Очень хотелось назвать заметку «Все, что нужно знать о черных дырах», но помешали два обстоятельства.
Во-первых, о черных дырах практичному человеку не нужно знать ничего: эти знания бесполезны. Причем бесполезны они по глубочайшим теоретическим причинам: все, что может случиться с вами в черной дыре, никак не скажется на Вселенной снаружи*, а потому этот опыт в принципе не может быть использован.
Во-вторых, как бы вам ни хотелось, вопреки практическому расчету, что-то о них разузнать наверняка, это пока за пределами возможностей науки (почему — см. ниже). И тем не менее любой редактор научно-популярного ресурса скажет вам: если надо подстегнуть интерес к изданию, просто поместите на обложку картинку с черной дырой, и люди к вам потянутся. Примерно из этих соображений мы и публикуем сегодня эту в высшей степени бесполезную заметку. Итак, вот они, наши тщательно отобранные девять фактов.
1. О черных дырах ничего не известно наверняка
Физики и астрономы любят говорить о черных дырах с таким выражением лица, как будто уж кто-кто, а они-то знают о них не понаслышке. Увы, это не так. Черные дыры — предсказание общей теории относительности Эйнштейна. Но вот всю остальную современную физику принято формулировать в терминах квантовой теории поля.
Черная дыра, сломавшая науку
Эта теория, если опошлить ее максимально возможным образом, говорит о том, что в мире нет ничего, кроме квантовых полей. Мы с вами, кстати, тоже состоим из квантовых полей. И уж если стричь все на свете под одну гребенку, то квантовым полем должна быть и гравитация (включая черные дыры). Но тут, как назло, квантовая теория начинает бастовать и включать в себя гравитацию никак не желает.
Это не значит, что Стивен Хокинг, например, рассуждая о черных дырах, выдумывает что-то из головы. И он, и остальные физики в этом случае поступают так: берут готовое кривое пространство-время, которое следует из теории Эйнштейна, в качестве декорации, и запускают туда действующих лиц — уравнения теории поля.
В большинстве случаев это работает настолько хорошо, что никаких расхождений с опытом найти невозможно (если бы их нашли, это бы как раз дало хоть какие-то подсказки насчет того, в чем засада с квантовой гравитацией). Хорошо оно работает потому, что гравитация обычно довольно слаба и потому гораздо менее важна, чем все остальное, что происходит в мире; потому ее и можно считать просто фоном или декорацией, а все остальное — настоящим действием. Но вот в черной дыре все как раз наоборот: гравитация там важнее всего на свете — да что говорить, там по сути вообще ничего не происходит, кроме гравитации, см. п. 3). А потому можно только надеяться, что предсказания, полученные с таким произвольным допущением, не слишком расходятся с реальностью.
Все нижеизложенное следует воспринимать в свете этой оговорки.
2. Черные дыры, похоже, действительно существуют
В этом сходится подавляющее большинство ученых — физиков, космологов и астрономов. Самая популярная у публики черная дыра находится в центре нашей галактики и имеет массу в 4 миллиона солнечных масс. А еще, говорят, бывают черные дыры звездной массы, образующиеся при коллапсе звезд: эхо от столкновения таких дыр, то есть гравитационные волны, поймали год назад физики из коллаборации LIGO, о чем «Сноб» должным образом известил читателей .
На что способны черные дыры и что они таят (простыми словами)
Однако вся уверенность в существовании черных дыр строится на косвенных уликах. Есть довольно много наблюдаемых астрономических явлений, которые в точности соответствуют тому, что астрономы ожидали бы увидеть при наличии где-то там черной дыры (с поправкой на п. 1, разумеется).
Недавний пример: ученые из Физтеха совместно с китайскими коллегами предложили механизм , объясняющий природу высокоэнергичных космических лучей в нашей галактике. Лучи эти обязаны своим происхождением так называемым «пузырям Ферми», а те, в свою очередь, возможно, естественный продукт жизнедеятельности нашей прославленной черной дыры в центре мироздания. Если вдруг окажется, что черных дыр на самом деле не бывает, множество ученых безмерно удивятся, а потом бросятся пересматривать свои монографии и отзывать статьи из научных журналов. Вариант крайне маловероятный, но чего только в науке не случается.
3. Черные дыры внутри пустые, но сложные
В черные дыры сваливается уйма всякой космической дряни, от пыли и газа до целых звезд и незадачливых инопланетных астронавтов. Отсюда можно бы предположить, что из этой дряни они и состоят, но нет. Черная дыра устроена весьма банально: внутри она пустая. В этой пустоте скрывается «сингулярность», то есть загадочное место, где все разумные величины превращаются в бесконечность.
А поскольку внутри дыры пространство еще и бесконечно искривлено, то расстояние от горизонта до этой самой сингулярности тоже, вообще говоря, может быть бесконечно большим (а точнее, просто неопределенным). Все, что когда-то упало в дыру: материя, излучение и даже такие экзотические «вещи», как вращение или электрический заряд, — превращается в гравитацию. Заряд и вращение, впрочем, в результате остаются, но вот больше ничего там точно нет. Это свойство было переформулировано физиком Джоном Уилером в виде следующей теоремы: «У черной дыры нет волос».
И тем не менее однажды эти безволосые дыры безмерно удивили Яакова Бекенштейна и Стивена Хокинга: из их расчета следовало, что энтропия черной дыры — это максимальное количество энтропии, которое только можно втиснуть в некий объем пространства. А энтропия — это вообще-то число способов, которыми можно перестроить объект, чтобы он сохранил свои внешние свойства.
У черной дыры, как выясняется, число таких способов очень, очень велико. Как ученые представляют себе пустое место, построенное триллиардами разных способов? Пока никак. Они договорились на данном этапе ничему не удивляться, а просто ждать, пока кто-нибудь придумает квантовую теорию гравитации.
4. Время для спасения друга из черной дыры, возможно, ограниченно
В традиционном мифе о черной дыре — а тут мы имеем дело именно с мифами, см. п. 1, — триллер про падение в черную дыру в принципе не может закончиться трагично. Согласно этому мифу, для героя, падающего в дыру, события в остальной Вселенной будут казаться все более стремительными, пока на горизонте он в один миг не увидит все будущее мироздания.
Тем временем для внешних наблюдателей все наоборот: незадачливый герой по мере приближения к горизонту событий все больше замедляется и тормозит, пока наконец не застывает намертво на самом горизонте. С нашей точки зрения он горизонт так и не пересечет (хотя будет выглядеть все более тускло и красновато). А значит, у нас есть ровно все время во Вселенной, чтобы организовать экспедицию по спасению, а потом еще одну, и еще одну, и никогда не настанет момент, когда капитан спасательного корабля усталым движением выключит свет в рубке. С другой стороны, сам герой уже в момент пересечения горизонта будет знать, чем все закончится, причем этот спойлер его не обрадует.
На самом деле даже грубые прикидки показывают, что с субъективным временем не все так просто . А если говорить о нормальной современной физике, то мы точно не сможем спасти друга после того, как черная дыра испарится (что неизбежно произойдет согласно Хокингу ) и вся информация о нем перекодируется в излучение. Это произойдет за конечное время даже по нашим часам.
А еще кое-кто из физиков подозревает, что пересечь горизонт вообще невозможно для физического наблюдателя: его сожгут выскоэнергичные частицы, мечущиеся вдоль горизонта. За обоснование этой идеи Джозеф Полчинский получил в прошлом году Мильнеровскую премию; мы писали об этом в одной из заметок на сайте. Таким образом, судьба упавшего в дыру космонавта на данном этапе совершенно непредсказуема.
5. Если упали в дыру, не суетитесь
Если вы случайно пересекли горизонт событий, то назад выхода нет; но, возможно, есть способ как-то устроить свою жизнь внутри горизонта? Например, выйти на устойчивую орбиту вокруг сингулярности? На первый взгляд, нет.
Есть такое странное следствие из теории Эйнштейна: то, что для одного наблюдателя пространство, для другого время. Именно поэтому при быстром движении линейка становится короче, а время растягивается, так что можно вернуться на Землю через пару веков, как герои коммунистической фантазии Стругацких . Так вот, внутри дыры ваш световой конус (не спрашивайте!) наклоняется в сторону сингулярности так сильно, что она оказывается для вас не «где-то рядом», а «впереди во времени». А потому неизбежна, как судьба. Праздные физики-релятивисты подсчитали, что в черной дыре солнечной массы время вашей счастливой жизни составит примерно одну миллионную секунды.
А если, попав в дыру, предпринять решительные действия, например, врубить полную тягу, это время может сократиться еще сильнее. Как было сказано, от сингулярности вас отделяет не пространство, а время. А время по теории Эйнштейна медленнее всего течет, если отдаться на волю гравитационным полям. Любое движение его только сокращает. А потому, если вам дороги эти последние мгновения — еще бы не дороги, вы ведь напоследок видите то, о чем не узнает никто из живущих! — просто расслабьтесь.
Впрочем, все вышесказанное относится к классической «шварцшильдовской» черной дыре, которая не заряжена и не вращается (и которых, весьма возможно, вообще не бывает). Московский физик Вячеслав Докучаев недавно рассчитал, что в общем случае внутри горизонта могут существовать стабильные орбиты, и по ним, при удачном стечении обстоятельств, вполне могут даже летать планеты с инопланетянами . Возможно, Вячеслав сделал этот расчет лишь для того, чтобы не лишать упавшего в дыру последней надежды; потому мы и сочли своим долгом донести до читателя его выводы.
6. Ньютон и Лаплас не открывали черную дыру
Продвинутый читатель, возможно, где-то слышал, что существование черных дыр можно предсказать из теории Ньютона, и якобы Джон Митчелл и Пьер-Симон Лаплас это сделали еще в XVIII веке. На самом деле ничего такого не было.
Речь идет о «черной звезде» — настолько плотной штуке, что вторая космическая скорость для нее равна скорости света. Фотоны, испускаемые такой звездой, вылетают из нее со скоростью света, но падают обратно на поверхность. Сенсация (несостоявшаяся) в том, что радиус такой штуки легко посчитать на основе школьной физики, и он оказывается в точности равен шварцшильдовскому радиусу черной дыры. То есть вроде как Эйнштейн не открыл ничего нового?
Еще как открыл. «Черная звезда» — просто черная, и кроме этого ничем не интересна. Фотоны из нее, допустим, не вылетают, но мы с вами легко бы выбрались. Вторая космическая скорость — вещь совершенно невинная: с такой скоростью надо кинуть камень, чтобы он улетел в открытый космос. Но нам ничего не стоит начать двигаться прочь от этой звезды — как и от нашей Земли — с любой скоростью, с какой нам разрешают врачи, хоть пять километров в час. Если у нас есть ракетный двигатель и много топлива, мы даже при таком черепашьем движении рано или поздно выйдем из-под влияния гравитации любого классического небесного тела.
А вот с черной дырой этот фокус не пройдет. Вырваться из нее не могут не только брошенные камни или фотоны, но и вообще никакой объект ни с каким двигателем или топливом, что и придает этим дырам в наших глазах неизъяснимую и завораживающую прелесть.
7. Черные дыры пожароопасны
Наверное, ни к чему было упоминать об этом в беседе с нашим просвещенным читателем, но все же отметим, что черные дыры ничего не засасывают специально, а просто притягивают разные штуки в зависимости от массы и расстояния, как обычные астрономические объекты. Не так уж они и страшны, как может показаться. Если, например, наша Луна превратится в черную дыру и опустится на Москву, чтобы ее поглотить, то в городе Санкт-Петербурге будет ощущаться лишь приятное увеличение гравитации примерно в полтора раза. Ну да, питерцам придется ходить по набережным или мостам, слегка наклоняясь к северо-западу, но оно ведь того стоит.
С другой стороны, при пожирании черной дырой даже не всей Москвы, а одного лишь Кремля вместе с Боровицким холмом выделится энергия, соразмерная взрыву Чиксулубского метеорита, сгубившего динозавров (да и то если у этой дыры не будет слишком уж сильного магнитного поля). То есть непонятно, радоваться ли петербуржцам или все-таки беспокоиться.
8. Черные дыры иногда испаряются, а иногда растут
Если вы где-то читали, что черные дыры со временем испаряются, имейте в виду, что это скорее теоретическое предсказание, чем практически значимый факт. Ну да, они должны бы вроде испаряться, причем тем быстрее, чем меньше дыра. Увы, у мировой науки нет ни малейших данных о том, что где-то на свете существуют дыры массой меньше нескольких солнечных.
А те дыры, которые вроде как есть, имеют температуру, которую мы бы с вами назвали «почти абсолютный ноль». Для таких дыр даже космический микроволновой фон с температурой минус двести семьдесят по Цельсию — как приятный теплый душ. Они с удовольствием поглощают его и день ото дня только тяжелеют, а никоим образом не испаряются. Конечно, если подождать еще много миллиардов лет, ситуация изменится, но нам-то что в том проку?
9. Черные дыры могут служить народному хозяйству
Британский физик и математик Роджер Пенроуз придумал, как можно извлекать энергию из черных дыр: надо просто бросить тело этак по касательной, чтобы оно ушло от дыры с большей энергией, чем обладало до этого. Такой фокус, правда, прокатывает только с вращающимися черными дырами. Но если дыра попалась удачная и вращается быстро, то в полезную для народа энергию можно перевести больше четверти ее массы. Если бы такой удачной дырой оказалась та, что находится в центре нашей галактики, то доберись мы до нее — и потребности человечества в энергии были бы удовлетворены на миллиард триллионов триллионов лет** вперед. При условии, конечно, что эти потребности останутся на нынешнем уровне.
Следует, однако, понимать, что источник этот невозобновляемый: подоить данную черную дыру на предмет энергии можно лишь один раз, а потом она перестанет вращаться и станет бесполезной. Ищи потом замену в другой галактике.
Вот какие чудеса открываются, если долго и неотвязно размышлять о черных дырах. Потому, наверное, люди так и любят читать про эти дыры, что это их как-то подталкивает к осознанию чудесности Божьего мира.
То есть он чудесен и без дыр, но дыры упрощают понимание этого факта***.
Примечания
* Когда рассуждаешь о черных дырах, ни в чем нельзя быть уверенным наверняка: физики продолжают вести споры о том, как упавшая в дыру информация может выйти наружу в виде хокинговского излучения, а когда дыра через квадрильоны лет испарится полностью, снаружи, очевидно, окажется и ваш бесценный опыт. Ученым будущего останется только его расшифровать.
** Основную часть расчета выполнили Пенроуз и Хокинг, а мы в редакции «Сноба» только подставили цифры в формулу.
*** Автор глубоко признателен за критику астрофизику Сергей Попов, который нашел в первом варианте этой заметки много дурацких ошибок, а автор их исправил, как мог.
По мнению уважаемого Сергея Попова, такие статьи вообще не следует публиковать, потому что изложить подобный материал корректно может только «суперспециалист в данной области». Но если так рассуждать, придется поставить крест на 99% популяристики.
Спор этот идет не первый век: подобно Сергею, средневековые богословы запрещали переводить Библию на европейские языки, чтобы избежать искажений. Они, как и уважаемый Сергей, полагали, что лучше уж полное невежество, чем искаженное и опошленное знание. Но эта точка зрения постепенно сдает позиции. Сейчас принято думать, что искаженное и опошленное знание все же лучше полного невежества. Именно такое знание мы и несем читателю в меру своих сил.
Источник: snob.ru
Как на самом деле выглядит черная дыра и что происходит внутри нее? Ученые нашли новые ответы
Наверное, всем людям интересно, что представляют собой черные дыры в космосе. О них было практически ничего не известно. Сегодня ученые впервые получили фото с изображением черной дыры. Что же они выяснили? Вы знаете, что все эти фотографии черных дыр, которые вы видели в Интернете или в школьном учебнике по астрономии, являются просто иллюстрациями?
Да, они просто фальшивые выводы ученых, сделанные на основе своих расчетов. Черные дыры были одной из тех загадок науки, которую никто не понял. Вот почему недавний выпуск первого в истории фактического изображения черной дыры, расположенной в галактике M87, так важен: это первое прямое, наблюдательное свидетельство существования черных дыр.
Что это такое?
Хотя все знают этот термин, большинство из нас (которые не являются астрофизиками) могут не знать точно, что такое черная дыра. Черная дыра – это объект, настолько массивный, что из-за чрезвычайной гравитации все, даже свет, падает внутрь него. Вы все еще в замешательстве?
Подумайте о шаре для боулинга на батуте: он сильно углубляется посередине, поэтому если вы бросите на него шарики, они упадут. Черные дыры деформируют пространство и время вокруг него одинаково. Из черной дыры даже скорости света недостаточно, чтобы убежать. Пространство настолько искривлено, что единственное направление – это вниз. Вот почему они «черные» или, скорее, невидимые: ни один свет не может сбежать, чтобы мы их увидели.
Как устроена черная дыра?
Хорошо, но что такое черная дыра? Черные дыры образуются, когда обычное вещество сжимается в достаточно маленький объем. Например, когда у огромных звезд заканчивается топливо, они падают под действием силы тяжести, создавая черную дыру.
Черная дыра M87, которую удалось сфотографировать, вероятно, образовалась из огромных облаков водородного газа, что рухнул.
Что находится внутри черной дыры?
Хотя сами черные дыры не видны, ученые знали, что они существуют, так как другие объекты, такие как звезды, действуют вокруг них. Эти объекты в безопасной зоне не втягиваются, но все еще подвержены воздействию их силы. С другой стороны, материя, которая проходит точку невозврата, называемую горизонтом событий, не может вырваться из черной дыры.
Но ученые все еще пытаются выяснить, что находится внутри черной дыры. Как только водород из коллапсирующей звезды вошел, теория гравитации говорит нам, что он втиснулся в «сингулярность» в центре, но никто не знает, что происходит на самом деле. Таким образом, внутренняя часть черной дыры, вероятно, не выглядит так, как вы могли бы подумать, основываясь на видео из фильмов. Между горизонтом событий и сингулярностью нет ничего, кроме пустого пространства, подверженного чрезвычайно сильным гравитационным полям.
Что происходит с тем, что входит в черную дыру, все еще остается предметом дискуссий. Существует теория, согласно которой вещество, попадающее в черные дыры, в основном исчезает для сторонних наблюдателей и не может быть измерено. Хокинг работал над этой идеей вплоть до своей смерти в марте прошлого года, когда его последняя статья на эту тему была опубликована его коллегами в декабре 2018 года.
Что новое фото может рассказать нам о том, что находится внутри черной дыры?
Новое изображение M87, которое является не просто фотографией, а скорее сборником данных из восьми обсерваторий по всему миру, предоставляет первое свидетельство в поддержку или противоречие теории черных дыр.
Физики, которым нужны более качественные тесты теории гравитации Эйнштейна, или те, кто ищет доказательства для разрушения этой теории, захотят увидеть, что же может объяснить полученное изображение.
На изображении яркие кольца – это аккреционный диск, орбитальная масса газов прямо перед горизонтом событий. Черное пространство в середине – это «тень» черной дыры.
Тем не менее изучение измерений и особенностей изображения даст астрофизикам больше информации, чем когда-либо прежде, чтобы помочь нам понять, как работают черные дыры. Возможно, они узнают, что происходит внутри их.
Несмотря на то что черные дыры прямо над нами, у ученых все еще есть много вопросов о них. Они продолжают изучать эти объекты, делая новые предположения и выводы. Хочется верить, что в скором времени ученым удастся полностью разгадать тайну черных дыр и использовать полученную информацию по назначению.
Источник: fb.ru
Что такое черные дыры и как они образуются
Человечество уже вступило в третье тысячелетие. Научный прогресс сделал возможным то, что еще 100 лет назад казалось неосуществимой мечтой, фантастикой. Но до сих пор нет ответа на главные вопросы, над которыми бились еще философы древности: как устроен наш мир и кто мы в нем? Вглядываясь в небо, мы, как первобытные люди, пытаемся разгадать великие тайны Вселенной.
Науке на данный момент известно, что срок жизни любой звезды определяет ее масса. На первой стадии развития, когда звезда формируется из газового облака, температура в ядре поднимается до нескольких миллионов градусов. Затем в ней начинается реакция превращения водорода в гелий.
Пока водород «сгорает», звезда находится на основном этапе своей жизни, занимающем примерно 90% ее существования. Этот период называют этапом главной последовательности. Когда водород внутри звезды заканчивается, она переходит на следующий этап, в котором ее дальнейшая судьба зависит только от массы. У небольших звезд типа нашего Солнца ядро нагревается до температуры около 100 млн градусов по Цельсию, после чего гелий начинает превращаться в углерод и кислород. В этом случае оболочка раздувается настолько сильно, что в результате рождается красный гигант.
Эта стадия проходит в 10 раз быстрее этапа «горения» водорода и занимает примерно 10% от всего времени активной жизни звезды. После «выгорания» гелия сверхплотное ядро превращается в белый карлик, а прежняя оболочка расширяется и сбрасывается в космос.
Но из-за нехватки гравитации маломассивные звезды не способны разогреть свою центральную область, а углерод и кислород не могут продолжить термоядерное «горение». Однако в звездах, масса которых превышает солнечную более чем в 10 раз, температура достигает нескольких миллиардов градусов, и в них начинается реакция с образованием неона, магния, а также более тяжелых элементов вплоть до железа. В результате в центре возникает железное ядро, растущее до тех пор, пока объект не теряет устойчивость и гравитация не «сплющивает» его еще сильнее. Его центральная область сжимается, превращаясь либо в нейтронную звезду с массой до миллиарда тонн на кубический сантиметр, либо в черную дыру с массой, стремящейся к бесконечности. Черные дыры являются одними из самых удивительных и загадочных объектов окружающего нас космоса.
Черная дыра — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе и кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а ее характерный размер — гравитационным радиусом.
После своего образования черная дыра немедленно принимается поглощать умирающее светило, остаток которого начинает вращаться вокруг нее, образуя аккреционный диск, существующий очень недолго. Однако она не в состоянии быстро поглотить такое большое количество вещества, поэтому выбрасывает часть его обратно со скоростью, близкой к скорости света. При этом из черной дыры вырываются два направленных в противоположные стороны луча гамма-излучения, пробивающиеся сквозь внешний слой звезды и выбрасываемые в космос. Это очень мощный поток гамма-лучей, по яркости не сравнимый ни с чем во Вселенной. При обычном взрыве сверхновой выделяется столько энергии, сколько Солнце выделяет за 10 млрд лет своей жизни, а выброс гамма-лучей бывает в 100 млн раз ярче, чем сверхновая.
Итак, гиперновые при взрыве в конце своей жизни образуют черные дыры — это самая большая загадка космоса в настоящее время. Что же находится внутри этой незнакомой физике системы?
Черная дыра — это не твердое и не газообразное тело, она не является всего лишь пространственной единицей. Это объект, искажающий как три понятных нам измерения (длину, ширину и высоту), так и временную шкалу. Ученые считают, что в районе горизонта событий время принимает пространственное значение и может двигаться как вперед, так и назад.
Пространство-время сильно искривлено из-за огромной гравитации. Световые кванты, попадающие в черную дыру, не просто исчезают — их масса добавляется к массе сингулярности, что делает ее еще больше и увеличивает ее гравитационные силы. Основой образования точек невозврата является гравитация, величина которой там в миллионы раз превосходит земную.
Представление о том, что такое черная дыра, подарил миру немецкий ученый Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild). По его мнению, она может образоваться в любой точке пространства, когда материальный объект, имеющий сферическую форму, каким-то образом достигает так называемого гравитационного радиуса. Законы физики и геометрии отлично действуют на Земле, но полностью теряют свое значение на горизонте событий. Именно поэтому с математической точки зрения невозможно рассчитать внутренние составляющие черной дыры.
Давайте поразмышляем над тем, что такое сингулярность, из чего она может состоять и во что превращается вещество или материя в черной дыре. Если мы разгадаем эту загадку, то можем узнать, что же представляла собой сингулярность Вселенной до момента Большого взрыва.
В случаях с небольшими светилами и сверхновыми вроде бы все понятно: после взрыва вещество звезды или ее ядра теряет внутриатомное пространство и материя уплотняется из-за гравитации до известного науке состояния в виде белого карлика или нейтронной звезды. Что касается взрывов гиперновых и образования черных дыр после них, то здесь все обстоит иначе.
Давайте обратимся к известной формуле, выведенной Эйнштейном в начале прошлого столетия: E=mc² , где Е — это энергия, m — масса, а с — скорость света. Из этой формулы можно вывести и массу следующим образом: m=E/c².
Эквивалентность массы и энергии — физическая концепция Теории относительности, согласно которой полная энергия физического объекта равна его массе, умноженной на размерный множитель квадрата скорости света в вакууме. Исходя из этого, делаем вывод, что энергия и масса являются разными формами одного и того же явления. Материя и энергия могут переходить друг в друга.
С точки зрения физики вообще бессмысленно их разделять. Энергия проявляет себя как масса — обладает инерцией и гравитационным притяжением. Например, есть протон, который состоит из трех кварков, массы которых в сумме (12 МэВ) гораздо меньше массы самого протона (939 МэВ).
Даже массы частиц измеряют в энергетических единицах — электрон-вольтах, а в нормальные единицы их переводят с помощью вышеупомянутой формулы E=mc² . Исследования подтверждают, что при сближении электрона и позитрона они аннигилируют, то есть исчезают. При этом излучаются два гамма-луча, что снова доказывает преобразование массы в энергию. Следовательно, материя и энергия эквивалентны. При трансформации материи в энергию сохраняется свойство гравитации и искривления пространства-времени, присущее материи, трансформированной в энергию.
К слову, такая трансформация частично воплощена в атомной бомбе, где частицы материи разрушаются, высвобождая при этом огромное количество энергии. При реакции деления ядер атомов тяжелых элементов (например, урана) общая масса образовавшихся «осколков» оказывается меньше, чем масса разделившегося ядра. Получается, что часть его массы превратилась в энергию, которую мы называем атомной.
Превращение материи в энергию можно наблюдать на примере зажженной спички. При ее горении тоже выделяется энергия от потери массы, но она незначительна по сравнению с реакцией распада ядра. Огонь — результат химической реакции горения.
Как и в ядерной реакции, при горении сумма масс продуктов реакции меньше исходной массы горючего и окислителя (последним чаще всего служит кислород воздуха). Разность начальной и конечной масс превращается в кинетическую (тепловую) энергию продуктов реакции, которые вместе с раскаленными до высоких температур частицами углерода создают пламя, излучая видимый глазом свет. В огне химических реакций происходит то же эйнштейновское преобразование массы в энергию, что и, например, в звездах. К тому же и сам свет, как энергия, рождается в недрах вещества в ходе термоядерных реакций в ядрах звезд.
Можно проследить за превращением энергии в материю и наоборот на примере собственного организма. Начнем с фундаментальных принципов.
Основой биологической жизни на земле является фотосинтез — сложный химический процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов. В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндергонических реакциях.
То есть энергия квантов света превращается в органическое вещество, потребляемое в пищу животным миром, в том числе и после перевода его в мясопродукты. В результате переработки пищи организмом материя становится энергией, необходимой для жизнедеятельности. Так, углеводы расщепляются до состояния глюкозы, восполняющей потребности человеческого организма в энергии. Избыток ее хранится в виде гликогена. Вообще под калорийностью или энергетической ценностью пищи подразумевается количество энергии, которое получает организм при полном ее усвоении.
Во всем процессе существования Вселенной и органической жизни прослеживается трансформация энергии в материю и наоборот. Энергия — это душа материи.
Возвращаясь к черным дырам, можно предположить, что сингулярность — это энергетическая составляющая искаженной области пространства-времени. Гиперновые при взрыве в результате мощнейшего гравитационного коллапса превращают материю ядра звезды в энергию.
Процесс материально-энергетической трансформации черной дыры может происходить с точностью до наоборот по сравнению с так называемым Большим взрывом, в результате которого энергия трансформировалась в материю окружающей нас Вселенной. Это означает, что при гравитационном коллапсе сверхмассивной звезды вначале атомы распадаются на ядра и электроны. Впоследствии первые продолжают распадаться на протоны и нейтроны, а те — на составляющие их кварки. В этот момент фундаментальные силы объединяются и перестают работать известные нам законы физики, после чего вся материя бывшей звезды трансформируется в энергетическую субстанцию, называемую сингулярностью.
Между прочим, если исходить из теории струн, а именно из того, что каждая элементарная частица представляет собой определенный способ вибрации мельчайших энергетических нитей (лучше всего их можно изобразить в виде струн музыкальных инструментов), то можно представить себе, что при гравитационном коллапсе сверхмассивной звезды все энергетические составляющие элементарных частиц — уже упомянутые струны — сливаются вместе в одну маленькую энергетическую точку. В таком случае сингулярность выглядит как собранные воедино энергетические струны.
Допустим, что при Большом взрыве не вся энергия трансформировалась в материю. Часть ее сохранилась и была разбросана по просторам зарождающейся Вселенной. Обладая мощной гравитацией или искривлением пространства-времени, эти немалые объемы энергии создавали вокруг себя галактики, превращаясь со временем в сверхмассивные черные дыры, которые до сих пор находятся в центре большинства звездных систем (преимущественно спиральных), характеризующихся большим суммарным вращательным моментом.
Гипотетическая Мультивселенная Вероятно, внутри черной дыры образуются совсем иные миры. Они могут состоять из антивещества, которое ныне незнакомо ученым. Существует предположение, что горизонт событий — это лишь портал, ведущий либо в другой мир, либо в другие точки нашей Вселенной.
Возможен вариант, что материя, трансформированная в энергию черной дырой, вновь материализуется через так называемые белые дыры, которые эту материю выбрасывают в окружающее пространство или создают новые вселенные. В таком случае вселенных должно быть великое множество, как, собственно, и предсказывает теория Мультиверса (Мультивселенной). Гипотетически можно предположить еще немало вариантов, но оставим эту тему для размышления нашим читателям…
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Редактор новостной ленты и автор статей
Еще с детства начал интересоваться космосом, астрономией и всем, что с ними связано. Со временем это хобби переросло в профессиональное увлечение. В The Universe. Space. Tech занимаюсь написанием новостей, фактчекингом и подготовкой различных аналитических материалов.
Источник: universemagazine.com