Загадка века: можно ли выбраться из черной дыры?

Любите фантастику? Тогда вы наверняка видели или слышали о сюжетах фильмов или книг, в которых герои отправляются в черную дыру. Одни отправляются ее исследовать, другие — пытаются найти пригодные для жизни планеты неподалеку от неизведанного объекта.

Что такое черная дыра?

Ученый-астрофизик Сергей Попов отмечает, что понятие «черная дыра» не имеет единственного точного и правдоподобного определения. Каждый профессор и физик назовет близкие и понятные для себя характеристики.

Приведем несколько определений:

• Объект, максимально компактный и не демонстрирующий свойств поверхности, по мнению ученого Попова.

• Область внутри космоса, имеющая такую сильную гравитацию, что она способна захватить все вокруг, даже свет.

• Как отметил профессор Нильс Оберс, это жидкость и твердое тело одновременно.

• До 1967 года ее называли «застывшая звезда». Новое наименование предложил Джон Уилер. Он также отмечал, что у «черной дыры» нет волос. Т.е. независимо о того, как она сформировалась, и что в нее попадает — вид остается прежним.

• Стивен Хокинг сделал открытие. Это объект, который сохраняет информацию на горизонте событий. Однако от объекта сведения возвращаются в «хаотической и бесполезной форме», т.е. для практики они уже непригодны.

Итак, это объект, который способен «поглотить» внутрь себя многое: как свет, так и информацию.

Открытие «черной дыры»

Тяготение — родитель «черной дыры». Давайте вспомним И. Ньютона и его открытие.

Все подвергается действию этой силы. Другие явления связаны с необходимыми характеристиками. Т.е. действуют только на те материи, которые имеют определенные свойства. Например, магнит способен притянуть только металлические предметы (и то не все), а жидкость, золото или даже ртуть — не может.

Сила тяготения же властна над всем: будь то тяжелые или легкие частицы, или даже свет. С осознания еще Ньютоном, что массивные тела могут притягивать свет, и начались касающиеся существования «черной дыры» предположения.

Пьер-Симон Лаплас, астроном, физик, который высказал сенсационные для 18 века идеи. В 1795 году он издал книгу под названием «Изложение систем мира», где предположил следующее: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения».

Вероятно, отмечал Лаплас, это и является причиной того, что мы не имеем возможности увидеть свет самых ярких небесных тел Вселенной. Однако свои гипотезы он не доказал. Тогда немецкий астроном барон Франц Ксавер фон Цах потребовал от ученого объяснений.

Так, спустя 4 года он написал статью, в которой на основе законов Ньютона доказал свою правоту. С помощью тяготения Лаплас вывел значение величины (хорошо знакомая нам «вторая космическая скорость») на поверхности звезды. Если любому телу придать подобную скорость, то оно сможет побороть тяготение и улететь от планеты или, например, звезды в космическое пространство.

Отметим, что вторая космическая скорость для тела на Солнце равняется 617,7 км/с. Если она будет меньше заданной, то тело не справится с силами тяготения и упадет обратно к звезде или планете. Вторая космическая скорость Земли, например, составляет 11,2 км/с.

Рассуждая таким образом, Лаплас предположил, что существует тело, которое имеет на поверхности скорость выше скорости света. Поэтому свет от этого тела из-за тяготения не сможет улететь в космическое пространство, и мы не увидим светящуюся звезду. Это и есть свойство «черной дыры» — поглощать свет, делать его невидимым.

Ранее, в 1783 году, священник и геолог Джон Мичелл имел схожее обоснование характеристики невидимости света. Он определял фотоны как мельчайшие частицы. Они, по его мнению, зависимы от силы гравитации. Таким образом, резюмировал Мичелл, звезда с достаточной гравитацией может удерживать в «плену собственные фотоны».

Разразился спор между англичанами и французами об авторстве. На конференции Мартин Джон Рис из Англии доказал снимком статьи авторство Мичелла. Однако и его нельзя назвать открывателем «черной дыры».

Эйнштейн?!

В 18 веке не было теории о том, что быстрее скорости света никакой другой нет. «Обогнать свет в пустоте нельзя!» Это доказал, конечно же, Альберт Эйнштейн своей специальной теорией относительности. Один из ее постулатов звучит так: скорость света в вакууме не зависит от движения источника света или наблюдателя, одинакова во всех инерциальных системах отсчета и является предельной скоростью распространения какого-либо сигнала.

Лаплас и Мичелл были не совсем правы. Поэтому автором теории «черной дыры» можно считать и Эйнштейна. Так как его догадки были более правдоподобными.

Т.е. звезда никак не связана с внешним миром. Если из пространства свет не выходит обратно, поглощается, соответственно, оттуда ничего и не возвращается. Это и есть «черная дыра».

Эйнштейн оспорил мнение Лапласа и в следующем. Он доказал, что законы тяготения Ньютона нельзя использовать для полей с огромной силой. Так родилась общая теория относительности. «Эффекты тяготения и эффекты, возникающие при ускоренном движении, неотличимы», — гласит она.

Таким образом, «черная дыра» существует и ничего не выпускает обратно после поглощения. В 2020 году Райнхард Генцель и Андреа Гез получили Нобелевскую премию «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики». Небесное тело под названием «Стрелец А^*» является «черной дырой». Поэтому ее существование нельзя отрицать.

Загадка на века — можно выбраться или нет?

Давайте остановимся на главном и более интересном вопросе. Обратимся к ютуб-каналу Юрия Ткачева и рассмотрим, как там освещается тема «черной дыры».

«По определению: гравитация „черной дыры“ столь сильна, что для побега из нее нужно развить скорость, превышающую скорость света». Мы с вами уже знаем от Эйнштейна, что это невозможно. Согласно теории относительности и классической физике размеры «черной дыры» не ограничены, а ее уничтожение невозможно.

Однако в квантовой физике выдвигается совсем другая версия. «Виртуальные фотоны, которые, согласно представлениям квантовой физики, спонтанно рождаются из ничего и за краткие мгновения снова исчезают „в ничто“, даже в самом глубоком вакууме», — говорит Ткачев. Все мы прямо сейчас окружены виртуальным газом, который состоит из фотонов и других частиц. Они существуют недолго. Заметить их практически невозможно. Но все же способы нашли.

Например, «эффект Казимира». Его суть заключается в следующем: две гладко полированные металлические пластины помещают на близком друг от друга расстоянии. Между ними образуется слабая, но все же заметная глазу сила притяжения. Фотоны имеют электромагнитные волны, поэтому между пластинами способны образоваться только такие фотоны, длина которых целое или неполное количество раз способна вместиться в заданное расстояние. Снаружи никаких ограничений нет, соответственно, их концентрация за пределами пластин выше.

Фотоны, летящие в сторону «черной дыры» поглотятся ею, а от «дыры» — сохранятся. Она «благодаря своей гравитации нарушает симметричность рождения виртуальных фотонов». Такой процесс физики называют «поляризацией вакуума». Если мы проанализируем это согласно квантовой теории поля, то все равно придем к этому же выводу. «Окружающий „черную дыру“ вакуум под воздействием ее гравитации меняет свои свойства и начинает излучать частицы в окружающее пространство», — подытоживает Ткачев.

Подобные неполяризованные фотоны имеют энергию и существуют гораздо дольше виртуальных. Энергией их наделяет как раз предмет нашего разговора — «черная дыра». Т.е. она будет тратить свою массу на образование фотонов, а, значит, будет становиться меньше. Об этом нам свидетельствует процесс под названием «излучение Хокинга».

Сейчас «черные дыры» поглощают вещества с такой стремительной скоростью, что не успевают терять массу на энергию фотонов. Но не отрицается, что в будущем, когда количество и плотность вещества станет меньше из-за расширения Вселенной и поглощения его «черными дырами», испарение может стать главнее конденсации, и тогда всепоглощающее пространство будет уменьшаться, пока не исчезнет совсем. Пока это лишь теория, не подтвержденная практическими способами, например, наблюдением.

В 2022 году был доказан «эффект Унру», благодаря которому удалось увидеть виртуальные фотоны. Он близок к идее Хокинга. А так как один эффект доказан, значит, вероятность существования второго — высока. Для полного убеждения необходимы практические доказательства, проведение опытов.

Попав сейчас в «черную дыру», выбраться из нее невозможно. Но если дождаться уменьшения ее размеров, то можно. Время в ней буквально останавливается. «Для самого ныряльщика никакого замедления времени не произойдет, с его точки зрения, ускорится оставшаяся снаружи Вселенная, в том числе и процесс испарения», — подчеркивает Ткачев. Вместе с массой «дыры» испаряется и все ее содержимое. К тому же, мы помним определение Хокинга — информация возвращается в «хаотической и бесполезной форме», т.е. прежним ничего не остается.

Итак, мы видим, что понятие «черная дыра» до сих пор четко не сформулировано. А возможность выхода из нее имеет еще больше гипотез и теорий. Основываясь на мнениях ученых, сделаем вывод, что «черная дыра» — это пространство в космосе, которое поглощает все. Выбраться из нее невозможно. Со временем ученые могут прийти к выводу, что выход возможен. Однако останется вопрос — каким выйдет оттуда субъект, если все теряет свойства в «черной дыре»?! Пока нам остается только рассуждать на эту тему и следить за открытиями ученых.

Подготовила Александра Шипова