовани й В селенн ой преж де всего тем обстоятельством , что
коллап сирую щ ая черн ая ды ра обладала н овы м и необы чн ы м и , сп ец и ф и чески м и
свой ствам и . В ф илософ ском асп екте нас ин тересует черн ая ды ра как ды ра,
превращ аю щ ая огром ней ш ий косм и чески й объект (звезда с ради усом в м и ллион ы
ки лом етров) за считан н ы е секунды (или м и н уты ) в точку с п ротяж ен н остью 1 000
(и ли 10) км . В связи с эти м вп олн е естествен н о возн и кает вопрос о гравитационн ом
коллап се как силе притяж ен и я «тем н ой м атерии ».
К ак и звестн о, п отенциал поля тяготени я зависит от отн ош ения м ассы и радиуса
— MIR: сущ ествую т две возм ож ности образован и я сильны х полей тяготен и я. П ервая
возм ож ность — это возм ож ность ум ен ьш ени я ради уса объекта, однако п ри этом н е
всегда м ож н о п олучить п отенц и ал си льного п оля тяготени я. Н а сам ом деле п ри
ум ен ьш ени и радиуса тела происходи т увели чени е п лотн ости м атери и . Т ак, напри м ер,
элем ентарн ы е части ц ы им ею т очень м алы й радиус — от 10
-13
до 10
-17
см . О днако в
области элем ен тарны х части ц влияни е гравитационн ы х эф ф ектов п ренебреж им о
м ало — 10
-40
. П оэтом у в ф и зи ке элем ентарн ы х частиц п ри исследован и и тип ов
взаи м одействий отвлекаю тся от гравитац и онного взаи м одей ствия. Э то
обстоятельство объясн яется тем , что элем ен тарн ы е частицы облад аю т м алы м
значен и ем вели чи н ы м асс. Т ак, н апри м ер, грави таци он н ая эн ергия протон а ρ равн а
10
-39
по отнош ени ю к м ассе протон а.
С ледовательно, м ы м ож ем отм ети ть, что п ренебреж и м о м алое вли яние эф ф екта
поля тяготен и я в области ф изики элем ен тарны х частиц объясн яется тем
обстоятельством , что их ради ус и значени е вели чи н ы и х м асс прен ебреж и м о м алы .
И м енн о п оэтом у п ри построен и и теори и В ели кого объеди н ени я гравитация всегда
остается вн е
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
273
273
объеди н и тельн ого п роц есса. О дн ако грави таци я как «тем н ая м атери я» (скры тая,
неп он ятн ая, м ало и звестн ая) н астолько загадочн а и таинственна, что м ы не м ож ем со
стоп роц ен тной уверенн остью утверж дать, что в м и ре м икрочасти ц (т. е. области
ф ун дам ен тальн ы х и элем ентарны х части ц ) вообщ е, как бы далеко вглубь кван товой
м атерии м ы ни прон и кали, н и когда не будет необходи м ости учета влияни я
грави тационной силы . Н аоборот, п ри ближ ени е наш его п озн ани я к п лан ковском у
м асш табу м ассы m
р1
= 10
19
Г эВ п оказы вает, что для дальней ш его п родвиж ени я п о
пути объеди н ени я ф и зи чески х ф ундам ен тальн ы х тип ов взаим одей ствий наступ ает
обязательн ая н еобходи м ость учета си лы грави тац и он н ого взаи м одействия как
«тем н ой м атерии »: в п лан ковском м асш табе т
рl
= 10
19
Г эВ как исти н н о
ф ун дам ен тальн ом уровне м атерии для объедин ени я всех четы рех и звестн ы х тип ов
взаи м одействий — сильн ы х, слабы х, электром агнитн ы х и грави тац и он н ы х —
необходим учет «тем ной м атери и » как си лы гравитац и и .
Т аки м образом , загадочн ость и таин ствен н ость «тем ной м атерии » как
грави тации заклю чаю тся в ее анти н ом ичности : с одной стороны , в м ире м икрочасти ц
в силу того, что их радиус и зн ачени е вели чи н ы их м асс прен ебреж и м о м алы — 10
-40
, поэтом у м ож н о п ренебречь эф ф ектом п оля тяготен и я, а с другой стороны — на
ф ун дам ен тальн ом уровн е м атерии, т. е. план ковском м асш табе m
р1
= 10
19
Г эВ ,
вы зы вается настоятельная н еобх оди м ость учета эф ф екта «тем ной м атерии» как силы
грави тационного взаи м одей ствия. Э то первое. А второе сам о собой нап раш и вается:
если п редп олож и ть, что учен ы м и — ф изикам и и косм ологам и — осущ ествлен о
полн ое теоретическое объеди н ени е всех четы рех ти п ов н ам и звестны х
ф ун дам ен тальн ы х ф и зических взаим одействи й , то какие и з этого следую т
ф ун дам ен тальн ы е ф и лософ ские вы воды ? В о -п ервы х, п олная си м м етрия м еж ду всем и
четы рьм я ти п ам и взаи м одей стви й при одн ой констан те связи : все си лы эти х четы рех
взаи м одействий оди н аковы , иден тичн ы , тож дественн ы ; во -вторы х, в ф и лософ ском
ракурсе сам ое и н тересн ое заклю чается в один аковости, тож дестве «тем н ой м атери и »
и бари он н ой м атерии : грави тация как «тем ная м атерия» н е только сравним а и
сои зм ери м а с бари он н ой м атери ей, н о и при и х п ол н ой си м м етри и , т. е. при одной
кон станте связи их, он и (т. е. «тем ная м атерия» и бари он н ая) взаи м оп ереходи м ы , как
кварки и лептон ы при их п олной сим м етрии, т. е. п ри одной кон стан те связи н а
энерги ях 10
15
Г эВ ; в-третьих, после Б ольш ого взры ва в п ервы е ж е до ли секунды
рож ден и е В селен н ой п редставляет собой н ечто еди н ое и органи чески неразры вное
целое, которое расщ еп ляется и раскалы вается в ходе дальней ш его расш ирени я
В селенной и по м ере ее холодан и я. В -четверты х, полн ая си м м етри я м еж ду «тем ной
м атерией » как гр авитацией и барион н ой м атерией как субъядерн о -ядерной м атери ей
неи збеж н о н ас п ри води т к и дее ф ундам ен тальн ой суп ерструнн ой м атерии как
сущ ностн ой основе реальн ости грави тации как «тем ной м атерии » и субъядерн о -
ядерной — как барион н ой м атерии: «тем н ая м атери я» и бари он н ая м атери я суть
продукты расщ еплен и я и раскалы ван и я ф ундам ентальной суп ерструнной ф и зи ческой
реальности .
С уп ер гр ав и тац и я
И так, п отенц и ал поля тяготения зави сит от отн ош ен и я м ассы и ради уса M/R.
О дн ако м ы отм ети ли , что эта зави сим ость п отенциала п оля тяготени я н е всегда
зави сит от отн ош ен и я м ассы и ради уса M/R: наглядны м прим ером является м и р
м и кро-
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
274
274
части ц , ради ус и вели чи н а м асс которы х очен ь м алы , поэтом у каж ется возм ож н ы м
прен ебреж ен и е эф ф ектом гравитац и он н ого взаи м одействия.
К ак уж е нам и бы ло отм ечен о, на энерги ях 10
15
Г эВ при объединен и и трех ти п ов
взаи м одействий — сильны х и электрослабы х — естественны м представляется
прен ебреж ен и е эф ф ектом грави тационн ого взаи м одействия в ф и зике элем ен тарн ы х
части ц : вли ян и е си лы гравитац и онного эф ф екта на субатом ном и атом арн ом уровн ях
прен ебреж им о м ало — 10
-40
, п оэтом у игн ори рован и е грави таци он н ого эф ф екта при
построен и и стан дартн ой м одели ф и зики элем ен тарны х части ц н а эн ерги ях 10
15
Г эВ
представляется естественн ы м . О днако в дальнейш ем п родви ж ении вглубь ф и зики
элем ентарн ы х части ц н а планковском м асш табе т
pl
= 10 Г эВ для осущ ествлен и я
си н теза всех четы рех ф ундам ен тальн ы х типов взаи м одействи й — грави таци он н ы х,
си льны х, слабы х и электром агнитн ы х — в суп ерграви тации необходи м учет
грави тационны х взаи м одей стви й : суп ерграви тация — п олн ая сим м етри я м еж ду
всем и четы рьм я ти п ам и взаи м одей стви й . А что озн ачает п олн ая си м м етри я м еж ду
всем и четы рьм я ти п ам и взаим одействи й ? П олн ая сим м етрия озн ачает:
• Во-п ервы х, все четы ре кон станты связи долж ны сли ться в одн у: силы всех четы рех
взаи м одействий оди н аковы , тож дественн ы в одной константе связи.
• Во-вторы х, полн ая сим м етри я м еж ду всем и четы рьм я п олям и взаи м одействий в
суп ергравитац и и означает взаи м оп ереходи м ость всех частиц , в том числе
м и крогравитац и он н ы е квантовы е части ц ы «тем ной м атерии »: поиск и обнаруж ени е
реальны х части ц н а роль частиц «тем н ой м атери и » как грави тации являю тся
важ нейш им и, п ервоочередн ы м и задачам и, стоящ и м и п еред учены м и -
сп еци али стам и — элем ентарщ и кам и и грави тационистам и. В настоящ ее врем я
претенден там и на роль частиц «тем н ой м атери и » являю тся грави тон ы , грави тин о,
акси он ы , м оноп оли, тяж елы е первобы тны е нейтри н о — ν
μ
и ν
τ
и др., которы е ещ е
не обн аруж ены .
• В -третьих, п оскольку электрослабы е взаи м одей стви я объеди н ены с си льны м и
цветны м и кварк-глю онны м и взаим одей ствиям и , п остольку м еж ду эти м и трем я
ти п ам и взаим одействий осущ ествлена полная сим м етри я п утем сли яния трех
кон стант связи в одн у и взаи м оп ереходи м ости кварков и леп тон ов.
• В -четверты х, поскольку стандартная м одель ф изики элем ен тарн ы х части ц
объеди н и ла все три ти п а взаи м одей стви й — сильны е ц ветн ы е и электрослабы е, —
постольку долж на идти речь о си м м етри зац и и грави таци он н ого взаим одей стви я с
си лой стандартн ой м одели ф изики элем ентарны х части ц в суперграви тации :
суп ергравитац и я — суп ертеори я полной си м м етри и м еж ду всем и четы рьм я тип ам и
взаи м одействий с одн ой константой связи и взаи м опереходи м остью всех части ц
как носи телей всех эти х взаи м одействий .
П олная сим м етри я в суперграви таци и осущ ествим а, если части ц ы ,
претендую щ ие н а роль «тем ной м атери и », будут м асси вн ы м и : м асси вн ы м и долж ны
бы ть как грави тац и онны е ф ерм и он ы , так и грави таци он н ы е п ром еж уточн ы е
векторны е частиц ы — бозоны . И ны м и словам и, супергравитац ия долж н а бы ть
вклю чен а в суп ерсим м етри ю как полн ую сим м етри ю бозонов и ф ерм и он ов: бозон ы и
ф ерм ион ы долж н ы бы ть в суп ергравитац и и взаи м опереходи м ы , взаи м оп ревращ аем ы
и взаи м ообрати м ы , при чем все бозон ы и все ф ерм ион ы всех четы рех типов
взаи м одействий , и м енн о п о-
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
275
275
этом у суп ергравитация в ф и лософ ском ракурсе интересн а тем , что она долж н а
реш ить проблем у барион н ой м атери и и «тем ной м атерии »: суп ерграви тация есть
ф акти чески полная си м м етри я «тем ной м атери и » и бари он н ой м атери и , их
взаи м оп ереходи м ости и взаи м оп орож ден и я.
И так, основн ая ф и лософ ская суть идеи суп ергравитац и и заклю чается в полной
си м м етри и бари он н ой м атерии и «тем ной м атери и »: грави таци я как «тем ная
м атерия» и бари он н ая м атерия взаи м опереходим ы и взаи м оп орож даем ы .
Значит, сущ ествую т две возм ож н ости п олучени я си льного потенц и ала п оля
тяготени я: ли бо путем ум ен ьш ени я разм ера объекта — R, либо п утем увели чени я
м ассы тела — М.
И так, си льны е поля тяготен и я н е всегда зави сят от ум ен ьш ени я разм ера объекта
или увели чени я его м ассы .
В первом случае, т. е. п ри ум ен ьш ен и и разм еров объектов (элем ентарн ы х
части ц ), в си лу и х н езн ачительн ой вели чи н ы м асс, эф ф екты гравитаци он н ого
взаи м одействия в области ф изики элем ен тарны х части ц п ренебреж и м о м алы .
И во втором случае, т. е. при увели чени и величин ы м ассы объекта, н е всегда
м огут бы ть сильны е п оля тяготения, ибо м асси вн ы е тела м огут и м еть больш и е
разм еры .
И м енн о поэтом у так важ ен грави тационн ы й коллап с как проц есс
катастроф ического грави таци он н ого сж ати я, так как при коллапсе происходи т
двуеди н ы й п роцесс катастроф ического ум ен ьш ен и я разм ера объекта и увели чени я
плотности вещ ества.
П роблем а равновесия звезды как ее ж и знен н ы й ц и кл очен ь ин тересна в
ф и лософ ском ракурсе: равн овесие звезды — равен ство барионной и «тем ной
м атерии». Р авн овесие звезды — ф акти чески проти воборство двух видов м атери и —
бари он н ой м атерии как и сточн и ка си лы внутренн его соп роти влен и я и «тем н ой
м атери и » как си лы гравитации, которая сж и м ает звезду свои м и собственны м
тяготени ем : равновеси е звезды — ди н ам ическое равновесие двух видов м атерии , и х
противостояние и п роти воборство. О дн ако ядерная эн ергия как бари он н ая м атери я
не безграни чн а: рано и ли поздно долж н о кончи ться коли чество ядерной эн ергии (т. е.
м ассы ), а это озн ачает кон ец бари он н ой м атери и . С кон ц ом исчерп ани я бари он н ой
м атерии как ядерной эн ерги и н аступает м ом ентальн о грави тационн ы й коллапс как
катастроф ическое гравитац и он н ое сж ати е: звезда пр евращ ается ли бо в белы е
карли ки, либо в п ульсары — 2-3 M
⊙
, а если м асса больш е М
⊙
на 4, 5, 10 М
⊙
и т. д.,
то такая звезда превращ ается в черн ую ды ру.
О дн ако значим ость бари онной м атери и как ядерного горю чего м атериала в
недрах звезды определяется н е только тем , что она служ и т и сточником си лы
внутрен н его давлени я, п роти востоящ ей гравитационном у сж атию : в недрах звезды в
ядерном котле терм оядерны х реакций происходит образован и е хи м ических
элем ентов, в том числе и тяж елы х, вплоть до ж елеза и т. д.
А куда ж е деваю тся в п роц ессе грави тационного коллап са звезды эти
образовавш иеся элем енты ? У белы х карли ков образуется вы рож ден ны й электронн ы й
газ, а у п ульсаров — вы рож денн ы й нейтрон н ы й газ, а в коллапсирую щ ей черн ой
ды ре все, в том чи сле вся бари он н ая м атерия, превращ ается в одну един ствен ную
грави тационную м ассу в си н гулярн ости. С ледовательно, черн ая ды ра — ды ра
преобразован и я бари он ной м атери и в «тем ную м атери ю » как гравитационную м ассу
«тем н ой м атери и ». Э то — во-первы х. А во-вторы х, черная ды ра есть ды ра
топ ологически х ручек
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
276
276
туннели рован и я м акрограви таци и в м икрогравитац и ю : си н гулярн ость — сф ера
преобразован и я м акрограви таци и в м икрограви тацию , т. е. квантовую гравитацию ,
«м икротем ную м атерию ».
П ри рассм отрени и эволю ц и и звезд н ас и н тересует ф илософ ская п роблем а
соотн ош ения бари он н ой м атерии и «тем ной м атерии »: возм ож ности барион н ой
м атерии, проти водей ствую щ ие гравитационном у сж ати ю «тем ной м атерии», не
безграни чн ы . О ни ограничен ы .
М ы уж е отм етили, что как только кон чатся в н едрах С олн ц а терм оядерн ы е
реакции как процессы бари он н ого вн утрен н его давлени я, п ревращ ен и е н аш его
С олнца в коллап си рую щ ее тело станет делом н ескольки х м и н ут (т. е. около 20
м и н ут).
И н ы м и словам и, ж и зн ь звезды — это равн овесие м еж ду вн утренн и м давлени ем
звезды , создан н ы м бари он н ой м атери ей, и внеш н и м гравитационн ы м сж ати ем ,
определяем ы м си лой «тем н ой м атери и »: как только силы барионной м атери и
исчерп аю т себя, м ом ен тальн о н аступ ает грави тационн ы й коллапс как
катастроф ическое грави таци он н ое сж атие. П оэтом у возм ож ности бари он н ой м атери и
как ядерн о-субъядерной энерги и н е безграничны : они кон ечны .
«Т ем ная м атерия» как всеп рон и каю щ ая си ла грави таци и — сила, дей ствую щ ая
на всех уровнях структурн ой органи зац и и м атери и (м и кро -, м акро-, косм оуровн ях) и
си ла, которая п ронизы вает всякое явлен и е, объ ект, тело: все сущ ее прони зано и
прони зы вается тяготен и ем , в том числе и преж де всего пространство -врем я. Н и что во
В селенной н е свободно от «тем ной м атери и » как силы тяготен и я, в том числе и луч
света: в н ью тоновой теори и тяготен и я луч света не подчиняется закон ам тяготени я, а
в О Т О и луч света п одчиняется законам си лы тяготения. И м енно п оэтом у си ла
тяготени я, пронизы вая всю структуру пространства-врем ен и , определяет его
геом етри ю как н ауку о свой ствах и отн ош ени ях м еж ду н и м и, а такж е о тех
вели чи н ах, в которы х н аходят свое чи сленн ое значен и е эти свой ства и отн ош ения
простран ства-врем ен и : тяготен и е как «тем ная м атерия» обуславли вает все
внутрен н и е свойства и отн ош ения геом етри и структуры простран ства-врем ени, ее
искривлени я: реальн ое, ф изическое п ространство -врем я всю ду и везде во В селен н ой
искривлено. Н ет п лоского п ространства-врем ен и во В селенной. О но везде и всю ду
искривлено, сверн уто, закручено, ш топ оризовано, ком пактиф и ц и ровано в
зави сим ости от силы тяготени я во В селенн ой .
О т тяготения как си лы «тем ной м атери и » н е м огут бы ть свободн ы ни
ф и зи ческая реальн ость, ни ф и зический вакуум , ни ф и зи ческая виртуальность: все
сущ ее покорн о си ле тяготени я.
П роблем а эволю ции звезды и н тересн а в ф и лософ ском план е: она п оказы вает
ф и лософ и ю бы тия м атерии , ради кального и зм ен ен и я наш и х представлен и й об
изм ен ени ях геом етри и структуры простран ства-врем ен и в зави сим ости от характера
дви ж ущ ей ся м атери и .
Ч то значи т белы е карли ки и пульсары ? Б елы е карли ки и пульсары п оказы ваю т,
насколько си льна сила «тем ной м атерии »: грави тационн ы й коллапс как
катастроф ическое п роявлени е силы «тем н ой м атерии» за счи танн ы е секун ды и
м и н уты п ревращ ает огром н ейш ие косм ические объекты с радиусам и в несколько
м и ллион ов ки лом етров в объекты с сотн ей или десятком килом етров: радиус белы х
карли ков дости гает около 10 000 км , а радиус пульсаров — н е более 10 км .
Ч то это означает для п лотн ости м атери и? Г рави таци он н ы й коллапс
осущ ествляет три ф ункц и и :
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
277
277
1. Ф ункц и ю катастроф и ческого ум ен ьш ения и сокращ ен и я разм ерности (радиуса,
объем а и т. д.) косм ического тела: косм и ческое тело м гновен н о превращ ается в
ком п актн ы й объект.
2. П оказательн а ф ункц и я катастроф ического сж атия и прессован и я п лотн ости
м атерии: у белы х карликов п лотн ость превосходи т в м и ллион ы раз п лотн ость
воды , а у пульсаров плотн ость м атери и превосходи т пл отн ость м атерии в белы х
карли ках в м и ллиарды раз. Значи т, с катастроф ическим ум еньш ени ем и
сокращ ен и ем разм ерности объекта п роисходит катастроф ическое увели чени е
плотности м атери и . А это означает катастроф и чески й рост силы тяготени я: чем
вы ш е плотности грави ти рую щ ей м атерии, тем вы ш е сила «тем н ой м атери и ».
3. Г рави тационны й коллап с как катастроф ическое грави тационн ое сж атие
косм ического объекта — катастроф и ческое изм енени е геом етри чески х свойств и
отн ош ени й структуры пространства-врем ен и : ради кальн ейш ее и зм ен ен и е
геом етри и структуры п ростран ства-врем ен и связано и определяется
катастроф ическим увели чен и ем плотности м атери и . У величен и е плотн ости
м атерии и и зм енени е геом етри и структуры п ространства-врем ен и п ри
грави тационном коллапсе — взаи м освязанн ы е, двуеди н ы е п роц ессы .
А теперь рассм отрим все эти п роблем ы ф илософ и и н а п ри м ере черн ы х ды р.
К ак м ы уж е отм ечали , кри ти ческая м асса (М
кр
) черн ы х ды р составляет 4, 5, 10,
100 и т. д. М
⊙
. Значит, в черн ы е ды ры превращ аю тся только м асси вн ы е или
сверхм ассивны е звезды , м асса которы х п ревосходи т М
⊙
в 10, 100, 1000 и даж е в
м и ллион ы раз: эти м асси вн ы е и сверхм ассивны е звезды как косм ические объекты с
ради усам и в несколько м и ллионов килом етров за счи танн ы е секунды и м инуты в
результате гравитационн ого коллап са превращ аю тся в черн ы е ды ры с радиусам и в
несколько ки лом етров. Ч ерн ы е ды ры несравни м ы с белы м и карли кам и и даж е с
пульсарам и : черны е ды ры в ф и лософ ском отнош ении спец и ф и чески е и
сам одостаточн ы е объекты во В селен н ой.
Во-первы х, черн ы е ды ры как коллап сирую щ и е есть ды ры , в которы х и счезает
бари он н ая м атери я (сгорает вся) и одна только «тем ная м атери я» осущ ествляет
грави тационны й коллап с как катастроф ическое гравитационное сж ати е м атери и
(м ассы и эн ергии) и и скривлен н ого п ростран ства-врем ени : результатом
грави тационного коллап са черной ды ры является си н гулярность как бесконечн ая
плотность м атери и и и скривленность простран ства-врем ени .
Во-вторы х, черн ы е ды ры — ды ры , в которы х происходи т тран сф орм аци я
косм ического в м и крокосм ос, т. е. м акроскопического в м и кроскопи ческое: черн ая
ды ра — ды ра тран сф орм аци и м акром ира в м и кром ир, м акрограви тац и и в
м и крогравитац и ю .
В -третьих, черн ы е ды ры — ды ры , в которы х кон сти туи руется м ир кван товой
грави тации. И м ен н о поэтом у возникает настоятельная н еобходим ость создани я
теори и квантовой грави таци и как си н теза кван товой ф и зи ки и О Т О : О Т О является
класси ческой теори ей, но н е квантовой . М ы счи таем , что в ф и лософ ском отнош ени и
грави тация как всепрони каю щ ая и универсальная сила «тем н ой м атери и » и
квантовая при рода как всеобщ ая и всекван тованная сущ ность всякой м атерии
абсолю тн о совм ести м ы : они как взаи м опрони каю щ ие и взаи м ооп ределяю щ и е
совм ести м ы . Б ари он н ая м атерия рож дает части ц ы «тем ной м атерии » (аксионы ,
м онополи и др.), а белая ды ра С ти вена Х окинга — ды ра, рож даю щ ая и з «тем ной
м атерии» части ц ы бари о н ной м атери и : кварки и леп тон ы
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
278
278
как части ц ы бари он н ой м атери и , а гравитон ы , грави ти н о и др. как части ц ы «тем ной
м атерии» излучаю тся и испаряю тся черн ой ды рой через белую ды ру.
Н о п реж де чем рассм отреть п роцесс С ти вен а Х оки нга как п роцесс излучения
черн ой ды рой части ц (ф отоны , кварки, леп тон ы , грави тон ы , гравити н о и т. д.), нам
кратко необходи м о остановиться н а закон ах ф и зи ки черны х ды р, а затем н а п роблем е
ан алоги и ф и зи ки черн ы х ды р и терм одинам и ки: сущ ествует полн ая аналоги я,
тож дество м еж ду закон ам и ф и зи ки черн ы х ды р и законам и (т. е. н ачалам и)
терм одинам и ки.
1. П оскольку черны е ды ры состоят из барионной м атери и и «тем ной м атерии »,
постольку они п одчи н яю тся ф ун дам ен тальны м законам сохран ени я при роды —
энерги и , м ассы , и м пульса, углового м ом ента и электри ч еского заряда: черн ы е ды ры
как коллапсирую щ и е и вращ аю щ иеся тела подчин яю тся преж де всего законам
сохран ени я энерги и , м ассы , им п ульса, углового м ом ен та и электрического заряда.
2. «В торой закон ф изи ки черн ы х ды р гласит, — п и ш ет Д ж . Н арли кар в своей
кн и ге «Н еистовая В селен н ая», — что н и при каком ф и зическом проц ессе сум м арн ая
площ адь п оверхн остей участвую щ их в этом процессе черн ы х ды р не м ож ет
ум ен ьш аться» (с. 88).
3. Т рети й закон ф и зики черн ы х ды р — закон гравитаци он н ой п оверхности
черн ы х ды р, суть которого состо и т в равн ом ерн ом (т. е. одинаковом ) распределени и
си лы грави тационного взаи м одействи я во всех точках п ространственной
поверхности гори зонта собы тий черн ы х ды р.
Законы ф и зи ки черны х ды р п орази тельно п охож и н а закон ы терм один ам ики —
науки , которая устанавли вает соответстви е м еж ду тепловой энерги ей и м ехан и ческой
работой . С огласн о первом у н ачалу терм оди н ам ики , коли чество работы , соверш енн ой
теп ловой м аш и н ой , равн о п реобразован н ой в ней теп ловой эн ерги и . И наче говоря,
преобразован и е теп ловой энерги и подчин яется закону сохран ени я эн ергии. О днако
теп ловы е м аш ин ы ясн о п оказали, что такое преобразован и е невозм ож н о осущ ествить
сколь угодно эф ф ективно. П ри ходи тся м ириться с больш им и п отерям и и сходн ой
теп ловой энерги и — только незн ачи тельная часть ее переходи т в м ехани ческую
работу. П оэтом у в работах К лаузи уса, К ельвина, Б ольцм ан а и др. бы ло вы двинуто
второе н ачало терм оди н ам ики , которое назы вается эн троп и ей: эн троп и я служ и т
м ерой степ ени бесп орядка, степени хаоти ческого состояния ф и зи ческой си стем ы и ее
хаоти зац и и . С уть второго н ачала терм оди н ам и ки заклю чается в том , что эн тропия
изоли рованн ой ф и зи ческой систем ы не убы вает — в край н ем случае она м ож ет
сохран ять свое значен и е н еизм енн ы м .
Т аки м образом , сущ ествует ан алоги я м еж ду н еизм ен н остью сохран ени я
площ ади п оверхн ости черн ы х ды р, даж е в случае и звлечен и я из черны х ды р эн ергии,
и п остоян ством сохранени я эн троп и и и золированной ф изической си стем ы :
сохран ени е площ ади п оверхн ости черны х ды р и п остоян ство энтропи и
изоли рованн ой ф и зи ческой си стем ы не просто ан алогичны , но и тож дественн ы .
«Т ретий закон ф и зи ки черны х ды р гласит, — п и ш ет Д ж . Н арликар, — н и какой
кон ечн ой п оследовательностью ф и зи чески х п роцессов невозм ож но обратить
поверхностн ую грави тац ию черной ды ры в нуль» (с. 92).
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
279
279
Э то аналог третьего начала терм один ам ики , в котором утверж дается, что
никакой конечн ой последовательностью ф и зических п роц ессов н евозм ож но дости чь
абсолю тн ого нуля тем ператур.
Значит, в ф изике черн ы х ды р им еется ан алог тем пературы в терм одинам и ке:
эти м ан алогом тем пературы является п оверхн остн ая гравитация — вели чи н а,
показы ваю щ ая, насколько велико ускорени е п робн ы х частиц п о нап равлени ю к
черн ой ды ре.
П ом и м о эн троп и и в терм одинам и ке и м еется важ ное зн ачени е ещ е одн ой
ф и зи ческой величины , а и м енн о тем пература: тем п ература служ и т количественной
(м акроскопической) м ерой степен и нагретости тела. Т ело горячее, когда атом ы и
м олекулы , и з которы х оно состоит, н аходятся в состоян и и бы строго хаотического
дви ж ени я: чем бы стрее это дви ж ени е, тем горячее тело. С тепень нагретости и
изм еряется тем пературой.
Т аки м образом , в ф и зике черн ы х ды р сущ ествует величи н а — поверхн остн ая
грави тация, — являю щ аяся аналогом тем п ературы в обы чной терм один ам ике,
которая им еет одн о и то ж е значени е п о всем у гори зонту собы тий акси ально -
си м м етри чн ой стац и он арн ой черной ды ры (аксиальн ая — си м м етри чная
отн оси тельн о оси вращ ен и я, а стационарная — н е и зм еняю щ аяся во врем ени ).
И так, ан алоги я м еж ду ф и зикой черн ы х ды р и терм оди н ам и кой становится
очеви дн ой : п лотн ость п оверхности горизон та черн ы х ды р и грает роль энтропи и ,
поверхностн ая грави таци я — роль тем пературы , а работа, соверш аем ая при
изм ен ени и углового м ом ен та или электрического заряда черной ды ры К ерра—
Н ью м ен а, аналоги чн а работе, соверш аем ой п ри изм ен ени и объем а
терм одинам и ческой си стем ы .
А н алоги я м еж ду ф и зи кой черны х ды р и терм один ам икой им еет более глубокий
см ы сл: по сущ еству в ф илософ ском аспекте вы даю щ аяся заслуга С ти вена Х окинга
заклю чается в точн ом количественн ом реш ении п роблем ы этой ан алоги и м еж ду
ф и зи кой черн ы х ды р и терм оди н ам икой .
«Ч ерны е ды ры не м огут и не сп особны и злучать», — таков бы л верди кт. А
С ти вен Х оки н г воп реки этом у верди кту поразительны м образом приш ел к обратном у
утверж ден и ю : «Ч ерн ы е ды ры п одобно абсолю тно черн ом у телу».
Э пистем ологический клю ч леж ит и м енно в реш ен и и воп роса о том , «и злучаю т
черн ы е ды ры или н ет?». Э то н е просто ри тори чески й воп рос, а глубоко
ф и лософ ский: ф акти чески этот клю ч — см ена ф ундам ен тальн ы х научн ы х паради гм
— п ереход от класси ческой О Т О к квантовой ин терпретаци и аналогии м еж ду
ф и зи кой черны х ды р и терм одинам икой: п лощ адь поверхн ости черн ы х ды р —
вели чи н а, в какой -то м ере оп ределяю щ ая м еру хаоти чн ости (он а и грает в ф и зике
черн ы х ды р роль эн троп и и ), а поверхн остн ая грави тация — вели чи н а, определяю щ ая
м еру «н агретости » черн ой ды ры (она играет в ф изике черны х ды р роль
тем пературы ). Т ерм одинам и ка н ас учи т, что н агретое тело излучает, если он о
находи тся в более холодн ой среде. И з сам ого оп ределени я черной ды ры следует
отрицательн ы й ответ: «Ч ерн ая ды ра н е м ож ет излучать». А в 1974 г. С тивен Х окин г
доказал обратн ое: «Ч ерн ая ды ра и злучает п одобн о абсолю тн о черном у телу».
И злучени е черной ды рой нельзя объясн и ть и п он ять с точки зрен и я
класси ческой ф и зи ки, в том чи сле О Т О . Н еобходим п ереход к кван товой ф изике,
точнее, кван товой грави тации.
В этом состоит вели чайш ая заслуга С ти вена Х оки н га. О н соверш ил
револю ционн ы й п роры в в и зучен и и ф изики черн ы х ды р: «черн ы е ды ры н е таки е уж
черн ы е». О ни и злучаю т как н агретое абсолю тно черное тело: весь ф илософ ски й
см ы сл этого полож ен и я С . Х оки н га состоит в откры ти и белой ды ры .
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
280
280
§ 5. В н утр ен н ее п одоби е зак он ов ф и зи к и ч ер н ы х ды р и
тер м оди н ам и к и
Х Х в. характери зуется создани ем трех вели ки х теори й — специ альн ой теори и
отн оси тельн ости, общ ей теори и отн осительн ости и кван товой м ехан и ки. С п ом ощ ью
эти х зам ечательны х теори й м ы описы ваем ф акти чески всю ф и зи ческую реальн ость:
эти три велики е теори и даю т н ам всю сум м у н аш их знан и й о ф и зи ческом м ире.
К вантовая м ехан и ка, благодаря гению П оля Д и рака, состы ковалась со сп еци альной
теори ей относительн ости: реляти ви стская кван товая ф и зи ка дает н ам представлен и е
о м и ре м и крочасти ц , дви ж ущ ихся со скоростям и , п ри ближ аю щ и м ися к скорости
света.
А общ ая теори я отн оси тельности — еди н ствен н ая теория, опи сы ваю щ ая всю
В селенную в ц елом , ее строен и е в круп н озерн и сты х образовани ях, структуру и ее
эволю ц и ю . О дн ако общ ая теори я отн оси тельн ости бы ла, п о словам С ти вена Х окин га,
в загон е п очти п ятьдесят лет, и к н ей интерес ф и зи кам и бы л проявлен в результате
накоплени я астроф и зи ческих и косм ологи чески х н еобы чн ы х явлени й . К эти м
необы чны м наблю даем ы м ф актам косм ологи и и астроф изики элем ен тарны х части ц
отн осятся п реж де всего три откры ти я 60 -х гг. Х Х в.:
1. К вазары , свети м ость которы х бы ла ярче, чем светим ость целой галактики. К аков
источн и к светим ости квазаров? — воп рос, которы й волновал ф изиков и
косм ологов.
2. Н еобы чн ы м и бы ли п ульсары , которы е бы ли откры ты в 60-е гг. Х Х в.: плотность
м атерии в эти х ней трон н ы х звездах п ревы ш ала в м илли арды раз плотность
вещ ества в белы х карли ках.
3. Н акон ец , сам ы м и загадочны м и и таин ственн ы м и ф ен ом ен ам и оставались и до си х
пор остаю тся неразгадан н ы е черны е ды ры .
Д ля наглядн ого п редставлени я, в чем суть черн ы х ды р, возьм ем звезду с м ассой
в десять раз больш е м ассы солн ечн ой (М
⊙
=10
30
кг). Т акая звезда будет и м еть ради ус
в п ять раз больш е ради уса С олнца (ради ус С олн ц а равен 700 ты с. км ).
С ледовательно, звезда с м ассой в десять раз больш е М
⊙
будет им еть радиус, равн ы й
трем с п оловин ой м и ллионам килом етров. Ч тобы с п оверхн ости такой звезды
вы стрелен н ы й из п уш ки снаряд п оки н ул ее, н еобходи м о разви ть скорость в 1 000
км /с. А если в результате гравитац и он н ого коллапса звезда с м ассой в десять раз
больш е м ассы солн ечн ой и радиусом в 3,5 м лн км сож м ется до 30 км , то для
удален и я с ее п оверхн ости вы стреленн ого сн аряда ем у н еобходи м о развить скорость,
равн ую скорости света. П оскольку ни что не м ож ет развить скорость больш ую , чем
скорость света, то ничто (в том числе и свет) н е м ож ет п окин уть черн ую ды ру: о
черн ой ды ре н е м ож ем им еть ни какой и н ф орм ац и и н и о чем .
П оэтом у коллап сированн ая звезда н азы вается черн ой ды рой: из черн ы х ды р
ничто н е м ож ет вы й ти и н е м ож ет поки н уть и х. «В результате пол учается черн ая
ды ра, — п и ш ет С ти вен Х оки н г в своей работе «Ч ерны е ды ры и м олоды е В селен ны е»
(С ан кт-П етербург, 2001. С . 115), — область пространства-врем ен и , откуда ни что не
м ож ет улететь в бескон ечн ость. Г раница черн ой ды ры н азы вается гори зонтом
собы ти й . О н соответствует ф рон ту тех световы х волн от звезды , которы м не удалось
улететь в бесконечн ость, н о которы е и не упали обратн о, а п арят в ради усе
Ш варцш ильда: 2Q•M/c, где Q — нью тон ова грави тационн ая кон станта, Μ — м асса
звезды , а с — скорость света. Д ля звезды прим ерн о в десять м асс С олн ц а радиус
Ш варцш ильда составляет 30 км ».