Белые дыры: теории их существования



Каждый из нас хоть раз в своей жизни сталкивался с понятием « черная дыра ». В фантастических фильмах, книгах, телепередачах встречался с образом черной дыры, как одного из самых страшных и загадочных явлений нашей Вселенной.

Представьте себе сферу такой чудовищной массы, что с ее поверхности можно оторваться только со скоростью света. Это черная дыра. Если все вещество Солнца уплотнить в сферу радиусом три километра, оно превратится в черную дыру. Я очень заинтересовался теорией и природой возникновения Черных дыр, прочитал очень много литературы, но о существовании Белых дыр даже не знал. Оказывается, существует Белая изнанка черной дыры.

В 1960-е годы советский физик-теоретик Игорь Новиков (АКЦ ФИАН), исходя из теории относительности, пришел к выводу, что в космосе должны быть объекты, противоположные по свойствам черным дырам. Он назвал их белыми дырами.

Действительно, кроме черных дыр последнее время много говорят и о белых дырах. Теория о белых дырах гласит, что это такие области, которые, в отличие от их черных версий, совершенно ничего не притягивает к себе. Более того, внутрь белых дыр ничего не может попасть. Такой своеобразно герметически закрытый объект. Я заинтересовался этим фактом и узнал, что

Белая дыра́ — гипотетический физический объект во Вселенной, в область которого ничто не может войти. Белая дыра является временной противоположностью чёрной дыры и предсказывается теми же уравнениями общей теории относительности. Большинство физиков убеждены, что белых дыр в природе в принципе быть не может и что противоположные им по свойствам белые дыры существуют только в теории, однако у ученых есть наблюдения и догадки о том, как они выглядят, где находятся и какими свойствами обладают.

Передо мной стал ряд вопросов: что же такое дыры во Вселенной, чем отличается природа Черных и Белых дыр, в чем заключается суть теории образования дыр и что именно известно из истории о данной теории.

Гипотеза: Белые дыры. Правда. Вымысел.

Цель: Выяснитькакие факторы подтверждают истинность теории существования Белых дыр, а какие опровергают?

Задачи:

1. Изучить историю появления различных теорий о возникновении Черных и Белых дыр во Вселенной.

2. Выяснить какова форма и природа Черных и Белых дыр?

3. Есть ли аргументы в пользу теории образования Белых дыр?

Изучение Чёрных дыр

Чтобы начать говорить о Белых дырах мы должны узнать об их родственниках, а именно Чёрных дырах.

I. Первым заговорил о черных дырах ученый из Кембриджа Джон Мичелл в 1783 году. Он предположил, что если выстрелянный в небо предмет, то постепенно объект перестанет двигаться вверх и начнет падать обратно. Но если первоначальная вертикальная скорость будет выше определенного максимального значения, то силы гравитации окажется недостаточно, чтобы остановить тот или иной объект, и он улетит. Например, вторая космическая скорость, для Земли составляет свыше 11 километров в секунду. При этом, она невысока по сравнению со скоростью света, которая составляет 300 000 километров в секунду. Таким образом, свет без особого труда может покинуть Землю, и даже Солнце, ведь его вторая космическая скорость равна примерно 617 километров в секунду. Однако Мичелл выдвинул предположение, что могут существовать звезды гораздо массивнее Солнца, на которых скорость покидания планеты будет превышать скорость света. Мы не можем их увидеть, потому что свет, испускаемый ими, не покидает границы звезды, благодаря мощной силе гравитации. Мичелл назвал их «темными звездами». Сейчас мы называем их черными дырами. Рассмотрим пример наглядно. (см. Приложение. Рисунок 1) Возьмём ракету, которая стартовала с Земли. Она с лёгкостью её покинет т. к. вторая космическая скорость меньше скорости ракеты. Но есть такие, звёзды, в которых скорость покидания звезды будет больше скорости ракеты, и она не сможет её покинуть. Тоже самое произойдёт, если использовать вместо ракеты свет.

II. Чтобы понять строение Чёрных дыр, необходимо разъяснить такое понятие, как «гравитация». Гравитация описана в ряде уравнений Альберта Эйнштейна, которые он выдвинул в 1915 году в Общей Теории Относительности. Гравитация считается самой слабой из известных сил, но у нее есть два преимущества, которые её выделяют из общего ряда. Первое преимущество- гравитация действует на большом расстоянии. Второе- гравитация всегда положительная. Поэтому у крупной звезды- сила гравитации превосходит другие и соответственно может вызвать гравитационный коллапс звезды. Однако, Эйнштейн в 1939 году опубликовал статью, в которой утверждал, что гравитация не может привести к коллапсу звезды, потому что материя не может сжиматься сильнее других величин. Большинство учёных были согласны с Эйнштейном, но нашёлся один учёный, который опроверг это мнение. Этим учёным был американец Джон Уилер. В своих работах 1950–1960 годов, он выдвинул гипотезу, что все звёзды рано или поздно переживают коллапс. Тем самым Уилер предсказал многие свойства объектов, в которые превращались звёзды после гравитационного коллапса. На протяжении основной части жизни звезды, жизнь, которая длится много миллиардов лет, она вступает в борьбу с собственной гравитацией за счет теплового давления, создающее термоядерные процессы, в результате которого водород превращается в гелий. Длительных процессы приводят к тому, что ядерное топливо звезды заканчивается. Звезда начинает сжиматься. В некоторых случаях она может сохраниться как белый карлик, т. е. плотные остатки звездного ядра. Однако в 1930 году Субраманьян Чандрасекар доказал, что максимальная масса звезды — белого карлика не может быть больше чем в 1,4 раза массы Солнца. Такую же предельную массу рассчитал советский физик Лев Ландау для нейтронной звезды. Какова же судьба звезды, у которой кончается ядерное горючее? На этот вопрос ответил Роберт Оппенгеймер. В своих статьях1939 года, Оппенгеймер пишет, что такие звезды не в состоянии сохранять всё необходимое давление. А когда нет давления, звезда сжимается до точки с бесконечной плоскостью. Такая точка называется сингулярностью. Все теории пространства опираются на то, что пространство и время ровное и практически плоское, поэтому в точке сингулярности, где искривление становится бесконечным, оно отсутствует. Простыми словами: сингулярность — это есть конец пространства и времени. Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующий вывод: Черная дыра —есть не что иное, как область, где гравитация настолько сильна, что свет не может ее покинуть. Однако Чёрная дыра имеет границу, где гравитационная сила особенно велика-это называется Горизонтом событий (см. Приложение. Рис. 2).

Излучение Хокинга

Когда мы познакомились поближе с Чёрными дырами и примерно представляем их строение с учётом известных данных, можно говорить о их родственниках Белых дырах.

Что же такое Белая дыра? Белая дыра — гипотетический физический объект во Вселенной, в область которого ничто не может войти. Белая дыра является противоположностью чёрной дыры и подчиняется тем же уравнениями общей теории относительности. Большинство учёных убеждены, что Белых дыр в природе в принципе быть не может. Но так ли это? Это предстоит узнать.

Многие учёные высказывали разные предположения о том, что же такое Белая дыра. Самую популярную из них можно сформулировать следующим образом: Белая дыра- гипотетический объект, который рождается в то время, когда погибает Чёрная дыра. Есть и другие теории о происхождении БД. Например, многие считают, что Белая дыра возникает в том случае, когда рождается Чёрная дыра, т. е. Белая и Чёрная дыра — это некий портал, через который можно попасть в другую вселенную. Теорий много, всех и не перечислить, но давайте остановимся на самых правдоподобных.

Первая теория основывается на теориях Стивена Хокинга. В 1970-х годах С. Хокинг высказал предположение, что все черные дыры должны испарять массу, испуская излучение. Из этого следует, что Черные дыры, которые теряют больше массы, чем получают взамен, должны сокращаться и в конечном результате исчезать, т. е. происходит испарение ЧД. Чтобы найти Чёрную дыру, которая испаряется, необходимо провести ряд уравнений Хокинга. Давайте же разбираться, как найти предполагаемую ЧД по изучению Стивена Хокинга.Испарение Чёрной дыры — квантовый процесс. Его можно описать следующими словами: в квантовой теории поля физический вакуум наполнен частицами. В поле внешних сил динамика этих частиц меняется, и если силы будут велики, прямо из вакуума могут рождаться пары частица и античастица. Такие процессы происходят в горизонте событий Чёрной дыры. При это возможно, что, если одна из частиц падает внутрь Чёрной дыры, другая улетает. Из закона сохранения энергии следует, что частица, которая падает в горизонт событий, будет обладать отрицательной энергией, в то время как другая, которая останется в поле видимости, будет заряжена положительной энергией. Тем самым, когда эти частицы буду «забирать» энергию у Чёрной дыры, она начнёт терять массу, а, следовательно, постепенно погибать. Для того чтобы найти такую Чёрную дыру, необходимо провести ряд вычислений.

Чтобы породить частицу и античастицу, нужно создать приливной эффект.

Разность сил электрона и позитрона в приливном эффекте будет равна , где- Lc-длина волны, L-масштаб гравитационного поля.

Рождение пар определяется законом сохранения энергии, т. е. работа приливных сил должна быть равна энергии, чтобы образовать пары: . Но для сферической не вращающейся массы М на большом расстоянии r её ускорение и

условие рождения частиц будет иметь следующий вид: . Здесь

гравитационный радиус будет равен- RG= . Энергия, необходимая одной частице из возникшей пары для того, чтобы уйти из ЧД, возникает из-за поглощения другой частицы чёрной дырой. В поле тяжести электронно-позитронная пара на характерном

расстоянии приобретает энергию: E~ . При такой энергии отвечает

температура: T~ При этом электронно-позитронные пары будут рождаться при . Важным является и то, что излучение сопровождается тепловым спектром, которое можно вычислить следующим образом:

Когда мы разобрались с испарением Чёрных дыр (Излучение Хокинга), можно начинать говорить напрямую об одной из теории .

Теория: Если провести ряд вычислений Хокинга, можно найти Чёрную дыру, которая будет постепенно исчезать. Когда она исчезнет на месте её образуется Белая дыра на короткий промежуток времени, это и будет сопровождаться выбросом энергии. Произойти это может из-за того, что одна из частиц приобретёт такой же заряд, как и противоположный.

Пояснение: Предположим, что в Чёрной дыре произойдёт образование электрона с зарядом «+» и электрона с зарядом «-». Когда электрон приобретёт такой же заряд, как и другой, то энергия выйдет из ЧД с большой скоростью и когда произойдёт выброс энергии в этот момент Чёрная дыра будет считаться Белой дырой.

Продемонстрируем это на примере. Если поднести разноименные полюса друг к другу — заряды начинают переходить от плюса к минусу, поэтому магниты притягиваются. Если же поднести друг к другу одноименные полюса — то они будут отталкиваться из-за воздействий зарядов внутри них. Так и при ЧД, когда при образовании одноимённых частиц энергия будет накапливаться на одной из них и ЧД погибнет, энергия выйдет с колоссальной скоростью т. к. произойдёт воздействие одинаковых зарядов.

Гамма-вспышки как последствия Белых дыр

Прежде чем мы перейдём к другой теории о Белых дырах, необходимо понять, что же такое гамма-вспышки. Гамма-всплеск(ГВ) — масштабный космический выброс энергии взрывного характера, который наблюдается в отдалённых галактиках. Продолжительность ГВ составляет от миллисекунд до часа. За первоначальным всплеском чаще всего следует продолжительное «послесвечение» Гамма-вспышки образуются в результате быстрого вращающегося ядра массивной звезды, которое в это время коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду или в Чёрную дыру, также образование ГВ может образоваться в результате слияния дух нейтронных звёзд. Источники гамма-вспышек находятся на расстояниях в миллиарды световых лет от Земли. За несколько секунд вспышки высвобождается энергия, равная энергии Солнца, которая выделилась бы за 10 миллиардов лет свечения. Первая гамма вспышка была случайно зарегистрирована 2 июля 1967 года американскими военными спутниками «Vela». Чтобы объяснить процессы, которые могут порождать Гамма-вспышки, были построены сотни теорий, однако данных для подтверждения было недостаточно, пока в 1997 году не зарегистрировали первое рентгеновское и оптическое послесвечения и определили их красное смещение прямым измерением с помощью оптического спектроскопа. Эти открытия и последующие исследования галактик и сверхновых, ассоциированных с ГВ, помогли оценить яркость и расстояния до источника вспышек, окончательно локализовав их в отдалённых галактиках и связав ГВ со смертью массивных звёзд. Тем не менее, процесс исследования ГВ ещё далеко не закончен, и они остаются одной из загадок астрофизики. Гамма-вспышки регистрируются приблизительно раз в день.

Так было установлено в советском эксперименте «Конус».

Перейдём теперь к следующей теории. Теория: Предположим, что Гамма вспышки случаются из-за Белых дыр. Если сопоставить все Гамма-вспышки по определённым критериям, то можно понять, где ждать следующее появление Белой дыры.

Пояснение: Если предположить, что Чёрная дыра имеет несколько фаз: 2 фазы и 2 интерфазы, то во время интерфазы Чёрная дыра становится Белой дырой, на короткий промежуток времени тем самым порождая Гамма-вспышки. Здесь фаза и интерфаза-переход от Чёрной дыры к Белой дыре, во время которого выходит колоссальное количество энергии. На I или III фазе ЧД запасает энергию, т. к. имеет большую гравитационную силу. Когда фаза сменяется на II или IV интерфазу, энергия, запасённая в Чёрной дыре, «выплёскивается» с большой силой, в это время Чёрная дыра становится Белой. Чтобы найти такую Чёрную дыру мы сопоставим расположение в космосе, галактику, год, время. Рассчитаем и сможем узнать, когда произойдёт следующая вспышка.

Если верить расчётам, то предположительная Белая дыра, которая влечёт Гамма-вспышки- 170101A , сследующими координатами: 17 ^h 48 ^m 25 ^s +11°39’

И так же есть ряд других Гамма-вспышек, которые имеют такие же координаты. Это:

191001A и 210506A

Однако из этой теории следует другая. Теория: Так как наша вселенная расширяется или сужается, то возможны небольшие погрешности в координатах. И если проделать, то же самое, что и в предыдущей теории, мы найдём Белые дыры.

Излучение Белых дыр.

Теория: Белые, как и Чёрные имеют излучение, которое подчиняется излучению Хокинга, но при этом учитываются период фазы и интерфазы так как в момент смены фазы происходит накопление энергии.

Пояснение: Когда ЧД находится в I и III фазах она накапливает энергию, которая в периоды интерфаз выплёскивается. Исходя из этого можно предположить, что излучение Белых дыр подчиняется излучению Хокинга, но уже с учётом всех факторов. Тем самым формула теплового спектра ЧД изменит вид с

Где n-период фазы и интерфазы, ħ — приведённая постоянная Планка, c — скорость света в вакууме, k — постоянная Больцмана, G — гравитационная постоянная, M⊙ — масса Солнца и, наконец, M — масса чёрной дыры.

Космическая энергетика

Космическая энергетика — вид альтернативной энергетики, предусматривающий использование энергии Солнца для выработки электроэнергии, с расположением энергетической станции на земной орбите или на Луне.

Но Гамма-вспышки — они же Белые дыры, порой «выбрасывают» энергию сравнимую с энергией покоя Солнца. Причём эта энергия выделяется за короткий промежуток времени.

Теория: Если запустить спутники, которые будут улавливать энергию Белых дыр, вместо энергии Солнца, то сможем получить альтернативный источник энергии за достаточное короткое время.

Пояснение: Спутник улавливает энергию Белых дыр, которая будет передаваться радиоволнами с помощью больших антенн, а уже на Земле приниматься ректеннами. Также есть другой способ передачи энергии — это передача светового луча с помощью лазеров, а приём будет заключаться свето-уловителем на Земле. Есть и другие способы передачи электроэнергии, например, с помощью фотоэлементов, где энергия фотонов преобразуется в электроэнергию. Однако КПД такого способа составляют от 16 % до 43 %.

Недостатки: высокая стоимость. Средства, затраченные на вывод на орбиту системы общей массой 6 млн т., окупятся только в течение 40 лет.

Другая проблема создания такой системы альтернативной энергии — большие потери энергии при передаче. При передаче энергии на поверхность Земли будет потеряны, по крайней мере, 35–50 %.

Приложение

Рис. 1.

Рис. 2.

Рис. 3. Смена фазы и интерфазы. I и III-фазы Чёрной дыры. II и IV-интерфазы Белой дыры.

Литература:

1. Новиков И. Д. «Эволюция Вселенной», 3 издание, «Наука», Москва, 1993г. — 176 с.

_2. Вейнберг С. «Большие проблемы Большого взрыва», журнал «Истоки», № 1 за 1999г. — 20 с.

_3. Воронцов-Вельяминов Б. А. «Галактики, туманности и взрывы во Вселенной», «Знание», 2007. — 176 с.

4. Стивен Хокинг и Леонард Млодинов. — Кратчайшая история времени. Издательство: АСТ, 2019–160 с.

_5. Стивен Хокинг. — Черные дыры. Лекции BBC. Издательство: АСТ, 2020–64 с.

_6. Стивен Хокинг. — Черные дыры и молодые вселенные. Издательство: АСТ, 2017-174 с.

_7. Стивен Хокинг. — На плечах гигантов. Издательство: АСТ, 2019–256 с.