Черные дыры. Энтропия всегда возрастает. Энергия всегда деградирует.
Когда в звезде перестают осуществляться реакции термоядерного синтеза, под действием сил гравитации, она начинает сжиматься в белый карлик. Чтобы покинуть белый карлик, объекту надо иметь скорость 6400 км/с (2% от световой скорости).
*Первая космическая скорость - это скорость, которую нужно придать телу, чтобы вывести его на орбиту = 8 км\с. Вторая космическая скорость, или скорость убегания, ее хватает на вывод объекта на вечноудалящуюся траекторию = 11, 2 км\с.
Максимальная масса не вращающихся белых карликов равна 1,4 массы Солнца - эту величину получил в 1931 году Субраманьян Чандрасекар, в честь которого и назван был предел. Если звезда превышает эту массу, под силой гравитации, которая вдавливает электроны в ядро (не смотря на запрет Паули), звезда коллапсирует в нейтронную. Или взрывается в сверхновую. Предположительно, ядра нейтронных звезд состоят из нейтрония – настолько плотного элемента, что его масса объемом с кусок рафинада будет равна массе всех людей вместе взятых. Для того, чтобы покинуть нейтронную звезду скорость объекта должна уже составлять 80% от световой. Быстро вращающиеся нейтронные звезды с сильным магнитным полем называются пульсарами. Дальше идет по плотности только сингулярность.
Однако, расчеты не были приняты научным сообществом, и Чандрасекар занялся проблемами вычисления дальше, скрупулезно изучая уравнения Шварцшильда. (Радиус Шварцшильда – это горизонт событий. Шварцшильд первым пришел к выводу о формировании вокруг умирающей звезды поля, которое ничто, даже свет, покинуть не может. Он писал об этом Эйнштейну, но в то военное время, на это не было обращено достаточно пристальное внимание. Радиус Шварцшильда напрямую зависит от массы звезды, сколлапсировавшей в ЧД. ЧД с массой Земли, будет иметь размеры с грецкий орех, с массой Солнца – радиус 3 км).
1 сентября 1939 года Оппенгеймер и Снайдер опубликовали статью про свои исследования в области черных дыр в физикал ревью (в выпуске которого, значилась так же статья Нильса Бора и Джона Уилера о возможности создания контролируемой цепной реакции ядерного распада). Поскольку, вскоре Европу захлестнула война, Оппенгеймер переключился с исследования черных дыр на создание манхэттенского проекта.
Чем больше черная дыра - тем меньшее воздействие приливных сил вы чувствуете, приближаясь к горизонту событий. Все потому, что горизонт большой дыры настолько велик, что будет казаться почти плоским - гравитационное поле будет очень сильным, но практически однородным.
Чем меньше черная дыра, тем она горячее (температура - это прирост энергии системы при добавлении одного бита энтропии). Микроскопические черные дыры испаряются за крайне малый промежуток времени за счет своей высочайшей температуры. К тому моменту, когда ее масса становится с большой валун, температура вырастает до миллиарда миллиардов градусов. А при достижении планковской массы температура поднимается до 10 *32 градусов. Единственное место и время, когда во Вселенной могла быть подобная температура - это самое начало Большого Взрыва. Самые холодные места во вселенной раскалены до целых трех градусов выше температуры абсолютного нуля, в то время как самая теплая ЧД в сотни миллионов градусов холоднее.
ЧД не только заставляют своих партнеров двигаться по кругу, они их полностью разрушают. Материя, попавшая в гравитационное поле ЧД, приобретает скорость, близкую к световой, при этом конденсируясь и увеличивая свою температуру. А по мере того как материя смешивается и соударяется, нагреваясь, и падает на ЧД (этот процесс называют аккрецией), она испускает энергию. Аккреция вблизи горизонта Шварцшильда столь сильна, что может высвобождать до 10 % энергии массы покоя. Это настолько потрясающее количество, что данный процесс генерации энергии можно считать самым производительным во Вселенной. Огромное гравитационное притяжение должно «срывать» с верхних слоев обычной звезды весь газ, параллельно выделяя фантастическое количество рентгеновского излучения.
Квантовая физика допускает создание из вакуума пар частица-античастица. В обычных обстоятельствах эти частицы возникают, затем очень быстро сталкиваются друг с другом и аннигилируют, полностью исчезая. Но рядом с горизонтом событий, по расчетам Хокинга, должна была возникать другая ситуация: некоторые античастицы могли бы всасываться черной дырой, в то время как частицы этот процесс не затрагивал. Это происходило бы снова и снова, и по мере всасывания античастиц, черная дыра начала бы медленно, но верно испускать поток энергетических частиц. Хокинг детально рассчитал, что произойдет в случае частиц без массы, например фотонов. Фотоны под воздействием гравитации, теряют энергию. По мере удаления от горизонта событий запасы энергии гамма-излучения настолько истощаются, что волна превращается в очень малоэнергичную радиоволну. Оказалось, что для удаленного наблюдателя черная дыра будет светиться с крайне низкой яркостью, как очень тусклая звезда. И, как звезде, ей можно сопоставить температуру. А если есть температура – есть и испарение. Согласно Хокингу, черная дыра хоть и не растет, информацию она заглатывает безо всяких ограничений. Есть предельное число битов, которое может содержать ЧД, этот предел и есть энтропия ЧД.
Согласно струнной теории, на горизонте ЧД струны могут перекручиваться, иногда до такого состояния, что скрученный жгут в виде фотонов, гравитонов или любой другой частицы отрывается от браны. Тогда и происходит испарение. Это место называется Растянутым горизонтом – тонким слоем на горизонте событий, имеющим колоссально высокую температуру (сама дыра очень холодная).
Некоторые системы имеют такое состояние, когда даже вся возможная энергия отведена, есть возможность еще большей реорганизации, причем без добавления дополнительной энергии в систему. Такие системы называют вырожденное состояние. Примером такого состояния являются экстремальные ЧД.
Теория струн.
Струны, обладая разными колебательными модами, способны вести себя как фотоны или как гравитоны. Это хорошая новость. Они могут делать это только в 26-мерном пространстве. Это плохая новость.
Все адроны подразделяются на три семейства: барионы, мезоны и глюболы.
Наиболее известными адронами являются нуклоны - обычные протоны и нейтроны. Они принадлежат к первому семейству - барионам.
Все барионы состоят из трёх кварков. Кварки соединяются друг с другом, как предполагается, тремя струнами на манер боласа гаучо: три струны соединены концами в центре, а к свободным концам прикреплены три кварка (как трехконечная звезда). Сам факт, что нуклон может вращаться говорит о том, что он – не точечная частица, и поскольку он не разваливается во время вращения, то его удерживает что то гораздо более сильное, чем слабое ядерное взаимодействие. Во время вращения нуклон растягивается, не как блин, а как струна – это экспериментально доказанный факт. Так же могут растягиваться все адроны. Глюоны (glue) – это тот самый липкий материал, который образует струны и не дает кваркам разлететься. По сути, глюоны – маленькие кусочки струны, имеющие на одном конце струны знак + , а на другом -, как маленькие магниты.
Мезоны – простейшие адроны, имеет строение: один кварк – один антикварк, соединенный липкой струной. Мезон может вертеться, крутиться, вибрировать, изгибаться и складываться разным способом. Он – пример открытой струны.
Барион представляет собой три струны, соединённые «звездой», мезон - одну открытую струну, но что такое глюбол? Начнём с цепочки танцоров. Допустим, танцоры, двигаясь в своём сложном танце, изогнули цепочку так, что два крайних танцора оказались рядом друг с другом. Не понимая, что они принадлежат к одной и той же цепочке, они могут взяться за руки. В результате получается замкнутый круг танцоров без свободных концов. То же самое может произойти и с колеблющимся мезоном. Предположим, что в процессе колебаний и вращений концы мезонной струны случайно оказались друг возле друга. В результате получается глюбол: замкнутая струна, не имеющая на своих концах кварков. Большинство мезонов и барионов было известно задолго до создания теории струн, но глюболы были предсказаны ею, так сказать, с чистого листа. Замкнутая струна представляет собой круг или овал. В процессе ее вибрации, у нее может возникнуть ушко, которое при дальнейшей вибрации отделяется, образуя дочернюю струну. Маленькая струна может слиться с большой. Открытые струны ведут себя как фотоны, но наибольшим сюрпризом оказалось то, что замкнутые глюболы ведут себя точно так же, как в теории должны вести себя гравитоны. Гравитоны представляют собой небольшие замкнутые струнные кольца, роящиеся вокруг более крупных струн и образующие конденсат из поля гравитации.
Чем больше вращается и вибрирует струна – тем больше ее энергия, а соответственно и масса.
Фундаментальная Струна очень прочна, что в мире обычной материи по крепости ее не с чем сравнить. Для того, чтобы удерживать частицы на расстоянии порядка планковской длины, струна должна быть примерно в 1040 раз сильнее, чем адронная струна. Одна-единственная струна была бы способна выдержать вес всей нашей Галактики, если мы могли бы каким-то образом сумели сосредоточить всю массу Галактики вблизи поверхности Земли.
Энергия к струнам может добавляться только дискретными, неделимыми порциями, переход на другой энергетический уровень может быть осуществлен только квантовым скачком.
Первоначальной целью теории было описание адронов, и ничего больше. Электроны, фотоны и гравитоны оставались точечными частицами. Многолетние эксперименты убеждали нас, что если электроны и фотоны и имели какие-то размеры, то были гораздо меньше адронов. За 35 лет, прошедших со времени создания теории струн, струнная природа адронов стала хорошо проверенным экспериментальным фактом.
Итак, мы имеем: хорошую новость, плохую новость и очень плохую новость. Струны, обладая разными колебательными модами, способны вести себя как фотоны или как гравитоны. Это хорошая новость. Они могут делать это только в 26-мерном пространстве. Это плохая новость. Кроме того, существуют колебательные моды, приводящие к мнимым массам и превращающие струны в тахионы, которые привносят в теорию нестабильность.
Исходная, самая первая теория струн, которую разработали Сасскинд с Намбу, называется теорией бозонных струн, потому что все описываемые ею частицы являются бозонами. Она не вполне подходит для описания адронов, ведь, в конце концов, протон - это фермион. Точно так же она не годится и на роль теории всего. Электроны, нейтрино, кварки - все являются фермионами. Но прошло совсем немного времени, и появилась новая версия теории струн, которая уже содержала не только бозоны, но и фермионы. И одним из замечательных математических свойств этой так называемой теории суперструн была суперсимметрия - симметрия между бозонами и фермионами, требующая, чтобы у каждого фермиона существовал близнец-бозон, обладающий точно такими же свойствами, и наоборот. Переход к суперструнам позволяет излечить теорию от тахионов, а заодно снизить количество необходимых измерений с 26 до 10 (шесть дополнительных измерений появились для упрощения математических расчетов). К тому же суперструны допускают новый тип колебательных мод, заставляющий их вести себя как электроны. Все суперпартнёры имеют названия, похожие на названия их обычных близнецов. Если обычная частица является бозоном, например фотоном или бозоном Хиггса, то название её суперпартнёра образуется добавлением суффикса «ино». Например, фотино, хигсино или глюино. Если же исходная частица является фермионом, то название суперпартнёра образуется добавлением приставки «с», например, сэлектрон, смюон, снейтрино, скварк и т. п. Это последнее правило породило самые уродливые названия, которые только можно встретить в физике.
До сих пор не обнаружено ни одного суперпартнёра: ни суперпартнёра электрона, ни суперпартнёра фотона, ни суперпартнёра кварка. Означает ли это, что их совсем не существует и что суперсимметрия - всего лишь бесполезная математическая игра? Возможно, что и так, но это также может означать, что искажение настолько велико, что суперпартнёры слишком тяжелы и энергии современных ускорителей частиц недостаточно для их обнаружения.
Начиная с 1985 года теория струн, называемая теперь теорией суперструн, существует в пяти версиях. Две из них наряду с закрытыми (замкнутыми) струнами содержат ещё и открытые (струны с двумя свободными концами), а три другие - только замкнутые. Теория струн, чтобы быть последовательной, обязана содержать гравитоны и силы, переносчиками которых они являются. Причина проста: гравитон - это закрытая струна, легчайшая из всех возможных. Открытые струны не являются обязательными для теории, но закрытые присутствуют всегда. Предположим, что мы пытаемся создать теорию, содержащую только открытые струны. Если бы мы добились успеха, то получили бы теорию струн без гравитации. Но мы успеха не добьёмся никогда, потому что два конца открытой струны всегда могут найти друг друга и замкнуться. Обычные теории оказываются самосогласованными только при отсутствии гравитации, в то время как теории струн согласуются, только если они включают гравитацию.
В 1995 году на летнем съезде струнных теоретиков в ЛА, Эдвард Виттен, обнаружив, что все пять версий теории струн оказались решениями одной-единственной теории, предложил новое название М – теория. Существует масса домыслов о том, что означает буква «М». Вот некоторые из них: Мать, чудо (Miracle), Мембраны, Магия, мистика и Мастер. Позднее этот список пополнили ещё и Матрицы. В отличие от ранее известных пяти теорий, их новоявленная кузина не является теорией с девятью пространственными и одним временным измерением. Вместо этого М-теория оперирует уже десятью пространственными и одним временным измерением. Вместо одномерных «резинок» основными объектами М-теории являются мембраны - двумерные листы энергии, чем-то напоминающие упругие резиновые поверхности. Хорошей новостью является то, что М-теория, по-видимому, способна обеспечить объединяющий базис, в котором различные варианты теории струн появляются, когда одно или более из десяти пространственных измерений компактифицируются. Уже на следующей встрече струнных теоретиков летом 1996 года Сасскинд сообщил, что вместе с Томасом Бэнксом, Вилли Фишером, Стивеном Шенкером, они обнаружили, что основными сущностями М-теории были не мембраны, а более простые объекты, своего рода «партоны» нового вида. В каком-то смысле они похожи на старые партоны Фейнмана (см. кварки) - эти новые компоненты обладали удивительной способностью соединяться вместе, образуя все возможные виды объектов. Гравитон, считавшийся наиболее фундаментальной элементарной частицей, оказался собранным из многих партонов. Если же собрать партоны другим способом, получались мембраны. Собранные ещё одним способом, партоны образовывали чёрные дыры. А струны на самом деле являются очень тонкими лентами, или мембранами, которые выглядят как тонкие струны, когда координата, представляющая их ширину, компактифицируется (М-теория вообще не содержит струн. В ней есть мембраны, 5-браны и гравитоны, но не струны. Как мы видели, струны появляются только при компактификации М-теории, и даже тогда они являются не более чем предельными случаями мембран, которые становятся похожими на струны, когда размер компактифицируемого измерения становится достаточно малым).
В мире с пространственными измерениями существуют три типа объектов, которые струнные теоретики называют бранами. Самый простой из них - точечная частица. Поскольку точка не имеет размера ни в каком направлении, принято считать точку О-мерным пространством. Струнные теоретики относятся к точечной частице как к 0-бране, где О обозначает размерность объекта. На их жаргоне 0-браны, к которым прикреплены концы струн, называются DО-бранами. Струны (открытые) всегда двумя концами должны прикрепляться к бране. За 0-бранами идут 1-браны, или струны. Струна имеет протяжённость только в одном направлении. И наконец, в трёхмерном пространстве могут существовать 2-браны, или мембраны, напоминающие резиновые листы.
Единственное, что отсутствует на D-бране, - это гравитация. Так происходит из-за того, что гравитон - это замкнутая струна, не имеющая концов, а струна, не имеющая концов, не может заканчиваться на бране и, соответственно, не может на ней жить. Напротив, они свободно движутся через всё пространство. Они по-прежнему остаются переносчиками гравитационного взаимодействия между объектами, расположенными на бране, но при этом могут путешествовать через дополнительные измерения, возвращаясь затем обратно на брану (поэтому гравитация самая слабая сила из фундаментальных, поскольку гравитоны шастают между бранами).
Подобно тому, как каждая частица имеет свою античастицу, каждая брана имеет свою анти-брану. И точно так же, как частица аннигилирует, встречая свою античастицу, браны и анти-браны, встречаясь, аннигилируют с высвобождением огромного количества энергии. Анти-браны приносят в систему дополнительную энергию и делают космологическую постоянную (темную энергию) положительной (если бы темная энергия была со знаком минус, пространство бы схлопнулось).
Квантовые флуктуации являются неустранимыми даже при температуре абсолютного нуля (квантовая дрожь). Когда струна прикрепляется к D0 бране обоими концами, квантовые флуктуации вносят отрицательную величину в массу струны. То есть струна превращается в тахион. Если же рядом нет бран, к которым можно прилепиться, струна может замкнуться сама на себе, квантово дрожать, и снова иметь отрицательную массу. Тахионы проявляют нестабильность в любой точке пространства, и это явление коллективное. Тахионы подобны группе альпинистов, идущих в связке. Если один тахион теряет равновесие и начинает соскальзывать в пропасть, он увлекает за собой расположенных поблизости «товарищей». Бозон Хиггса придуман для описания тахионного конденсата. Тахионная конденсация - это термин, описывающий процесс сваливания тахионов с хребта в долину. Представим себе, что упавшие с хребта альпинисты не разбиваются насмерть, а чудесным образом спасаются и мягко приземляются в долине. Там у них «Клуб упавших альпинистов». Они устали после тяжелого восхождения и не имеют сил вскарабкаться обратно на гору. Вместо этого они всей толпой бродят вдоль склона, периодически кто-нибудь из них пытается залезть на склон, но соскальзывает обратно. Примерно так же ведут себя тахионы, сконденсировавшиеся в какой-то точке пространства-времени: квантовые флуктуации тахионного конденсата и есть бозоны Хиггса.
DО-браны взаимодействуют друг с другом еще одним способом и переносчиком этого взаимодействия являются безмассовые частицы, отличные от фотонов и гравитонов. Эти частицы называются дилатонами, и они обладают нулевым спином.
D0-браны – это две точки в пространстве, к которым цепляются концы струны (две микроскопические черные дыры). Интересно, что исторически геометрия, описывающая черную дыру (или черную брану), образованную клубком D-бран, была известна задолго до того, как теоретики поняли, что такое D-браны. Все, что нужно для описания черной браны, - это решить уравнения супергравитации, которое является низкоэнергетическим пределом теории суперструн, когда мы пренебрегаем всеми обертонами колебаний струн, за исключением безмассовых. Если взять много бран и сложить их вместе, то такая конструкция лучше всего описывается черной дырой с нулевой температурой. Сложенные одна над другой, они искривят пространство-время вокруг себя, и в их непосредственной окрестности возникнет горизонт черной дыры.
Есть одна популярная теория, называемая «петлевой гравитацией». В любом случае, даже самый известный приверженец петлевой гравитации Ли Смолин считает, что она не является истинной альтернативой теории струн, а может рассматриваться лишь как альтернативная формулировка теории струн. В любой вселенной, в которой есть гравитация, могут образовываться чёрные дыры. Смолин рассуждает о том, что может происходить внутри чёрных дыр, в частности в точке сингулярности. Он считает, что вместо коллапса пространства в точке сингулярности происходит воскрешение вселенной. Новые вселенные рождаются внутри чёрных дыр. Если это так, считает Смолин, то чёрные дыры формируются во вселенных, которые сами находятся внутри чёрных дыр, которые формируются во вселенных -и т. д.