Автогравитационный коллапс и Вселенная
Допустим, мы имеем не вращающуюся и электрически нейтральную погасшую звезду с массой выше второго предела Чандрасекара MЧ ≈ 6·1030 кг. Согласно современным общепринятым представлениям, собственное тяготение (автогравитация) такой звезды преодолеет все известные виды сопротивления материи гравитационному сжатию, и в результате образуется "чёрная дыра" радиусом
(так называемый радиус Шварцшильда, или гравитационный радиус, или радиус горизонта событий).
Главным критерием "чернодырности" коллапсировавшей звезды служит, как известно, следующее: вторая космическая скорость на её поверхности равна скорости света. Поэтому "чёрную дыру" не может покинуть даже свет, и по этой же причине невозможно увидеть, что находится внутри её (во внутренней области её горизонта событий). Однако теория утверждает, что как только звезда становится "чёрной дырой", всё её вещество под действием собственного тяготения сжимается в центре сферы Шварцшильда в точку, образуя тем самым сингулярность, характеризующуюся нулевыми размерами и бесконечной плотностью массы Вот примерно такая точка якобы и взорвалась, образовав Вселенную…
И всё было бы хорошо и складно, если бы не одна мелочь. Внешний по отношению к "чёрной дыре" наблюдатель не сможет увидеть образование сингулярности, потому что из-под горизонта событий не может вырваться ни один фотон. Наблюдатель же внутри "чёрной дыры" также не сможет увидеть сингулярность, ибо она мгновенно поглотит его, как всякий материальный объект. По этой причине нельзя утверждать, что в центре "чёрной дыры" образуется сингулярность — это можно лишь допускать, причём совершенно безосновательно, поскольку процессы, происходящие под горизонтом событий "чёрной дыры", никем не изучены ни на практике, ни в теории, и описаны эти процессы лишь чисто гипотетически, на основе произвольных экстраполяций известных процессов, протекающих в обычных условиях. Согласно ОТО, сингулярность должна там образоваться. Почему? Да только потому, что мы не знаем процесса, способного создать бесконечно большое давление внутри "чёрной дыры" и тем самым остановить её дальнейший коллапс до точечного (сингулярного) состояния.
На самом деле всё обстоит совершенно иначе. Если мы не знаем такого процесса, это вовсе не означает, что такого процесса не может быть. Да и ниоткуда не следует, что под горизонтом событий реальной "чёрной дыры" обязательно должно быть бесконечно большое давление. Ведь, как следует из ОТО, для удалённого наблюдателя процесс автогравитационного коллапса растягивается на бесконечно долгое время, — значит, фактически ни одна массивная звезда не может стать в результате коллапса идеальной "чёрной дырой", она будет лишь бесконечно долго стремиться к этому идеальному состоянию, но никогда не достигнет его. А значит, никогда не реализуются абстрактные математические модели с бесконечно большими компонентами тензора Риччи, и уж тем более никогда не возникнет сингулярность как воплощение высшей завершённости автогравитационного коллапса. Поэтому в дальнейшем, говоря о "чёрной дыре", я всегда буду иметь в виду не идеальную "чёрную дыру", а объект, максимально приближённый к состоянию полного автогравитационного коллапса.
Поскольку извне под горизонт событий заглянуть невозможно, внутри "чёрной дыры" может твориться всё, что угодно. Известно, что вне массивного шарообразного тела (скажем, планеты) радиусом R0 со средней плотностью массы ρ напряжённость поля гравитации подчиняется закону обратных квадратов
на поверхности этого тела (R = R0)
а внутри (R < R0)
В последнем случае напряжённость гравитационного поля не зависит от радиуса объекта и определяется только расстоянием от центра до точки, в которой она вычисляется. Представим на минуту, что вещество внутри "чёрной дыры" распределено равномерно, и аналогичная зависимость справедлива и для неё. Причём зелёную прямую, отображающую изменение напряжённости гравитационного поля ниже горизонта событий, придётся провести строго вертикально (а иначе никак не соединить бесконечность с нулём). Важен вывод: если на горизонте событий такой гипотетической "чёрной дыры" напряжённость гравитационного поля бесконечно велика, то сразу же после его пересечения извне эта величина становится равной нулю. А поскольку такое возможно только в центре шара с равномерным распределением массы, то любую внутреннюю точку "чёрной дыры" с равномерно распределённой массой можно считать её центром (и такая модель "чёрной дыры" очень похожа на модель Вселенной, где также масса распределена равномерно и отсутствует центр). Получается, сингулярность как бы размазана по внутренней области сферы Шварцшильда. Так что вполне возможна модель "чёрной дыры", в которой нет сингулярности, а вещество распределено практически изотропно со средней плотностью
Предвижу возражение: но это с позиций классической теории Ньютона, а она вообще не применима к описанию "чёрных дыр", тем более под горизонтом событий!..
Согласен. Но, как было ясно показано выше, и общая теория относительности столь же не способна описывать процессы внутри "чёрной дыры", и тем не менее никто не возражает против её применения для этих целей, хотя бы просто потому, что другой теории на этот счёт пока попросту нет. А когда такая теория появится, она будет всего лишь дополнением к ОТО и теории Ньютона, а не чем-то абсолютно новым, напрочь отметающим всё старое. К идее "чёрных дыр" первым подошёл Лаплас, используя законы ньютоновской теории. Это лишь потом были произведены расчёты на основании ОТО, которая появилась на основе теории Ньютона... Да и формулу Шварцшильда для массы и радиуса "чёрной дыры" можно легко получить из классической теории, что и сделал Лаплас ещё задолго до создания Эйнштейном теории относительности. Поэтому ортодоксальная модель "чёрной дыры" с сингулярностью в центре ничем не лучше предложенной мною модели с равномерной плотностью массы. Вопрос лишь в том, какая из этих моделей соответствует реальности. Меня наверняка упрекнут в том, что предлагаемая мною модель, как и релятивистская, не поддаётся практической проверке. Однако это не так.
- В моей модели внутренний наблюдатель вполне имеет право на существование, ибо он не обязан мгновенно упасть на несуществующую сингулярность, — а это значит, что он сможет свободно перемещаться и кое-что увидеть.
- Из этой весьма наивной модели я намерен сделать далеко идущие выводы, которые можно проверить на практике.
Для меня и моих друзей всё началось с интереса к путешествиям во времени. Из ОТО известно, что по мере приближения к "чёрной дыре" течение времени замедляется, а на горизонте событий все процессы вообще останавливаются. И мы, три наивных студента, подумали: но тогда внутри "чёрной дыры" время вполне может течь в обратном направлении!.. В таком выводе, кстати, имелся определённый смысл — при обратном течении времени сингулярность внутри "чёрной дыры" должна была не образовываться, а взрываться. Получалось, что в недрах "чёрной дыры" рождается новая вселенная!.. Однако, что интересно, взрыв сингулярности в этом случае остаётся как бы "законсервированным" внутри сферы Шварцшильда, ибо в момент пересечения горизонта событий любой "осколок" этого взрыва (даже квант света) оказывается в условиях, когда ход времени полностью останавливается, — поэтому из "чёрной дыры" ничто не сможет вылететь наружу. И сингулярность должна взорваться в тот самый момент, когда коллапсирующая звезда станет "чёрной дырой". Одновременность образования "чёрной дыры" и взрыва сингулярности внутри её означает, что сингулярность в завершающей стадии коллапса звезды не образуется — она мгновенно "размазывается" по всей внутренней области сферы Шварцшильда.
В популярной литературе по общей теории относительности часто рассматриваются гипотетические полёты в "чёрную дыру" и делаются выводы о том, что в некоторых частных случаях (когда "дыра" вращается или имеет электрический заряд) такие полёты могут привести к тому, что наблюдатели могут оказаться в другой вселенной или увидеть всё прошлое или всё будущее нашей Вселенной. В действительности это всего лишь абстрактные изыски, имеющие крайне сомнительное отношение к реальности. Оказавшись в нашей Вселенной пять миллиардов лет назад или на столько же вперёд, любой сделал бы вывод, что попал в другую вселенную, поскольку увидел бы совершенно иную картину звёздного неба и наверняка не узнал бы свою родную планету Земля.
При помощи несложного расчёта легко убедиться, что размер наблюдаемой части Вселенной (порядка 1026 м) и масса наблюдаемой части Вселенной (порядка 1053 кг) примерно удовлетворяют критерию Шварцшильда. А что, если наблюдаемая часть Вселенной и есть вся наша Вселенная?.. Но тогда она должна быть "чёрной дырой".
Вдоволь нахохотавшись над этой глупой идеей, нетрудно понять, что ничего смешного в ней нет. Более того, идея серьёзная и весьма перспективная. В частности, она легко и непринуждённо объясняет факт расширения Вселенной. "Чёрная дыра" поглощает из окружающего пространства всё, что там находится. Следовательно, масса её со временем растёт, а вследствие этого радиус также увеличивается, поскольку он напрямую связан с массой. Для внутреннего наблюдателя это выглядело бы как расширение "чёрной дыры", которая вполне могла бы служить для него своей вселенной. Причём для объяснения такого расширения не было бы необходимости изобретать какие-то сказочные способы образования во Вселенной новой материи из ничего, как это пытаются делать сегодня некоторые учёные, окончательно потерявшие надежду дать объяснение расширению Вселенной.
В космологических моделях, построенных на концепции Большого Взрыва, применяется формула критической плотности массы во Вселенной
То есть фактически в космологии негласно давно уже используется правило: критическая плотность Вселенной равна средней плотности "чёрной дыры", масса которой равна массе Вселенной. А это равнозначно признанию того, что Вселенная является "чёрной дырой". Остаётся лишь "выйти из тени" и назвать вещи своими именами.
Если Вселенная — "чёрная дыра" во внешней вселенной (назовём её Гипервселенной), то сколько она должна поглощать извне, чтобы её граница расширялась со скоростью света? Согласно формуле Шварцшильда,
Скорость регулярного прироста массы Вселенной в результате адсорбции вещества и излучения из Гипервселенной составляет 2,019·1035 кг/с, т.е. сто тысяч масс Солнца в секунду.
И тут возникает одна проблема. Скорость света и гравитационная постоянная — мировые константы. Следовательно, скорость адсорбции не зависит от массы Вселенной. Однако понятно, что большая "чёрная дыра" должна поглощать в единицу времени больше, чем маленькая, — хотя бы потому, что чем больше масса "чёрной дыры", тем больше её радиус и площадь горизонта событий, соприкасающаяся с большим объёмом окружающего пространства. Как тут быть?
А что, если скорость света — не постоянная величина?..
Из того, что скорость расширения границы Вселенной равна скорости света, можно прийти к тому, что скорость света равна скорости расширения границы Вселенной. Тогда по мере возрастания массы Вселенной адсорбция из Гипервселенной будет увеличиваться, соответственно будет возрастать и скорость её расширения, т.е. скорость света. Причём если, как это было показано выше, размеры Вселенной возрастают по экспоненте, аналогичным образом будут изменяться и масса Вселенной, и скорость света:
поскольку масса "чёрной дыры" прямо пропорциональна её радиусу, а скорость расширения равна производной радиуса. Тот факт, что масса Вселенной пропорциональна её радиусу, а не третьей степени его, объясняется просто: средняя плотность массы во Вселенной уменьшается со временем по закону
Нетрудно заметить, что в этом случае средняя плотность энергии во Вселенной вообще не зависит от времени её расширения, оставаясь неизменной с первого мгновения существования Вселенной. И в этом состоит одно из ключевых достоинств предлагаемой мною модели эволюции Вселенной: в отличие от любой "взрывной" модели, она позволяет избежать пустых головоломок, связанных с бесконечно большой плотностью энергии в начальный момент существования Вселенной. Ведь уже первое мгновение истории Вселенной, возникшей в результате автогравитационного коллапса некоей звезды в "чёрную дыру", средняя плотность энергии в ней была точно такой же, как и в нашу эпоху.
Конечно, не так-то просто смириться с мыслью о том, что величайшая по своей значимости мировая константа может изменяться со временем. Хотя, что тут невероятного? Ведь скорость света — всего лишь одна из характеристик свойств материи. А если эти свойства в процессе эволюции Вселенной изменяются, то почему скорость света должна оставаться неизменной? Тем более, что, несмотря на свою переменность, скорость света продолжает оставаться максимальной скоростью перемещения материальных объектов и передачи информации… правда, только в нашей Вселенной.
Ясно, что скорость изменения скорости света определяется как её первая производная
Поскольку значение постоянной Хаббла ≈ 10—18 1/с, величина прироста скорости света составляет около 10—10 м/с2. При таком ускорении для увеличения скорости света на 1 м/с необходимо 1010 с, или чуть менее трёхсот лет. В настоящее время скорость света измерена как 299792458 м/с, т.е. с точностью как раз до одного метра в секунду. Надо ли ждать триста лет, чтобы убедиться, станет она равна 299792459 м/с или же останется прежней? Думаю, вопрос о постоянстве или переменности скорости света будет практически решён куда быстрее, — было бы желание установить истину, а методы найдутся. Как мне известно, в последние годы появились данные, на основании которых можно сделать вывод о том, что расширение Вселенной происходит с положительным ускорением. Эти данные трактуются учёными в духе концепции Большого Взрыва как свидетельство того, что средняя плотность Вселенной ниже критической, то есть что Вселенная является открытой.
Однако в действительности нет никакой возможности в рамках концепции Большого Взрыва создать модель открытой Вселенной: чтобы масса якобы взорвавшейся сингулярности равномерно распределилась в пространстве с плотностью, меньшей критической, недостаточно даже бесконечно большой энергии Большого Взрыва. Кроме того, сама идея открытой Вселенной предполагает отсутствие всякой её границы, а это означает, что во Вселенной обязательно должны наличествовать объекты, скорость движения которых превышает скорость света, — что неизбежно приводит как к конфликту с основными физическими законами, так и к выводу о бесконечности Вселенной. Поэтому объяснение ускоренного расширения следует искать не в открытости Вселенной, а в увеличении скорости света — в зависимости от времени расширения.
Если исходить из того, что размеры Вселенной и скорость её расширения изменяются по одному и тому же экспоненциальному закону, можно сделать вывод: размеры Вселенной увеличиваются в метрических единицах и остаются неизменными в световых единицах расстояний. Поэтому модель Вселенной, в основу которой положена идея "чёрной дыры" с изотропным распределением массы, правомерно назвать моделью квазистационарной Вселенной. Термин не новый, поскольку подобного рода модели давно уже разрабатывались — в частности, Фредом Хойлом. Однако ключевой недостаток всех предшествующих моделей квазистационарного состояния Вселенной состоит в том, что все они описывают бесконечную Вселенную и построены на концепции Большого Взрыва, хотя по сути своей глубоко ей противоречат и никак не могут на ней основываться.
Это фактически то же самое, что пытаться согласовать теорию эволюции Дарвина с библейской концепцией Творения. Возможно, кому-то покажется перспективной идея, что Бог создал человека из обезьяны, а не слепил из глины, но любому трезвомыслящему учёному ясно, что такого рода компромисс лишён реального научного смысла и представляет разве что чисто анекдотический интерес.
Изотропное расширение квазистационарной Вселенной во всех масштабах пространства может быть обусловлено давлением вакуума, который составляет её наиболее существенную часть по массе и абсолютно преобладает по объёму (поскольку заполненные вакуумом промежутки между ближайшими звёздами и галактиками в миллионы раз превышают размеры самих звёзд). Ведь вакуум, в сущности, не абсолютная пустота — помимо крайне разрежённого газа, он содержит огромное количество элементарных частиц (в том числе фотонов и нейтрино), а также электромагнитные и гравитационные поля. И было бы абсолютно неправдоподобным предположение, будто материальная среда не создаёт никакого давления.
