การค้นพบหลุมดำหมายถึงอะไร? หลุมดำ: วัตถุลึกลับที่สุดในจักรวาล หลุมดำตายอย่างไร

หลุมดำเป็นพื้นที่ของกาล-อวกาศ แรงดึงดูดของหลุมดำนั้นยิ่งใหญ่จนแม้แต่วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง รวมทั้งควอนตัมของแสงเองก็ไม่สามารถละทิ้งมันไปได้ ขอบเขตของพื้นที่นี้เรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ และขนาดลักษณะเฉพาะของมันเรียกว่ารัศมีความโน้มถ่วง

แนวคิดเรื่อง "หลุมดำ" เกิดขึ้นครั้งแรกในปี 1916 เมื่อ Schwarzschild นักฟิสิกส์กำลังแก้สมการของ Einstein คณิตศาสตร์ได้นำไปสู่ข้อสรุปที่แปลกประหลาดเกี่ยวกับการมีอยู่ของวัตถุที่มีขนาดกะทัดรัด ซึ่งขอบฟ้าเหตุการณ์ที่มีคุณสมบัติที่น่าสนใจเกิดขึ้น แต่คำว่า "หลุมดำ" นั้นยังไม่มีอยู่จริง ขอบฟ้าเหตุการณ์เป็นพื้นที่ของอวกาศรอบหลุมดำ ซึ่งครั้งหนึ่งสสารจะไม่สามารถออกจากบริเวณนี้และตกลงไปในหลุมดำได้ แสงยังสามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงมหาศาลส่งกระแสสุดท้ายจากสสารที่หายไปได้ แต่เพียงช่วงสั้นๆ เท่านั้น จนกระทั่งสสารที่ตกลงมานั้นเข้าสู่เขตภาวะเอกฐาน ซึ่งนอกเหนือไปจากที่คาร์ล ชวาร์สไชลด์ นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมันผู้หนึ่ง ของผู้ก่อตั้งฟิสิกส์ดาราศาสตร์เชิงทฤษฎีไม่มีอีกต่อไป

ในช่วงทศวรรษที่ 1930 แชดวิกได้ค้นพบนิวตรอน ในไม่ช้าก็มีการเสนอสมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ของดาวนิวตริโน ซึ่งมวลมากกลายเป็นสิ่งไม่เสถียรและหดตัวลงจนอยู่ในสภาพพังทลาย คำว่า "หลุมดำ" ยังไม่มีอยู่จริง และในช่วงปลายทศวรรษ 1960 John Wheeler ชาวอเมริกันกล่าวว่า "หลุมดำ" นี่คือจุดในอวกาศที่สสารและพลังงานหายไปภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ในสถานที่นี้ แรงโน้มถ่วงนั้นแรงมากจนทุกสิ่งที่อยู่ใกล้เคียงถูกดูดเข้าไป แม้แต่ลำแสงก็ไม่สามารถเล็ดลอดออกมาจากที่นั่นได้ ดังนั้นหลุมดำจึงมองไม่เห็นโดยสิ้นเชิง จอห์น วีลเลอร์ นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน

สามารถตรวจจับ "หลุมดำ" ได้ด้วยรังสีเอกซ์เฉพาะที่เกิดขึ้นเมื่อมันดูดสสารเข้าไปในตัวมันเอง ในปี 1970 ดาวเทียม Uhuru ของอเมริกา (ในภาษาถิ่นหนึ่งของแอฟริกา - "Freedom") บันทึกการปล่อยรังสีเอกซ์เฉพาะ ตั้งแต่นั้นมา "หลุมดำ" ไม่เพียงมีอยู่ในการคำนวณเท่านั้น สำหรับการศึกษาเหล่านี้ Riccardo Giacconi ได้รับรางวัลโนเบลในปี 2545 Riccardo Giacconi นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันเชื้อสายอิตาลี ผู้ชนะรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2545 "สำหรับการประดิษฐ์ดาราศาสตร์รังสีเอกซ์และการประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์"

ในขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบวัตถุประมาณหนึ่งพันชิ้นในเอกภพ ซึ่งจัดอยู่ในประเภทหลุมดำ โดยรวมแล้วนักวิทยาศาสตร์แนะนำว่ามีวัตถุดังกล่าวนับสิบล้านชิ้น ในปัจจุบัน วิธีเดียวที่เชื่อถือได้ในการแยกแยะหลุมดำจากวัตถุประเภทอื่นคือการวัดมวลและขนาดของวัตถุและเปรียบเทียบรัศมีกับรัศมีความโน้มถ่วง ซึ่งได้จากสูตร = โดยที่ G คือค่าคงที่แรงโน้มถ่วง , M คือมวลของวัตถุ, c คือหลุมดำมวลมหาศาลความเร็วแสง หลุมดำขนาดใหญ่ที่ขยายตัวออกมาก่อตัวเป็นแกนกลางของกาแลคซีส่วนใหญ่ ซึ่งรวมถึงหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางกาแลคซีของเรา Sagittarius A* ซึ่งเป็นหลุมดำมวลมหาศาลที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด ในปัจจุบัน การมีอยู่ของหลุมดำในระดับดาวฤกษ์และระดับดาราจักรได้รับการพิจารณาโดยนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ว่าได้รับการพิสูจน์อย่างน่าเชื่อถือจากการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันพบว่ามวลของหลุมดำมวลมหาศาลสามารถถูกประเมินต่ำเกินไป นักวิจัยพบว่าเพื่อให้ดาวเคลื่อนที่ในกาแล็กซี M87 (ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 50 ล้านปีแสง) ตามที่สังเกตได้ในขณะนี้ มวลของใจกลาง หลุมดำควรเป็นเหมือน Radio Galaxy Pic A มองเห็นไอพ่นเอ็กซ์เรย์ (สีน้ำเงิน) ยาว 300,000 ปีแสง ซึ่งมาจาก

การตรวจจับหลุมดำมวลมหาศาล หลักฐานการมีอยู่ของหลุมดำมวลมหาศาลในใจกลางกาแลคซีถือว่าน่าเชื่อถือที่สุด ทุกวันนี้ ความละเอียดของกล้องโทรทรรศน์ไม่เพียงพอที่จะแยกแยะพื้นที่ของอวกาศตามลำดับรัศมีความโน้มถ่วงของหลุมดำ มีหลายวิธีในการหามวลและขนาดโดยประมาณของวัตถุมวลมหาศาล แต่ส่วนใหญ่ใช้วิธีวัดจากลักษณะของวงโคจรของวัตถุที่หมุนรอบตัว (ดาวฤกษ์ แหล่งกำเนิดวิทยุ จานก๊าซ) ในกรณีที่ง่ายที่สุดและพบได้บ่อย การกลับรายการเกิดขึ้นตามวงโคจรของ Keplerian ซึ่งเห็นได้จากสัดส่วนของความเร็วในการหมุนของดาวเทียมต่อรากที่สองของแกนกึ่งเอกของวงโคจร: ในกรณีนี้ มวลของลำตัวส่วนกลางหาได้จากสูตรที่รู้จักกันดี

การคิดแบบวิทยาศาสตร์บางครั้งสร้างวัตถุที่มีคุณสมบัติที่ขัดแย้งกัน ซึ่งแม้แต่นักวิทยาศาสตร์ที่ฉลาดหลักแหลมที่สุดในตอนแรกก็ยังปฏิเสธที่จะจดจำมัน ตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดในประวัติศาสตร์ของฟิสิกส์สมัยใหม่คือการขาดความสนใจในระยะยาวเกี่ยวกับหลุมดำซึ่งเป็นสภาวะสุดโต่ง สนามแรงโน้มถ่วงคำทำนายเมื่อเกือบ 90 ปีที่แล้ว เป็นเวลานานแล้วที่พวกเขาถูกมองว่าเป็นเพียงนามธรรมทางทฤษฎีเท่านั้น และในปี 1960 และ 70 เท่านั้นที่พวกเขาเชื่อในความเป็นจริงของพวกเขา อย่างไรก็ตาม สมการพื้นฐานของทฤษฎีหลุมดำได้รับมาเมื่อสองร้อยปีที่แล้ว

ข้อมูลเชิงลึกของ John Michell

ชื่อของจอห์น มิเชล นักฟิสิกส์ นักดาราศาสตร์และนักธรณีวิทยา ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ และศิษยาภิบาลแห่งนิกายเชิร์ชออฟอิงแลนด์ สูญหายไปอย่างสิ้นเชิงท่ามกลางดวงดาวแห่งวิทยาศาสตร์อังกฤษในศตวรรษที่ 18 มิเชลล์วางรากฐานของ seismology วิทยาศาสตร์ของแผ่นดินไหว ทำการศึกษาเกี่ยวกับแม่เหล็กอย่างดีเยี่ยม และนานก่อนที่คูลอมบ์จะคิดค้นสมดุลแรงบิดที่เขาใช้สำหรับการวัดแบบกราวิเมตริก ในปี ค.ศ. 1783 เขาพยายามผสมผสานการสร้างสรรค์ กลไกและทัศนศาสตร์ที่ยอดเยี่ยมสองอย่างของนิวตัน นิวตันถือว่าแสงเป็นกระแสของอนุภาคเล็กๆ มิเชลล์เสนอว่า มวลเบาก็เหมือนกับสสารทั่วไป ปฏิบัติตามกฎของกลศาสตร์ ผลที่ตามมาของสมมติฐานนี้กลายเป็นเรื่องที่ไม่สำคัญมากนัก - เทห์ฟากฟ้าสามารถกลายเป็นกับดักของแสงได้

มิเชลคิดยังไง? ลูกกระสุนปืนใหญ่ที่ยิงจากพื้นผิวของดาวเคราะห์จะเอาชนะแรงโน้มถ่วงของมันได้อย่างสมบูรณ์ก็ต่อเมื่อความเร็วเริ่มต้นของมันเกินกว่าที่ปัจจุบันเรียกว่าความเร็วในอวกาศที่สองและความเร็วหนี หากแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์มีมากจนทำให้ความเร็วหลุดพ้นเกินกว่าความเร็วแสง มวลสารแสงที่ยิงไปที่จุดสูงสุดจะไม่สามารถหนีออกไปจนสุดขอบฟ้าได้ สิ่งเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นกับแสงสะท้อน ดังนั้นสำหรับผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ไกลมาก ดาวเคราะห์จะมองไม่เห็น มิเชลล์คำนวณค่าวิกฤตของรัศมีของดาวเคราะห์ดังกล่าว Rcr ขึ้นอยู่กับมวลของมัน M ซึ่งลดลงเท่ากับมวลของดวงอาทิตย์ Ms: Rcr = 3 km x M/Ms

จอห์น มิเชลล์เชื่อในสูตรของเขาและสันนิษฐานว่าส่วนลึกของอวกาศซ่อนดวงดาวจำนวนมากที่ไม่สามารถมองเห็นได้จากโลกด้วยกล้องโทรทรรศน์ใดๆ ต่อมา นักคณิตศาสตร์ นักดาราศาสตร์ และนักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ชาวฝรั่งเศส ปิแอร์ ไซมอน ลาปลาซ ได้ข้อสรุปเดียวกันและรวมไว้ในนิทรรศการระบบโลกทั้งฉบับแรก (ค.ศ. 1796) และฉบับที่สอง (ค.ศ. 1799) แต่ฉบับที่สามได้รับการตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2351 เมื่อนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ถือว่าแสงเป็นการสั่นสะเทือนของอีเธอร์ การดำรงอยู่ของดวงดาวที่ "มองไม่เห็น" นั้นขัดแย้งกัน ทฤษฎีคลื่นแสง และ Laplace คิดว่าเป็นการดีที่สุดที่จะไม่พูดถึงพวกเขา ในเวลาต่อมา แนวคิดนี้ถือเป็นความอยากรู้อยากเห็น สมควรแก่การอธิบายเฉพาะในงานเกี่ยวกับประวัติศาสตร์ฟิสิกส์เท่านั้น

โมเดล Schwarzschild

ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2458 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้เผยแพร่ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงซึ่งเขาเรียกว่า ทฤษฎีทั่วไปทฤษฎีสัมพัทธภาพ (GR) งานนี้พบผู้อ่านที่ชื่นชมในตัวของเพื่อนร่วมงานของเขาจาก Karl Schwarzschild จาก Berlin Academy of Sciences Schwarzschild เป็นคนแรกในโลกที่ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในการแก้ปัญหาเฉพาะทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ เพื่อคำนวณการวัดกาลอวกาศภายนอกและภายในวัตถุทรงกลมที่ไม่หมุน (สำหรับรูปธรรม เราจะเรียกมันว่าดาวฤกษ์)

ตามมาจากการคำนวณของ Schwarzschild ว่าแรงโน้มถ่วงของดาวไม่ได้บิดเบือนโครงสร้างอวกาศและเวลาของนิวตันอย่างมาก ก็ต่อเมื่อรัศมีของมันมากกว่าค่าที่ John Michell คำนวณไว้มาก! พารามิเตอร์นี้เดิมเรียกว่ารัศมี Schwarzschild และปัจจุบันเรียกว่ารัศมีความโน้มถ่วง ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แรงโน้มถ่วงไม่ส่งผลต่อความเร็วของแสง แต่ลดความถี่ของการสั่นของแสงในสัดส่วนเดียวกับที่ทำให้เวลาช้าลง หากรัศมีของดาวฤกษ์มีค่ามากกว่ารัศมีความโน้มถ่วง 4 เท่า การไหลของเวลาบนพื้นผิวของดาวฤกษ์จะช้าลง 15% และอวกาศจะมีความโค้งที่สังเกตได้ เมื่อเกินสองเท่า โค้งมากขึ้น และเวลาเดินช้าลง 41% เมื่อถึงรัศมีความโน้มถ่วง เวลาบนพื้นผิวดาวจะหยุดลงอย่างสมบูรณ์ (ความถี่ทั้งหมดเป็นศูนย์ รังสีถูกแช่แข็ง และดาวดับ) แต่ความโค้งของอวกาศยังคงมีขอบเขตจำกัด ห่างไกลจากดวงอาทิตย์ รูปทรงเรขาคณิตยังคงเป็นแบบยุคลิด และเวลาไม่ได้เปลี่ยนความเร็วของมัน

แม้ว่าค่ารัศมีแรงโน้มถ่วงของ Michell และ Schwarzschild จะเท่ากัน แต่ตัวแบบเองก็ไม่มีอะไรเหมือนกัน สำหรับมิเชลล์ พื้นที่และเวลาไม่เปลี่ยนแปลง แต่แสงจะช้าลง ดาวฤกษ์ที่มีขนาดที่เล็กกว่ารัศมีความโน้มถ่วงยังคงส่องแสงอยู่ แต่มีเพียงผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ไม่ไกลเท่านั้นที่มองเห็นได้ สำหรับ Schwarzschild แล้ว ความเร็วของแสงเป็นสิ่งสัมบูรณ์ แต่โครงสร้างของอวกาศและเวลาขึ้นอยู่กับแรงโน้มถ่วง ดาวฤกษ์ที่ตกลงมาภายใต้รัศมีความโน้มถ่วงจะหายไปสำหรับผู้สังเกตการณ์ทุกคน ไม่ว่าเขาจะอยู่ที่ใด (แม่นยำกว่านั้น มันสามารถตรวจจับได้ด้วยผลกระทบจากแรงโน้มถ่วง แต่ไม่สามารถตรวจจับได้โดยการแผ่รังสี)

จากความไม่เชื่อกลายเป็นการยืนยัน

Schwarzschild และผู้ร่วมสมัยของเขาเชื่อว่าเป็นเรื่องแปลก วัตถุอวกาศไม่มีอยู่ในธรรมชาติ ไอน์สไตน์เองไม่เพียง แต่ยึดมั่นในมุมมองนี้เท่านั้น แต่ยังเชื่ออย่างผิด ๆ ว่าเขาสามารถยืนยันความคิดเห็นของเขาทางคณิตศาสตร์ได้

ในช่วงทศวรรษที่ 1930 Chandrasekhar นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์อายุน้อยชาวอินเดีย ได้พิสูจน์ว่าดาวฤกษ์ที่ใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์หมดไปจะสูญเสียเปลือกและกลายเป็นดาวแคระขาวที่เย็นตัวลงอย่างช้าๆ ก็ต่อเมื่อมีมวลน้อยกว่า 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ในไม่ช้า American Fritz Zwicky ก็เดาได้ว่าวัตถุนิวตรอนที่มีความหนาแน่นสูงนั้นเกิดจากการระเบิดของซุปเปอร์โนวา ต่อมา Lev Landau ก็ได้ข้อสรุปเดียวกัน หลังจากงานของ Chandrasekhar เห็นได้ชัดว่ามีเพียงดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่า 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์เท่านั้นที่สามารถวิวัฒนาการเช่นนี้ได้ ดังนั้นจึงมีคำถามตามธรรมชาติเกิดขึ้น - มีขีดจำกัดของมวลบนสำหรับซุปเปอร์โนวาที่ดาวนิวตรอนทิ้งไว้หรือไม่?

ในช่วงปลายยุค 30 พ่อในอนาคตของชาวอเมริกัน ระเบิดปรมาณู Robert Oppenheimer พบว่าขีดจำกัดดังกล่าวมีอยู่จริงและมีมวลไม่เกินสองสามเท่าของมวลดวงอาทิตย์ เป็นไปไม่ได้ที่จะให้การประเมินที่แม่นยำกว่านี้ ตอนนี้เป็นที่ทราบกันว่ามวลของดาวนิวตรอนต้องอยู่ในช่วง 1.5-3 M s แต่จากการคำนวณโดยประมาณของออพเพนไฮเมอร์และจอร์จ วอลคอฟ นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของเขา ผลที่ตามมาก็คือลูกหลานของซูเปอร์โนวาที่มีมวลมากที่สุดจะไม่กลายเป็นดาวนิวตรอน แต่ไปอยู่ในสถานะอื่น ในปี 1939 Oppenheimer และ Hartland Snyder ได้พิสูจน์ด้วยแบบจำลองในอุดมคติว่าดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ที่ยุบตัวจะหดตัวตามรัศมีความโน้มถ่วง จากสูตรของพวกเขา ตามจริงแล้ว ดาวไม่ได้หยุดเพียงแค่นั้น แต่ผู้เขียนร่วมละเว้นจากข้อสรุปที่ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

คำตอบสุดท้ายถูกค้นพบในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 โดยความพยายามของนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่ปราดเปรื่องในดาราจักร ซึ่งรวมถึงนักฟิสิกส์ชาวโซเวียตด้วย ปรากฎว่ายุบดังกล่าว เสมอบีบอัดดาว "จนสุด" ทำลายสารของมันอย่างสมบูรณ์ เป็นผลให้ภาวะเอกฐานเกิดขึ้น ซึ่งเป็น "ความเข้มข้นยิ่งยวด" ของสนามโน้มถ่วง ปิดในปริมาตรที่น้อยมาก สำหรับรูคงที่ นี่คือจุด สำหรับรูหมุน มันคือวงแหวน ความโค้งของกาลอวกาศและผลก็คือ แรงโน้มถ่วงที่อยู่ใกล้กับภาวะเอกฐานมีแนวโน้มที่จะไม่มีที่สิ้นสุด ปลายปี พ.ศ. 2510 จอห์น อาร์ชิบัลด์ วีลเลอร์ นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันเป็นคนแรกที่เรียกการยุบตัวของดาวฤกษ์ดวงสุดท้ายว่าหลุมดำ คำศัพท์ใหม่นี้ตกหลุมรักกับนักฟิสิกส์และนักข่าวที่ชื่นชอบซึ่งเผยแพร่ไปทั่วโลก (แม้ว่าชาวฝรั่งเศสจะไม่ชอบในตอนแรก เพราะการแสดงออกของ trou noir บ่งบอกถึงความสัมพันธ์ที่น่าสงสัย)

ที่นั่น ไกลออกไปสุดขอบฟ้า

หลุมดำไม่ใช่สสารหรือรังสี เราสามารถพูดได้ว่านี่เป็นสนามโน้มถ่วงที่คงอยู่ได้เอง ซึ่งกระจุกตัวอยู่ในปริภูมิ-เวลาที่มีความโค้งสูง ขอบเขตภายนอกถูกกำหนดโดยพื้นผิวปิด ซึ่งก็คือขอบฟ้าเหตุการณ์ หากดาวไม่หมุนก่อนการล่มสลายพื้นผิวนี้จะกลายเป็นทรงกลมปกติซึ่งมีรัศมีตรงกับรัศมีชวาร์สไชลด์

ความหมายทางกายภาพของเส้นขอบฟ้านั้นชัดเจนมาก สัญญาณไฟที่ส่งมาจากพื้นที่รอบนอกสามารถเดินทางได้ไกลเป็นอนันต์ แต่สัญญาณที่ส่งมาจากพื้นที่ภายในจะไม่เพียงไม่ข้ามขอบฟ้าเท่านั้น แต่ยังจะ "ตกลง" ไปสู่ภาวะเอกฐานอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ขอบฟ้าอยู่ ขอบเขตเชิงพื้นที่ระหว่างเหตุการณ์ที่อาจเป็นที่รู้จักของนักดาราศาสตร์ภาคพื้นดิน (และอื่น ๆ ) กับเหตุการณ์ ข้อมูลที่จะไม่เปิดเผยไม่ว่าในกรณีใด ๆ

ตามที่ควรจะเป็น "ตาม Schwarzschild" ไกลจากขอบฟ้า แรงดึงดูดของหลุมจะแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง ดังนั้น สำหรับผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกล นอกจากมวลแล้ว หลุมนี้ยังสืบทอดโมเมนต์ความเฉื่อยของดาวฤกษ์ที่ยุบตัวและประจุไฟฟ้าด้วย และลักษณะอื่นๆ ทั้งหมดของดาวฤกษ์รุ่นก่อน (โครงสร้าง องค์ประกอบ ประเภทสเปกตรัม ฯลฯ) จะถูกลืมเลือนไป

ลองส่งโพรบไปที่รูด้วยสถานีวิทยุที่ส่งสัญญาณวินาทีละครั้งตามเวลาออนบอร์ด สำหรับผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกล เมื่อโพรบเข้าใกล้เส้นขอบฟ้า ช่วงเวลาระหว่างสัญญาณจะเพิ่มขึ้น โดยหลักการแล้วจะไม่มีกำหนด ทันทีที่เรือข้ามขอบฟ้าที่มองไม่เห็น มันจะเงียบสนิทสำหรับโลก "เหนือหลุม" อย่างไรก็ตาม การหายไปนี้จะไม่ไร้ร่องรอย เนื่องจากโพรบจะให้มวล ประจุ และแรงบิดแก่รู

การแผ่รังสีของหลุมดำ

โมเดลก่อนหน้านี้ทั้งหมดสร้างขึ้นบนพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเท่านั้น อย่างไรก็ตาม โลกของเราถูกปกครองด้วยกฎหมาย กลศาสตร์ควอนตัมซึ่งไม่สนใจหลุมดำ กฎเหล่านี้ไม่อนุญาตให้เราพิจารณาเอกฐานกลางเป็นประเด็นทางคณิตศาสตร์ ในบริบทควอนตัม เส้นผ่านศูนย์กลางของมันถูกกำหนดโดยความยาวของพลังค์-วีลเลอร์ ซึ่งเท่ากับ 10 -33 เซนติเมตรโดยประมาณ ในภูมิภาคนี้ไม่มีพื้นที่ธรรมดา เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าใจกลางของรูนั้นเต็มไปด้วยโครงสร้างทอพอโลยีต่างๆ ที่ปรากฏและตายไปตามกฎความน่าจะเป็นเชิงควอนตัม คุณสมบัติของฟองสบู่กึ่งอวกาศซึ่ง Wheeler เรียกว่าควอนตัมโฟมนั้นยังไม่เป็นที่เข้าใจ

การปรากฏตัวของเอกฐานควอนตัมเกี่ยวข้องโดยตรงกับชะตากรรมของวัตถุที่ตกลงไปในหลุมดำ เมื่อเข้าใกล้ใจกลางหลุม วัตถุใดๆ ที่ทำจากวัสดุที่รู้จักในปัจจุบันจะถูกแรงคลื่นกระแทกและฉีกเป็นชิ้นๆ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าวิศวกรและนักเทคโนโลยีในอนาคตจะสร้างโลหะผสมและวัสดุผสมที่มีความแข็งแรงสูงบางประเภทซึ่งมีคุณสมบัติที่ไม่เคยได้ยินมาก่อน พวกมันทั้งหมดก็ถึงวาระที่จะต้องหายไปอยู่ดี อย่างไรก็ตาม ไม่มีเวลาปกติหรือพื้นที่ปกติในเขตเอกฐาน

ทีนี้มาดูขอบฟ้าของรูผ่านเลนส์กลควอนตัมกัน พื้นที่ว่าง - สุญญากาศทางกายภาพ - ในความเป็นจริงไม่ได้ว่างเปล่า เนื่องจากความผันผวนของควอนตัมของสนามต่างๆ ในสุญญากาศ อนุภาคเสมือนจำนวนมากจึงเกิดและตายอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากแรงดึงดูดใกล้ขอบฟ้านั้นแรงมาก ความผันผวนจึงทำให้เกิดการระเบิดแรงดึงดูดที่รุนแรงมาก เมื่อถูกเร่งในด้านดังกล่าว "เวอร์ชวล" ที่เกิดใหม่จะได้รับพลังงานเพิ่มเติมและบางครั้งก็กลายเป็นอนุภาคปกติที่มีอายุยืนยาว

อนุภาคเสมือนเกิดเป็นคู่ที่เคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามเสมอ (ซึ่งเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม) หากความผันผวนของแรงโน้มถ่วงดึงอนุภาคคู่หนึ่งออกจากสุญญากาศ อาจเกิดขึ้นที่อนุภาคหนึ่งปรากฏขึ้นนอกขอบฟ้า และอนุภาคที่สอง (ปฏิปักษ์ของอนุภาคแรก) อยู่ภายใน อนุภาค "ภายใน" จะตกลงไปในหลุม แต่อนุภาค "ภายนอก" สามารถหลบหนีได้ภายใต้สภาวะที่เอื้ออำนวย เป็นผลให้หลุมกลายเป็นแหล่งกำเนิดรังสีและสูญเสียพลังงานและผลที่ตามมาคือมวล ดังนั้นหลุมดำจึงไม่เสถียรโดยพื้นฐาน

ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์ฮอว์กิง ตามชื่อนักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวอังกฤษผู้ค้นพบในช่วงกลางทศวรรษ 1970 โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Stephen Hawking ได้พิสูจน์ให้เห็นว่าขอบฟ้าของหลุมดำแผ่รังสีโฟตอนในลักษณะเดียวกันทุกประการ ตัวสีดำ, ให้ความร้อนที่อุณหภูมิ T = 0.5 x 10 -7 x M s /M. มันตามมาว่าเมื่อรูบางลงอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นและแน่นอนว่า "การระเหย" จะเพิ่มขึ้น กระบวนการนี้ช้ามากและอายุการใช้งานของรูมวล M อยู่ที่ประมาณ 10 65 x (M/M s) 3 ปี เมื่อขนาดของมันเท่ากับความยาว Planck-Wheeler หลุมจะสูญเสียความมั่นคงและระเบิด ปล่อยพลังงานเท่ากับการระเบิดพร้อมกันของล้านสิบเมกะตัน ระเบิดไฮโดรเจน. น่าแปลกที่มวลของหลุมตอนที่มันหายไปนั้นยังมีขนาดใหญ่อยู่ถึง 22 ไมโครกรัม ตามแบบจำลองบางรุ่นรูจะไม่หายไปอย่างไร้ร่องรอย แต่ทิ้งของที่ระลึกที่มั่นคงซึ่งมีมวลเท่ากันไว้เบื้องหลังซึ่งเรียกว่า maximon

สูงสุดถือกำเนิดขึ้นเมื่อ 40 ปีที่แล้ว - เป็นคำและความคิดทางกายภาพ ในปี 1965 นักวิชาการ M. A. Markov เสนอว่ามวลของอนุภาคมูลฐานมีขีดจำกัดบน เขาเสนอว่าค่าจำกัดนี้ถือเป็นค่าของมิติมวลซึ่งสามารถรวมได้จากสามปัจจัยพื้นฐาน ค่าคงที่ทางกายภาพ — ค่าคงที่ของพลังค์ชั่วโมง ความเร็วแสง C และค่าคงที่แรงโน้มถ่วง G (สำหรับผู้ชื่นชอบรายละเอียด: ในการทำเช่นนี้คุณต้องคูณ h และ C หารผลลัพธ์ด้วย G แล้วแยก รากที่สอง). เหล่านี้คือ 22 ไมโครกรัมเดียวกันกับที่กล่าวถึงในบทความ ค่านี้เรียกว่ามวลพลังค์ จากค่าคงที่เดียวกัน สามารถสร้างค่าด้วยมิติของความยาว (ความยาว Planck-Wheeler จะออกมา 10 -33 ซม.) และมิติของเวลา (10 -43 วินาที)
มาร์คอฟไปไกลกว่านั้นในการให้เหตุผลของเขา ตามสมมติฐานของเขา การระเหยของหลุมดำทำให้เกิด "สารตกค้างแห้ง" ซึ่งเป็นค่าสูงสุด มาร์คอฟเรียกโครงสร้างดังกล่าวว่าหลุมดำมูลฐาน ทฤษฎีนี้สอดคล้องกับความเป็นจริงมากน้อยเพียงใดยังคงเป็นคำถามเปิด ไม่ว่าในกรณีใด ความคล้ายคลึงกันของ Markov maximons ได้รับการฟื้นคืนชีพขึ้นมาในแบบจำลองของหลุมดำบางรุ่นตามทฤษฎี superstring

ความลึกของพื้นที่

หลุมดำไม่ได้ถูกห้ามโดยกฎของฟิสิกส์ แต่มีอยู่ในธรรมชาติหรือไม่? ยังไม่พบหลักฐานที่แน่ชัดของการมีอยู่ของวัตถุดังกล่าวอย่างน้อยหนึ่งชิ้นในอวกาศ อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้สูงว่าในระบบดาวคู่บางระบบ แหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์เป็นหลุมดำที่มีต้นกำเนิดจากดาวฤกษ์ การแผ่รังสีนี้ควรเกิดขึ้นจากการดูดชั้นบรรยากาศของดาวฤกษ์ธรรมดาโดยสนามแรงโน้มถ่วงของหลุมข้างเคียง ก๊าซระหว่างการเคลื่อนที่ไปยังขอบฟ้าเหตุการณ์จะได้รับความร้อนสูงและปล่อยรังสีเอ็กซ์ควอนตัมออกมา ขณะนี้แหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์อย่างน้อยสองโหลได้รับการพิจารณาว่าเหมาะสมสำหรับบทบาทของหลุมดำ นอกจากนี้ สถิติของดาวฤกษ์ระบุว่ามีหลุมกำเนิดดาวฤกษ์ประมาณสิบล้านหลุมในดาราจักรของเราเพียงแห่งเดียว

หลุมดำยังสามารถก่อตัวขึ้นในกระบวนการควบแน่นด้วยแรงโน้มถ่วงของสสารในนิวเคลียสของกาแลคซี นี่คือที่มาของหลุมขนาดมหึมาที่มีมวลนับล้านและพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งน่าจะพบได้ในกาแลคซีหลายแห่ง เห็นได้ชัดว่าใจกลางทางช้างเผือกซึ่งปกคลุมด้วยเมฆฝุ่น มีหลุมที่มีมวลประมาณ 3-4 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์

Stephen Hawking ได้ข้อสรุปว่าหลุมดำที่มีมวลตามอำเภอใจสามารถเกิดได้ทันทีหลังจากนั้น บิ๊กแบงที่ก่อให้เกิดจักรวาลของเรา หลุมปฐมภูมิที่มีน้ำหนักมากถึงหนึ่งพันล้านตันได้ระเหยไปแล้ว แต่หลุมที่หนักกว่านั้นยังสามารถซ่อนตัวอยู่ในส่วนลึกของอวกาศ และในเวลาที่เหมาะสม จะจัดดอกไม้ไฟจักรวาลในรูปแบบ การระบาดที่ทรงพลังรังสีแกมมา อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ยังไม่เคยมีใครสังเกตเห็นการระเบิดดังกล่าวมาก่อน

โรงงานหลุมดำ

เป็นไปได้ไหมที่จะกระจายอนุภาคในเครื่องเร่งความเร็วออกไป พลังงานสูงเพื่อให้การปะทะกันของพวกเขาสร้างหลุมดำ? เมื่อมองแวบแรก ความคิดนี้บ้ามาก - การระเบิดของหลุมจะทำลายทุกชีวิตบนโลก นอกจากนี้ยังเป็นไปไม่ได้ในทางเทคนิค หากมวลขั้นต่ำของหลุมคือ 22 ไมโครกรัม หน่วยพลังงานคือ 10 28 อิเล็กตรอนโวลต์ เกณฑ์นี้มีขนาดใหญ่กว่าความจุของเครื่องเร่งความเร็วที่ทรงพลังที่สุดในโลกอย่าง Large Hadron Collider (LHC) ถึง 15 คำสั่ง ซึ่งจะเปิดตัวที่ CERN ในปี 2550

อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ว่าการประมาณค่ามาตรฐานของมวลขั้นต่ำของหลุมนั้นสูงเกินจริงไปมาก ไม่ว่าในกรณีใด นักฟิสิกส์ที่พัฒนาทฤษฎีของ superstrings ซึ่งรวมถึงและ ทฤษฎีควอนตัมแรงโน้มถ่วง (แม้ว่าจะยังไม่สมบูรณ์) ตามทฤษฎีนี้ อวกาศมีมิติไม่น้อยกว่าสามมิติ แต่อย่างน้อยเก้ามิติ เราไม่สังเกตเห็นมิติพิเศษ เนื่องจากถูกวนลูปในสเกลเล็กๆ ที่เครื่องมือของเรามองไม่เห็น อย่างไรก็ตาม แรงโน้มถ่วงมีอยู่ทั่วไปทุกหนทุกแห่ง มันแทรกซึมเข้าไปในมิติที่ซ่อนอยู่ ใน พื้นที่สามมิติแรงโน้มถ่วงแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง และในเก้ามิติยกกำลังแปด ดังนั้นใน โลกหลายมิติความเข้มของสนามโน้มถ่วงที่มีระยะทางลดลงจะเพิ่มขึ้นเร็วกว่าในสามมิติ ในกรณีนี้ ความยาวของพลังค์จะเพิ่มขึ้นหลายครั้ง และมวลขั้นต่ำของหลุมจะลดลงอย่างรวดเร็ว

ทฤษฎีสตริงทำนายว่าหลุมดำที่มีมวลเพียง 10 -20 กรัมสามารถเกิดได้ในปริภูมิ 9 มิติ มวลสัมพัทธภาพของโปรตอนที่ถูกเร่งใน zern superaccelerator มีค่าใกล้เคียงกัน ตามสถานการณ์ที่มองโลกในแง่ดีที่สุด เขาจะสามารถสร้างหนึ่งรูทุกๆ วินาที ซึ่งจะอยู่ได้ประมาณ 10 -26 วินาที ในกระบวนการระเหยทุกชนิด อนุภาคมูลฐานซึ่งจะง่ายต่อการลงทะเบียน การหายไปของรูจะนำไปสู่การปลดปล่อยพลังงานซึ่งไม่เพียงพอที่จะทำให้น้ำหนึ่งไมโครกรัมร้อนต่อหนึ่งพันองศา ดังนั้นจึงมีความหวังว่า LHC จะกลายเป็นโรงงานแห่งหลุมดำที่ไม่เป็นอันตราย หากแบบจำลองเหล่านี้ถูกต้อง เครื่องตรวจจับวงโคจรก็จะสามารถลงทะเบียนหลุมดังกล่าวได้เช่นกัน รังสีคอสมิกรุ่นใหม่.

ทั้งหมดข้างต้นใช้กับหลุมดำที่อยู่นิ่ง ในขณะเดียวกันก็มีรูหมุนที่มีคุณสมบัติที่น่าสนใจมากมาย ผลของการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีของการแผ่รังสีของหลุมดำยังนำไปสู่การคิดใหม่อย่างจริงจังเกี่ยวกับแนวคิดเรื่องเอนโทรปี ซึ่งสมควรได้รับการอภิปรายแยกต่างหาก เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ในฉบับหน้า

สมมติฐานของการมีอยู่ของหลุมดำถูกเสนอขึ้นเป็นครั้งแรกโดยนักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ เจ. มิเชลล์ ในปี พ.ศ. 2326 โดยอาศัยทฤษฎีของแสงและทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ในเวลานั้นทฤษฎีคลื่นของ Huygens มีชื่อเสียงโด่งดัง หลักการของคลื่นถูกลืม ทฤษฎีคลื่นไม่ได้รับความช่วยเหลือจากการสนับสนุนของนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงบางคน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง M.V. นักวิชาการที่มีชื่อเสียงของเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก Lomonosov และ L. Euler ตรรกะของเหตุผลที่นำมิเชลไปสู่แนวคิดเรื่องหลุมดำนั้นง่ายมาก: ถ้าแสงประกอบด้วยอนุภาค-คอร์ปัสสเกลของอีเธอร์เรืองแสง อนุภาคเหล่านี้ก็เหมือนกับวัตถุอื่นๆ จะต้องได้รับแรงดึงดูดจากสนามโน้มถ่วง ดังนั้น ยิ่งดาวฤกษ์ (หรือดาวเคราะห์) มีมวลมากเท่าใด แรงดึงดูดจากด้านข้างไปยังเม็ดเลือดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และแสงจะออกจากพื้นผิวของวัตถุดังกล่าวได้ยากขึ้น

ตรรกะเพิ่มเติมบ่งชี้ว่าดาวฤกษ์มวลสูงดังกล่าวสามารถดำรงอยู่ในธรรมชาติได้ แรงดึงดูดที่ร่างกายไม่สามารถเอาชนะได้อีกต่อไป และพวกมันจะปรากฏเป็นสีดำเสมอต่อผู้สังเกตการณ์ภายนอก แม้ว่าตัวพวกมันเองจะเรืองแสงเจิดจรัสได้เหมือนกับดวงอาทิตย์ก็ตาม ในทางกายภาพ หมายความว่าความเร็วจักรวาลที่สองบนพื้นผิวของดาวดังกล่าวจะต้องไม่น้อยไปกว่าความเร็วแสง การคำนวณของมิเชลล์แสดงให้เห็นว่าแสงจะไม่มีวันออกจากดาวฤกษ์หากรัศมีที่ความหนาแน่นเฉลี่ยของดวงอาทิตย์เท่ากับ 500 เท่าของดวงอาทิตย์ ดาวดังกล่าวสามารถเรียกว่าหลุมดำได้แล้ว

หลังจากผ่านไป 13 ปี นักคณิตศาสตร์และนักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส P.S. Laplace แสดงสมมติฐานที่คล้ายคลึงกันเกี่ยวกับการมีอยู่ของวัตถุแปลกใหม่ดังกล่าวโดยไม่ขึ้นกับมิเชลล์ โดยใช้วิธีการคำนวณที่ยุ่งยาก Laplace พบรัศมีของทรงกลมสำหรับความหนาแน่นที่กำหนดบนพื้นผิวซึ่งความเร็วพาราโบลาเท่ากับความเร็วแสง จากข้อมูลของลาปลาซ มวลแสงซึ่งเป็นอนุภาคของความโน้มถ่วงควรถูกหน่วงไว้โดยดาวมวลมากที่เปล่งแสงซึ่งมีความหนาแน่นเท่ากับโลก และมีรัศมีมากกว่าดวงอาทิตย์ถึง 250 เท่า

ทฤษฎีของ Laplace นี้รวมอยู่ในสองฉบับแรกของหนังสือที่มีชื่อเสียงของเขา "Exposition of the System of the World" ซึ่งตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2339 และ พ.ศ. 2342 ใช่ บางทีแม้แต่นักดาราศาสตร์ชาวออสเตรีย F.K. von Zach ก็เริ่มสนใจทฤษฎีของ Laplace โดยตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2341 ภายใต้หัวข้อ "ข้อพิสูจน์ของทฤษฎีบทที่ว่าแรงดึงดูดของวัตถุที่มีน้ำหนักมากนั้นยิ่งใหญ่จนแสงไม่สามารถไหลออกมาได้"

ณ จุดนี้ ประวัติศาสตร์ของการศึกษาหลุมดำหยุดไปนานกว่า 100 ปี ดูเหมือนว่า Laplace เองละทิ้งสมมติฐานที่ฟุ่มเฟือยดังกล่าวอย่างเงียบ ๆ เนื่องจากเขาแยกมันออกจากหนังสือฉบับตลอดชีวิตอื่น ๆ ซึ่งปรากฏในปี 1808, 1813 และ 1824 บางที Laplace ไม่ต้องการจำลองสมมติฐานที่เกือบจะน่าอัศจรรย์ของดาวขนาดมหึมาที่ไม่เปล่งแสงอีกต่อไป บางทีเขาอาจถูกหยุดโดยข้อมูลทางดาราศาสตร์ใหม่เกี่ยวกับความไม่คงที่ของขนาดของความผิดปรกติของแสงในดาวต่างๆ ซึ่งขัดแย้งกับข้อสรุปบางประการของทฤษฎีของเขา โดยอิงจากการคำนวณของเขา แต่เหตุผลที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดว่าทำไมทุกคนถึงลืมวัตถุสมมุติลึกลับของ Michell-Laplace คือชัยชนะของทฤษฎีคลื่นแห่งแสง ขบวนแห่งชัยชนะเริ่มตั้งแต่ปีแรกของศตวรรษที่ 19

จุดเริ่มต้นของชัยชนะนี้วางโดยการบรรยายของ Booker ของนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ T. Jung "The Theory of Light and Colour" ซึ่งตีพิมพ์ในปี 1801 ซึ่ง Jung กล้าได้กล้าเสียตรงกันข้ามกับ Newton และผู้สนับสนุนทฤษฎี corpuscular ที่มีชื่อเสียงอื่น ๆ (รวมถึง Laplace) สรุปสาระสำคัญของทฤษฎีคลื่นของแสง โดยกล่าวว่าแสงที่ปล่อยออกมาประกอบด้วยการเคลื่อนไหวคล้ายคลื่นของอีเทอร์เรืองแสง ด้วยแรงบันดาลใจจากการค้นพบโพลาไรเซชันของแสง Laplace จึงเริ่ม "รักษา" คอร์ปัสเคิลโดยสร้างทฤษฎีการหักเหของแสงสองเท่าในผลึกโดยอาศัยปฏิกิริยาสองเท่าของโมเลกุลคริสตัลบนคอร์ปัสเคิลของแสง แต่ผลงานที่ตามมาของนักฟิสิกส์ O.Zh เฟรสเนล เอฟ.ดี. Aragon, J. Fraunhofer และคนอื่นๆ ไม่ได้ทิ้งหินก้อนหนึ่งจากทฤษฎี corpuscular ซึ่งถูกจดจำอย่างจริงจังเพียงหนึ่งศตวรรษต่อมาหลังจากการค้นพบควอนตา การให้เหตุผลทั้งหมดเกี่ยวกับหลุมดำในกรอบของทฤษฎีคลื่นแสงในเวลานั้นดูไร้สาระ

หลุมดำไม่ได้ถูกจดจำทันทีหลังจาก "การฟื้นฟู" ของทฤษฎีแสงในร่างกาย เมื่อพวกเขาเริ่มพูดถึงมันในระดับคุณภาพใหม่ด้วยสมมติฐานของควอนตา (1900) และโฟตอน (1905) หลุมดำถูกค้นพบอีกครั้งเป็นครั้งที่สองหลังจากการสร้าง GR ในปี 1916 เมื่อนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและนักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน K. Schwarzschild ไม่กี่เดือนหลังจากการตีพิมพ์สมการของ Einstein ใช้พวกมันเพื่อตรวจสอบโครงสร้างของกาลอวกาศที่โค้งงอใน บริเวณใกล้เคียงของดวงอาทิตย์ เป็นผลให้เขาค้นพบปรากฏการณ์ของหลุมดำอีกครั้ง แต่ในระดับที่ลึกกว่านั้น

การค้นพบหลุมดำทางทฤษฎีขั้นสุดท้ายเกิดขึ้นในปี 2482 เมื่อออพเพนไฮเมอร์และสไนเดอร์ทำการแก้สมการของไอน์สไตน์อย่างชัดเจนเป็นครั้งแรกในการอธิบายการก่อตัวของหลุมดำจากเมฆฝุ่นที่ยุบตัว คำว่า "หลุมดำ" นั้นถูกนำมาใช้เป็นครั้งแรกในวิทยาศาสตร์โดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน เจ. วีลเลอร์ ในปี 1968 ในช่วงหลายปีที่ความสนใจในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป จักรวาลวิทยา และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ฟื้นตัวอย่างรวดเร็ว ซึ่งเกิดจากความสำเร็จของบรรยากาศนอกโลก (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง , X-ray) ดาราศาสตร์ การค้นพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล พัลซาร์ และควาซาร์