Напечатать документ Послать нам письмо Сохранить документ Форумы сайта Вернуться к предыдущей
АКАДЕМИЯ ТРИНИТАРИЗМА На главную страницу
Дискуссии - Наука

С.И. Константинов
Роджер Пенроуз и черные дыры

Oб авторе


Аннотация: В статье обсуждается, предложенный Роджером Пенроузом, революционный метод «схлопывания» коллопсирующих тел, различной формы, и роль сингулярности - некоторой особой поверхности внутри черной дыры, обладающей бесконечной кривизной пространства-времени, вблизи которых разрушаются практически любые физические тела .

В статье указано, что в свете последних открытий галактической темной материи и межгалактической темной энергии, образующих 95% масс-энергии Вселенной, выводы Роджера Пенроуза выглядят не так однозначно. После открытия темной материи, дальнейшее развитие теории зарождения и эволюции черных дыр, лежит на пути отказа от геометрической теории гравитации ОТО Эйнштейна и признания пятого фундаментального взаимодействия между темной и барионной материей в качестве структурообразующего фактора внутри черных дыр.


 

1.Вступление

В формулировке Нобелевского комитета написано, что премия присуждается Пенроузу за «открытие того, что формирование черных дыр является надежным предсказанием общей теории относительности». Эта формулировка отражает тот факт, что и до работ Пенроуза было известно, что достаточно плотный объект (например, газовое облако, звезда или скопление звезд) может сжаться (говорят, сколлапсировать) в черную дыру. Однако, предыдущие расчеты были основаны на многих предположениях, наиболее важными из которых были сферическая форма рассматриваемых объектов и различные упрощающие предположения о свойствах коллапсирующей материи. Пенроузу удалось предложить новый революционный метод, который позволяет установить возможность коллапса без каких-либо особых предположений о природе и геометрии «схлопывающегося» тела при выполнении нескольких простых условий. Основы этого метода были сформулированы в классической работе Пенроуза 1965 года: «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности» опубликованой в Phys. Rev. Lett. 14, 57. [1]. В статье он показал, что если выполняются условия, которые ожидаются внутри черной дыры (а именно: фронт излучения, испущенный наружу некоторой замкнутой поверхностью, начинает сжиматься), а также выполнены некоторые другие, вполне ожидаемые требования, внутри черной дыры некоторые световые лучи не могут быть продолжены и должны оборваться, проделав конечный путь. В таких случаях говорят, что световой луч упирается в сингулярность — некоторую особую поверхность, служащую границей пространства-времени. В настоящее время мы уверены, что физически сингулярности совпадают с поверхностями, обладающими формально бесконечной кривизной пространства-времени, вблизи которых разрушаются практически любые физические тела, хотя теорема Пенроуза никак не определяет их физический смысл, а просто гарантирует их присутствие внутри черных дыр. Эта работа давно вошла в учебники по общей теории относительности (ОТО), она послужила началом ее совершенно нового и нетривиального развития, в котором приняли участие Пенроуз, Стивен Хокинг и другие известные ученые. Возникшая в результате ее новая область исследований иногда называется «глобальной лоренцевской геометрией». Обсудим некоторые важные предположения и основную идею доказательства теоремы Пенроуза. Во-первых, предполагалось, что пространство-время является «предсказуемым» в следующем смысле: где-то в прошлом, в какой-то момент времени можно задать некоторые начальные параметры, которые полностью определяют последующую эволюцию как материи, так и самого пространства-времени. В январе 1965 года, спустя всего 10 лет после смерти Эйнштейна, Пенроуз обнаружил, что черные дыры могут образовываться и образуются, подробно описав их в статье, которая даже сегодня является важнейшим вкладом в науку. Пенроуз выяснил, что в основе черных дыр лежит бесконечно плотное ядро, называемое сингулярностью, где действуют неведомые нам законы. Роджер Пенроуз с помощью изящных математических моделей показал, что само существование черных дыр является прямым следствием теории относительности Альберта Эйнштейна. Фактически, Эйнштейн не верил, что такие тяжеловесы - объекты, пожирающие все, даже свет, попадающий в их пределы, - вообще существуют.

Даже в таком случае, его общая теория относительности предсказывает, что гравитация является результатом искривления пространства-времени. Согласно этой теории, массивные объекты (например, черные дыры) оставляют космические вмятины в этой пространственно-временной ткани, так что другие близлежащие объекты не могут не упасть в эти гравитационные ямы. Одно из предсказаний общей теории относительности состоит в том, что у черных дыр есть горизонт событий, граница, за которой ничто, даже свет, не может уйти.

В свете последних открытий галактической темной материи и межгалактической темной энергии, образующих 95% масс-энергии Вселенной [2] выводы Роджера Пенроуза выглядят не так однозначно:

Во-первых вращающееся массивное ядро черной дыры, как было экспериментально доказано 30 января 2020 астрофизиком Вивек Венкатраман Кришнан, может увлекать ореол темной материи, окружающий не только вращающийся белый карлик, но и иной объект Вселенной [3]. При этом образуется гравитационная воронка, подобная гравитационной воронки Эйнштейна, которая у него образуется, за отсутствием темной материи, еще не открытой в его время, тканью пространства- времени. Это предположение выглядит гораздо правдоподобней, чем вращение пространства времени. Ведь гало темной материи, это реальный объект, а ткань пространства-времени это эфимерный материал, в который был одет король, в сказке Андерсена «Голый король». Отсюда следует, что геометрическая природа гравитации Альберта Эйнштейна должна быть заменена на полевую. Сегодня исследователей природы гравитационных сил можно условно разделить на две группы - тех, кто продолжает поиски в русле геометрического подхода, лежащего в основе общей теории относительности и тех, кто отказывается связывать гравитационное поле с геометрией пространства-времени и развивает полевую концепцию гравитации. Полевая концепция гравитации позволяет описывать гравитационные взаимодействия тел аналогично электрическому и магнитному взаимодействию и не противоречит другим экспериментально обоснованным подходам к описанию явления гравитации и инерции, в частности, некоторым моделям с участием квантового вакуума (темной материи), как сверхтекучая космическая среда. Кстати, за открытие вращающегося ядра сверхчерной дыры в центре нашей галактики, лауреатами Нобелевской премии 2020 стали, вместе с Роджером Пенроузом, два других физика - немец Рейнхард Генцель и американка Андреа Гез.

Во-вторых наличие внутри черной дыры сингулярности — некоторой особой поверхности, служащей границей пространства-времени теорема Пенроуза никак не определяет их физический смысл, а просто гарантирует их присутствие внутри черных дыр. Общая теория гравитации, а следом за ней и теория Роджера Пенроуза не способна описывать поведение системы и в частности черной дыры в динамике, поскольку образование новых частиц и объектов в процессе развития черной дыры приводит к нарушению симметрии во времени. Прав был Дж. Уиллер, когда писал по этому поводу: «Объект, который является центральным для всей классической общей теории относительности, «четырехмерной геометрии пространства-времени» просто не существует, если мы выйдем за рамки классического приближения. Этот аргумент показывает, что концепции пространства-времени и времени не являются основными в структуре физической теории Эйнштейна. Нет ни пространства-времени, ни времени; нет ничего до и после. Вопрос в том, что произойдет в следующий момент, спрашивать в ОТО бессмысленно» [4]. Для того, чтобы ОТО Эйнштейна обладала нарушением симметрии во времени, поскольку рождение частиц соответствует необратимому процессу, Лауреат Нобелевской премии Илья Пригожин предложил дополнить число переменных входящих в стандартную модель. Давление Р, плотность массы-энергии σ и радиус Вселенной R(t) он предложил дополнительнить переменной n - плотностью частиц и дополнительным уравнением, которое связало бы функцию Хаббла с радиусом Вселенной R(t) и рождением частиц n. В этом случае появляется член, который мы, сравнивая с ньютоновской физикой, идентифицируем с давлением. К обычному давлению Р мы прибавляем дополнительное давление Рadd., обусловленное рождением частиц [5]. Таким образом, пространство-время в черной дыре в теории Пенроуза является «предсказуемым», то есть в какой-то момент времени можно задать некоторые начальные параметры, которые полностью определяют последующую эволюцию как черной дыры, так и самого пространства-времени. Этому состоянию системы соответствует понятие временного горизонта в течении которого мы можем предсказать поведение системы, ее траекторию развития, а далее начальное состояние системы уже не может служить основанием для предсказания. Переход системы на качественно новый уровень, в процессе которого система становиться неинтегрируемой, в ней преобладают необратимые процессы, а время теряет свойство инвариантности и его поведение носит вероятностный, векторный характер требует отказаться от инвариантных уравнений ОТО и теории Роджера Пенроуза [6].

В-третьих через 55 лет после появления статьи Роджера Пенроуза «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности» на страницах того же журнала Phys. RevLett.125.181301 была опубликована статья профессора Фрэнка Зауэрсига и трех его коллег «Конечные Амплитуды Квантовой Гравитации: Никаких Привязок» с отказом от теории струн и ОТО Эйнштейна, лежащей в основе М-теории струн и других вариантов этой теории [7]. Авторы предлагают при описании черных дыр использовать гравитационно-опосредованное рассеяние скалярных полей, основанное на параметризации лоренцева квантового эффективного действия. При этом авторы заявляют: "Наша конструкция позволяет избежать введения нелокальностей или массивных частиц с более высоким спином, характерных для теории струн." [7].


Полный текст доступен в формате PDF (655Кб)


С.И. Константинов, Роджер Пенроуз и черные дыры // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.26799, 26.11.2020

[Обсуждение на форуме «Публицистика»]

В начало документа

© Академия Тринитаризма
info@trinitas.ru