ruen

Черная дыра

Чёрная дыра - гравитационная сингулярность: продукт гравитационного коллапса, неостановимого сжатия тяготеющей массы под нескомпенсированным действием собственной гравитации. В нормальных условиях наблюдения чёрная дыра представлена астрономическими объектами. Высказываются неподтвержденные предположения о существовании микроскопических (квантовых) чёрных дыр.

Принципы

  1. Существование чёрных дыр возможно, потому что механизм образования чёрной дыры вполне физичен, т.е. реален. Чёрная дыра способна образоваться в результате имплозивного взрыва звезды, никаких физических запретов для этого нет. Нужна лишь мощность взрыва, достаточная для сжатия вещества ядра звезды до плотности, при которой гравитационное притягивание нейтронов превысит отталкивающую составляющую сильного ядерного взаимодействия. Под действием этого притягивания начинается коллапс, вещество звезды неостановимо падает внутрь себя, чёрная дыра возникла. Сказанное означает, что чёрные дыры существуют: во Вселенной наблюдаются взрывы требуемой мощности.
  2. Но свободное неостановимое падение вещества внутрь себя сталкивается с СТО: скорость падения не может возрастать бесконечно, она только асимптотически приближается к максимальной скорости (скорости света в вакууме). Теоретический радиус сферы при данной массе, при котором падающее в себя вещество достигло бы максимальной скорости, обозначает т.н. горизонт событий. Но физически никакого горизонта событий нет: никакое вещество достигнуть его, а тем более "упасть за него" не может, это противоречило бы СТО. Т.е. чёрная дыра в традиционном понимании не существует, реальные чёрные дыры - это только бесконечное приближение к тому понятию, которое сейчас обозначается этим термином. В реальности всё упавшее в чёрную дыру вещество всегда находится за пределами горизонта событий, хоть и движется в его направлении. Чёрная дыра представляет собой физическую (неидеальную) сингулярность, стремящуюся к математической (идеальной).
  3. С точки зрения стороннего наблюдателя объект, падающий в чёрную дыру, будет бесконечно приближаться к горизонту событий, но никогда его не достигнет. Наблюдаемое падение будет замедляться из-за релятивистского замедления времени в локальной напряжённости гравитационного поля, бесконечно растущей по мере приближения к горизонту событий.

    Следует иметь в виду, что вблизи горизонта событий закон обратных квадратов, имманентный неискажённому трёхмерному пространству, корректируется искажением пространства. По мере приближения к горизонту событий локальная напряжённость поля растёт быстрее, чем определяется этим законом, и становится бесконечной на самом горизонте событий.

  4. Помимо горизонта событий для чёрной дыры характерен внешний по отношению к нему горизонт, на уровне которого гравитация начинает превосходить сильное отталкивание: горизонт коллапса.
  5. Для пространства между горизонтом коллапса и горизонтом событий вторая космическая скорость конечна и меньше максимальной: находящееся в этом пространстве вещество вполне может быть разогнано энергией происходящих там процессов до скоростей, превышающих вторую космическую, и выйти за пределы горизонта коллапса. Тем более свободно выходят за его пределы безмассовые элементарные частицы, образующие излучение.
  6. Специфические эффекты чёрной дыры проявляются и над горизонтом коллапса, и под ним. Чем ближе к горизонту событий, тем более низкоуровневыми основами физики (см. Слои реальности) определяется их характер, так что в пределе, на уровне горизонта событий, чёрная дыра упрощается до информационного континуума.

    Таким образом, выше горизонта событий образуется концентрическая слоистая структура:

    Чёрная дыра

    Разумеется, на рисунке структура чёрной дыры показана схематично. В реальности толщина слоёв различна, уменьшаясь от периферии к центру, границы между слоями размыты, а вращение придаёт чёрной дыре имеют форму эллипсоида.

    Структура чёрной дыры, в направлении снаружи внутрь:

    1. Свободное падение вещества. Чёрную дыру окружает открытое пространство, в котором вещество падает в чёрную дыру под действием её тяготения.

      В случае, когда уже упавшее в чёрную дыру вещество обладает ненулевым суммарным моментом вращения (то есть практически всегда), она вращается. Неравномерности плотности её тела, вращаясь вместе с ней, своими вариациями гравитационного поля вызывают в окружающем чёрную дыру веществе силы, стягивающие его в экваториальную плоскость. Так образуется аккреционный диск. Чем быстрее вращается чёрная дыра, тем плотнее, тоньше и обширнее аккреционный диск.

      По тому же принципу неравномерности гравитационного поля звезды стягивают её планеты в экваториальную плоскость эклиптики, а планеты стягивают свои спутники и кольца в свои экваториальные плоскости. Да и плоская форма спиральной галактики определяется тем же влиянием вращения центральной чёрной дыры. Точнее, форма вообще любой галактики определяется вращением её центральной чёрной дыры: чем быстрее это вращение, тем более плоскую форму имеет галактика.

    2. Приливная деструктуризация. По мере приближения к чёрной дыре, её относительно компактные размеры при мощном гравитационном поле приводят к значимому росту градиента напряжённости гравитации на расстояниях, сравнимых с размерами структур вещества. На некоторой высоте разница в притягивании отдельных фрагментов достигает величин, преодолевающих межмолекулярное кулоновское притягивание в веществе. Структурированное вещество начинает разрушаться приливными силами до отдельных молекул.
    3. Механическая деструктуризация. Вещество падает в чёрную дыру не вертикально, а по туго закрученной спирали. Вертикально оно могло бы упасть только в идеальном случае, если бы падало строго по линии, проходящей через центр чёрной дыры, что в реальности невозможно, поскольку центр представляет собой математическую точку. В реальности всегда есть отклонение от вертикали, и поэтому падение переходит в спиральную траекторию. Чем ближе к горизонту событий, тем плотнее витки спирали. В пределе, на горизонте событий, расстояние между соседними витками стало бы строго нулевым, но до этого момента (запретного по СТО) дело не доходит: задолго до того вещество соседних витков начинает взаимодействовать друг с другом. Более быстрый внутренний виток соударяется с медленным внешним. Сначала, вдалеке от горизонта событий, энергии этих столкновений хватает только на дальнейшее разрушение и измельчение структуры вещества, уже разорванного приливными силами.
    4. Расщепление молекул. При продвижении вглубь взаимодействие спирально движущегося вещества становится столь интенсивным, что его энергии начинает хватать для распада молекул на атомы.
    5. Ионизация атомов начинается ещё на высотах расщепления молекул, но в более глубоком слое быстрое относительное движение атомов в крайней близости друг от друга приводит к полному срыву электронных оболочек. Всё вещество превращается в плазму.
    6. Ядерное расщепление. Дальше вглубь энергия соударений только растёт, и её начинает хватать для реакций деления ядер при их столкновениях. Возникают цепные реакции, происходит непрерывный "ядерный взрыв".
    7. Ядерный синтез. Ещё глубже энергии столкновений начинает хватать для реакций синтеза, причём чем глубже, тем энергия взаимодействия выше, и тем более тяжёлые элементы образуются в результате этих реакций. На глубине этого слоя формируется весь спектр элементов периодической таблицы. Именно чёрным дырам, а главным образом центральной чёрной дыре, галактика обязана всем разнообразием своей химии.

      Продукты ядерных реакций распада и синтеза выбрасываются из чёрной дыры в окружающее её пространство, поскольку выделение энергии при этих реакциях разгоняет часть их до скоростей, превышающих вторую космическую скорость на этой высоте над горизонтом событий.

      Во вращающейся чёрной дыре выброс продуктов происходит преимущественно в её полярных областях. Вращение оттягивает тяготеющую массу к её экваториальной области, в результате чего у полюсов вторая космическая скорость оказывается существенно меньше. При быстром вращении разница становится настолько велика, что выбрасываемое вещество образует джеты, тем более выраженные, чем быстрее вращение. Для излучения, порождённого реакциями, этот эффект практически безразличен, поэтому чёрная дыра наблюдается ярко светящейся во всех направлениях.

      Выпуклое гало, наблюдаемое над плоскостью спиральных галактик - это главным образом подсвеченные звездами продукты реакций центральной чёрной дыры, выброшенные в пространство поперечно плоскости галактики. Они постепенно оседают на тело галактики, чтобы принять участие в образовании составляющих галактику астрофизических объектов.

    8. Свободные нейтроны. В нижележащем слое плотность падающего вещества становится настолько высокой, что электроны и протоны уж не могут избегать встреч, соединяются и превращаются в нейтроны. Всё вещество становится массой свободных нейтронов. Это было бы похоже на нейтронную звезду, если бы не нижележащая тяготеющая масса. Она заставляет нейтронное вещество продолжать обрушиваться внутрь чёрной дыры.
    9. Горизонт коллапса. На этой границе гравитационное притягивание нейтронов между собой начинает превышать действующее между ними сильное ядерное отталкивание. Падение вещества внутрь чёрной дыры становится неостановимым, но по-прежнему верхняя часть спектра энергий нейтронов выбрасывает некоторую их часть за пределы чёрной дыры.

      Вообще, выброс вещества происходит со всех горизонтов чёрной дыры. Все они лежат выше горизонта событий. На всех имеют место процессы, энергетика которых, будучи обусловлена гравитацией, близка к той, которая должна дать вторую космическую скорость для этого горизонта. Уместна аналогия с мячом, бросаемым с высоты: он подскакивает почти на ту же высоту, с которой был сброшен. Нужна лишь небольшая добавка энергии, чтобы мяч поднялся выше точки сброса. Такую добавку дают, например, ядерные реакции на горизонтах ядерного расщепления и синтеза.

    10. Кварк-глюонная плазма. Дальнейшее падение вещества внутрь сжимающегося поля тяготения разрушает наконец и нейтроны. Вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Это уже не совсем вещество, поскольку кварки в существенной части проявляют себя как понятия, а не как экземпляры.

      Но и с этого уровня выброс вещества наружу чёрной дыры по-прежнему имеет место. Разумеется, выйдя из зоны кварк-глюонной плазмы, кварки немедленно связываются конфайнментом в адроны, образуя "новое" вещество. Оно самое информационно чистое из всего, что выбрасывается чёрной дырой, так как несёт минимальную информацию о своём состоянии, предшествовавшем падению в неё. В джетах чёрной дыры из такого вещества рождаются "молодые" звёзды. Излучение, выходящее с этого уровня, имеет практически идеальный спектр абсолютно чёрного тела.

      При этом продукты, выброшенные с вышележащих слоёв, в большей мере нагружены предварительной информацией (с чем более высокого слоя, тем больше). Благодаря этому, несмотря на омолаживающее действие центральной чёрной дыры, галактика длительное время сохраняет харакетрную для неё специфику химизма.

    11. Свободные понятия. Наконец, в нижнем слое, почти на горизонте событий, где время почти стоит, а напряжённость гравитационного поля стремится к бесконечности, теряют свою структуру и кварки. На этом уровне существуют только понятия. Чуть повыше - более сложные. Ключевую роль среди них имеют понятия массы, направления, расстояния: именно они создает ту гравитацию, которая формирует вышележащие уровни чёрной дыры. Ниже и они утрачивают смысл, уступая место самым простейшим, базовым понятиям сложностной иерархии Вселенной.

      И это принципиально важно: физические понятия не присутствуют на горизонте событий, к ним не применяются эффекты сингулярности, оперирующие бесконечностями. Благодаря этому чёрная дыра остаётся реальным физическим объектом, а не математической абстракцией, на моделирование которой, плодя фикции и аперцепции, тратят время и силы исследователи в эпоху Большого тупика.

    12. Горизонт событий - это уровень, на котором упрощение понятий достигает абсолюта. Никакое понятие больше не имеет смысла, то есть не несёт информации. Информация отсутствует (информационный континуум), время отсутствует (стоит), пространство отсутствует (представлено математической точкой)

      Как уже сказано, для внешнего наблюдателя горизонт событий представляется сферой, на поверхности которой скорость падающего в чёрную дыру вещества достигла бы максимальной, определённой в СТО.

      Людьми несведущими, а иногда и специалистами задаётся вопрос: что находится внутри чёрной дыры. (Например, специалисты в теории суперструн (фиктивной) рассматривают струну, находящуюся внутри этой сферы, концы которой время от времени выглядывают за её пределы.) Этот вопрос бессмыслен. Никакого "внутри" у этой сферы нет. Только пространство может вмещать в себя что-либо, а оно, будучи искривлённым гравитацией, просто огибает этот наблюдаемый несуществующий объём. Если провести через чёрную дыру обычную абстрактную геометрическую прямую линию, то создастся впечатление, что прямая прошла насквозь. Но при ближайшем рассмотрении выяснится, что на подходе к горизонту событий прямая изогнулась и обошла горизонт событий снаружи. Так она осталась геометрической прямой в пространстве, искаженном чёрной дырой.

      Наблюдатель, падающий в чёрную дыру (если бы он сохранял изначальную способность к восприятию), этот объём не наблюдает, так как находится в топологии искривлённого пространства. Для него горизонт событий - просто математическая точка в центре чёрной дыры. Точнее, поскольку наблюдатель всегда находится снаружи горизонта событий, и, значит, частично остаётся сторонним наблюдателем, для него это всё-таки сфера. Но она бесконечно уменьшается (стремится к точке) по мере приближения наблюдателя к центру.

      Если же рассуждать совсем строго, и считать, что изначальное восприятие наблюдателя не сохраняется, а вписано в пространство, то есть искривление пространства влияет на него в естественной мере, то сколько бы наблюдатель ни падал внутрь чёрной дыры, он будет наблюдать горизонт событий постоянно как сферу того же самого относительного размера, какой он видел её, когда был сторонним наблюдателем. Зрительно это выглядело бы просто как отсутствие приближения к этой сфере.

Следствия

  1. Центральная чёрная дыра обязательно присутствует во всех галактиках: это принципиальный образующий элемент галактики. Центральная чёрная дыра обеспечивает галактику "чистой" энергией (излучение абсолютно чёрного тела), "молодым", очищенным от информации веществом, необходимым для нового звездообразования, а также частично "старым" веществом, сохраняющим преемственность специфики химии галактики. Центральная чёрная дыра также является основой формообразования галактики: чем выше её момент вращения, тем более выраженную плоскую спиральную структуру имеет галактика.
  2. Чёрная дыра не вечна: она живет только до тех пор, пока есть подпитка веществом извне. Если лишить чёрную дыру этой подпитки, через какое-то время продукты её внутренних процессов, преодолевшие вторую космическую скорость, вынесут за её пределы такое количество вещества и энергии, что гравитационных сил окажется более недостаточно для удержания состояния коллапса. Оставшиеся вещество и энергия рассеются. Такие события фиксируются в астрономии как беспрецедентно мощные гамма-вспышки. Но с точки зрения внешнего наблюдателя реальный срок жизни такой "голодной" чёрной дыры может оказаться значительным: надо помнить про релятивистское замедление времени в областях, близких к горизонту событий. Между падением вещества в эти области и выносом продуктов его "переработки" для внешнего наблюдателя может пройти много времени.
  3. Микроскопические (квантовые) чёрные дыры не существуют. На микроуровне нет ничего, что давало бы физические основы для их существования, равнозначные вышеописанным.
  4. "Белые" дыры не существуют. Физика, зеркальная вышеописанной, невозможна.
  5. "Червоточины" через чёрные дыры не существуют. Вышеописанная физика не имеет с идеей червоточин ничего общего. Путешествия через Вселенную по червоточинам - это ненаучная фантастика.
  6. "Испарения" чёрных дыр не существует. Это умозрительная идея, в основе которой лежит представление о некотором нереальном абстрактном объекте.
версия 4 от 29.08.2017 21:13 msk (актуальная); архивные версии: 1 2 3
 © 2017 inftoe@outlook.com