«Наука не является и никогда не будет являться законченной книгой»
Альберт Эйнштейн
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 МультивселеннаяВероятно, 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!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
