Чтение онлайн

Начиная в середине XIX в. разработку теории электромагнетизма, Джеймс Клерк Максвелл располагал большими количествами информации об электрическом и магнитном полях. В частности, удивительным был тот факт, что электрические и магнитные силы убывают с расстоянием в точности так же, как и сила тяжести. И гравитационные, и электромагнитные силы - это силы большого радиуса действия. Их можно ощутить на очень большом удалении от их источников. Напротив, силы, связывающие воедино ядра атомов, - силы сильного и слабого взаимодействий - имеют короткий радиус действия. Ядерные силы дают о себе знать лишь в очень малой области, окружающей ядерные частицы.

Большой радиус действия электромагнитных сил означает, что физик, находясь далеко от чёрной дыры, может предпринять эксперименты для выяснения, заряжена эта дыра или нет. Если у чёрной дыры имеется электрический заряд (положительный или отрицательный) или магнитный заряд (соответствующий северному или юному магнитному полюсу), то находящийся вдалеке физик способен при помощи чувствительных приборов обнаружить существование этих зарядов. Таким образом, кроме информации о массе не теряется также информация о заряде чёрной дыры.

Существует третий (и последний) важный эффект, который может измерить удалённый физик. Как будет видно из следующей главы, любой вращающийся объект стремится вовлечь во вращение окружающее его пространство-время. Это явление называется эффектом Лензе-Тирринга или эффектом увлечения инерциальных систем. Наша Земля при вращении тоже увлекает за собой пространство и время, но в очень малой степени. Но для быстро вращающихся массивных объектов этот эффект становится заметнее, и если чёрная дыра образовалась из вращающейся звезды, то увлечение пространства-времени вблизи неё будет вполне ощутимым. Физик, находящийся в космическом корабле вдали от этой чёрной дыры, заметит, что он постепенно вовлекается во вращение вокруг дыры в. ту же сторону, в которую вращается она сама. И чем ближе к вращающейся чёрной дыре окажется наш физик, тем сильнее будет это вовлечение.

Рассматривая любое вращающееся тело, физики часто говорят о его моменте количества движения; это - величина, определяемая как массой тела, так и скоростью его вращения. Чем быстрее вращается тело, тем больше его момент количества движения. Помимо массы и заряда момент количества движения чёрной дыры является той её характеристикой, информация о которой не теряется.

В конце 1960-х-начале 1970-х годов астрофизики-теоретики упорно трудились над проблемой: информация о каких свойствах чёрных дыр сохраняется, а о каких теряется в них? Плодом их усилий оказалась знаменитая теорема о том, что «у чёрной дыры нет волос», впервые сформулированная Джоном Уилером из Принстонского университета (США). Мы уже видели, что характеристики чёрной дыры, которые могут быть измерены удалённым наблюдателем, - это её масса, её заряд и её момент количества движения. Эти три основные характеристики сохраняются при образовании чёрной дыры и определяют геометрию пространства-времени вблизи неё. Работами Стивена Хоукинга, Вернера Израэла, Брандона Картера, Дэвида Робинсона и других исследователей было показано, что только эти характеристики сохраняются при образовании чёрных дыр. Иными словами, если задать массу, заряд и момент количества движения чёрной дыры, то о ней уже будет известно всё - у чёрных дыр нет иных свойств, кроме массы, заряда и момента количества движения. Таким образом, чёрные дыры - это очень простые объекты; они гораздо проще, чем звёзды, из которых чёрные дыры возникают. Для полного описания звезды требуется знание большого количества характеристик, таких, как химический состав, давление, плотность и температура на разных глубинах. Ничего подобного у чёрной дыры нет (рис. 10.1). Право же, у чёрной дыры совсем нет волос!

РИС. 10.1. «У чёрной дыры нет волос!» Почти всякая информация о телах, падающих в чёрную дыру, теряется навсегда. Избегают «переваривания» дырой только масса, заряд и момент количества движения падающих в неё объектов. Это значит, что чёрные дыры - очень простые объекты. Их полное описание характеризуется всего тремя параметрами - массой, зарядом и моментом импульса. (По Дж. Уилеру.)

Поскольку чёрные дыры полностью описываются тремя параметрами (массой, зарядом и моментом количества движения), то должно существовать лишь несколько решений уравнений гравитационного поля Эйнштейна, причем каждое описывает свой «добропорядочный» тип чёрных дыр. Например, в предыдущих двух главах мы рассмотрели простейший тип чёрной дыры; эта дыра имеет лишь массу, и её геометрия определяется решением Шварцшильда. Решение Шварцшильда было найдено в 1916 г., и хотя с тех пор было получено много других решений для чёрных дыр, обладающих только массой, все они оказались ему эквивалентными.

Невозможно представить себе, как могли бы чёрные дыры образоваться без вещества. Поэтому у любой чёрной дыры должна быть масса. Но вдобавок к массе у дыры могли бы существовать электрический заряд или вращение или и то, и другое вместе. Между 1916 и 1918 гг. Г. Райснер и Г. Нордстрём нашли решение уравнений поля, описывающее чёрную дыру с массой и зарядом. Следующий шаг на этом пути задержался до 1963 г., когда Рой П. Керр нашёл решение для чёрной дыры, обладающей массой и моментом количества движения. Наконец, в 1965 г. Ньюмэн, Коч, Чиннапаред, Экстон, Пракаш и Торренс опубликовали решение для самого сложного типа чёрной дыры, а именно для дыры с массой, зарядом и моментом количества движения. Каждое из этих решений единственно - других возможных решений нет. Чёрная дыра характеризуется, самое большее, тремя параметрами– массой (обозначаемой через М), зарядом (электрическим или магнитным, обозначается через Q) и моментом количества движения (обозначается через а.) Все эти возможные решения сведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ ПОЛЯ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ

Типы чёрной дыры

Описание чёрной дыры

Название решения

Год получения

Только масса (параметр

М

)

Самая «простая» чёрная дыра. Обладает лишь массой. Сферически симметрична

Решение Шварцшильда

1916

Масса и заряд (параметры

М, Q

)

Заряженная чёрная дыра. Обладает массой и зарядом (электрическим или магнитным). Сферически симметрична

Решение Райснера-Нордстрёма

1916 и 1918

Масса и момент импульса (параметры

М

,

а

)

Вращающаяся чёрная дыра. Обладает массой и моментом количества движения. Осесимметрична

Решение Керра

1963

Масса, заряд и момент импульса (параметры

М

,

Q

,

а

)

Вращающаяся заряженная чёрная дыра, самая сложная из всех. Осесимметрична

Решение Керра-Ньюмэна

1965

Геометрия чёрной дыры решающим образом зависит от введения каждого дополнительного параметра (заряда, вращения или их вместе). Решения Райснера-Нордстрёма и Керра сильно отличаются как друг от друга, так и от решения Шварцшильда. Конечно, в пределе, когда заряд и момент количества движения обращаются в нуль (Q– > 0 и а– > 0), все три более сложных решения сводятся к решению Шварцшильда. И всё же чёрные дыры, обладающие зарядом и/или моментом количества движения, имеют ряд замечательных свойств.

Во время первой мировой войны Г. Райснер и Г. Нордстрём открыли решение эйнштейновских уравнений гравитационного поля, полностью описывающее «заряженную» чёрную дыру. У такой чёрной дыры может быть электрический заряд (положительный или отрицательный) и/или магнитный заряд (соответствующий северному или южному магнитному полюсу). Если электрически заряженные тела - дело обычное, то магнитно заряженные - вовсе нет. Тела, у которых есть магнитное поле (например, обычный магнит, стрелка компаса, Земля), обладают обязательно и северным и южными полюсами сразу. До самого последнего времени большинство физиков считали, что магнитные полюсы всегда встречаются только парами. Однако в 1975 г. группа учёных из Беркли и Хьюстона объявила, что в ходе одного из экспериментов ими открыт магнитный монополь. Если эти результаты подтвердятся, то окажется, что могут существовать и отдельные магнитные заряды, т.е. что северный магнитный полюс может существовать отдельно от южного, и обратно. Решение Райснера-Нордстрёма допускает возможность существования у чёрной дыры магнитного поля монополя. Независимо от того, как чёрная дыра приобрела свой заряд, все свойства этого заряда в решении Райснера-Нордстрёма объединяются в одну характеристику - число Q. Эта особенность аналогична тому факту, что решение Шварцшильда не зависит от того, каким образом чёрная дыра приобрела свою массу. Её могли составить слоны, камни или звёзды - конечный результат будет всегда одним и тем же. При этом геометрия пространства-времени в решении Райснера-Нордстрёма не зависит от природы заряда. Он может быть положительным, отрицательным, соответствовать северному магнитному полюсу или южному - важно лишь его полное значение, которое можно записать как |Q|. Итак, свойства чёрной дыры Райснера-Нордстрёма зависят лишь от двух параметров - полной массы дыры М и её полного заряда |Q| (иными словами, от его абсолютной величины).

Размышляя о реальных чёрных дырах, которые могли бы реально существовать в нашей Вселенной, физики пришли к заключению, что решение Райснера-Нордстрёма оказывается не очень существенным, ибо электромагнитные силы намного больше сил тяготения. Например, электрическое поле электрона или протона в триллионы триллионов раз сильнее их гравитационного поля. Это значит, что если у чёрной дыры был бы достаточно большой заряд, то огромные силы электромагнитного происхождения быстро разбросали бы во все стороны газ и атомы, «плавающие» в космосе. В самое короткое время частицы, имеющие такой же знак заряда, как и чёрная дыра, испытали бы мощное отталкивание, а частицы с противоположным знаком заряда - столь же мощное притяжение к ней. Притягивая частицы с зарядом противоположного знака, чёрная дыра вскоре стала бы электрически нейтральной. Поэтому можно полагать, что реальные чёрные дыры обладают зарядом лишь малой величины. Для реальных чёрных дыр значение |Q| М. В самом деле, из расчётов следует, что чёрные дыры, которые могли бы реально существовать в космосе, должны иметь массу М по крайней мере в миллиард миллиардов раз большую, чем величина |Q|. Математически это выражается неравенством М >>|Q|.