Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (33) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Ходове на дървояди^[1] и бели дупки

Неудобствата на идеята за отворена, вечно разширяваща се и еднократно появила се Вселена са толкова големи, че астрономите правят редица опити да обходят доказателствата в полза на такава Вселена.

През 1948 г. Томас Голд заедно с английските астрономи Фред Хойл и Херман Бонди се опитва да разработи предположението за една непрекъснато създаваща се Вселена. Основната идея в това предположение се състои в това, че материята се създава непрекъснато, по един атом тук и там във Вселената. Тя се създава с толкова бавен темп, че е трудно този процес да се детектира.

Въпреки разширяването на Вселената и увеличаването на разстоянието между отделните галактически единици създава се достатъчно количество вещество, което се събира и образува нови галактики в пространството между старите. В крайна сметка се образуват достатъчно нови галактики, които да се разпределят така между старите, че всичко да остане, както си е било. Като цяло Вселената ще представлява гигантска смесица от галактики, покриващи целия диапазон от възрасти — от току-що образуваните през намиращите се на всички възможни стадии на еволюция до умиращите. Вселената ще бъде безкрайна в пространството и вечна във времето. Звезди и галактики ще се раждат и умират, но Вселената като цяло ще бъде безсмъртна и нито ще се появява, нито ще изчезва.

Това е една много привлекателна теория, но доказателства в нейна полза почти не съществуват и не могат да се очакват никога. Ако непрекъснато създаващата се Вселена е такава, каквато е реалната Вселена, то никога не би имало Голям взрив. По тази причина всяко доказателство, което подкрепя Големия взрив, би следвало да отхвърля идеята за непрекъснато създаващата се Вселена.

През 1964 г. американският физик Робърт Хенри Дике (1916) изтъква в своята теория, че ако Големият взрив е станал преди 15 милиарда години, то той би трябвало да остави следи, забележими дори и днес на разстояние 15 милиарда светлинни години (защото на светлината са необходими 15 милиарда светлинни години, за да стигне до нас, и следователно светлината на Големия взрив пристига на Земята сега).

Излъчването от Големия взрив, което е високоенергетично и късовълново, се отмества силно към нискоенергетичния червен край на спектъра поради голямото разстояние. То преминава през червения цвят и отива към още по-дългите и още по-нискоенергетични микровълни. И тъй като Големият взрив е видим на разстояние 15 милиарда светлинни години във всички посоки, микровълните могат да дойдат отвсякъде във вид на фоново излъчване.

През 1965 г. двама учени от лабораториите Бел — Арно Пензиас и Робърт Уилсън — доказаха съществуването на слабо фоново излъчване със същите характеристики, които Дике беше предсказал. Големият взрив беше детектиран, с което (поне засега) се сложи край на теорията за непрекъснато създаващата се Вселена.

Този път за избягване на съществуването на отворена Вселена отпада. Има обаче и други и за да ги разгледаме, нека се върнем към черните дупки.

Дотук говорихме за черни дупки, които имат само едно свойство — маса. Природата на масата е без значение. Ако един килограм платина, един килограм водород или килограм жива тъкан се прибавят към една черна дупка, то към нея се прибавя просто един килограм маса без разлика какво е представлявала тя преди добавянето.

Има още две и само две други свойства, които една черна дупка може да притежава. Едното е електричен заряд, а другото — ъглов момент. Това означава, че всяка черна дупка може да се охарактеризира напълно, измервайки масата й, електричния й заряд, положителен или отрицателен, и ъгловия й момент. (Възможно е електричният заряд и ъгловият момент да са равни на нула. Масата обаче не може да е равна на нула, защото тогава това няма да е черна дупка.)

Черната дупка може да има електричен заряд само в случай че веществото, от което се е образувала черната дупка или масата, която се прибавя след това, имат електричен заряд. Фактически електричните заряди (и положителните, и отрицателните) в по-големите обеми вещество показват тенденция към еднаквост в количествено отношение, така че сумарният им заряд става равен на нула. Следователно най-вероятно е черните дупки да имат нулев заряд.

С ъгловия момент нещата не са такива. Тук, разбира се, положението е точно обратното и най-вероятно е всяка черна дупка да има значителен ъглов момент.

Ъгловият момент е свойство на всеки обект, който се върти около оста си или обикаля около някаква външна точка (или който извършва едновременно и двете въртеливи движения). Ъгловият момент включва както скоростта на въртене или обикаляне на обекта, така и разстоянието между различните му части до оста му или до центъра, около който обикаля. Пълният ъглов момент на една затворена система (това е система, в която не може отникъде да се добави ъглов момент и от която ъглов момент не може по никакъв начин да изтича) трябва да се запазва, т.е. нито се увеличава, нито се намалява.

Това означава, че при увеличаване на разстоянието скоростта на въртене трябва да намалява и обратно. Всеки кънкьор използува преимуществата на тази зависимост, когато се върти с разтворени ръце. Той прибира ръцете си към тялото, като по този начин намалява средното разстояние между тялото и оста на въртене и скоростта на въртенето му значително се увеличава. Той разтваря отново ръцете си и с това забавя въртенето си.

Всяка звезда, за която е известно, че се върти около оста си, ще има следователно и голям ъглов момент на въртене. При колапсирането на една звезда, за да се съхрани ъгловият момент, нейната скорост на въртене трябва да се увеличи. Колкото по-силен е колапсът, толкова по-голямо е увеличаването на скоростта на въртене. Например една съвсем млада неутронна звезда се завърта около оста си хиляди пъти за една секунда. Черните дупки трябва да се въртят още по-бързо. Това е нещо, което не може да се избегне.

Можем следователно да кажем, че всяка черна дупка винаги притежава маса и ъглов момент.

Анализът на Шварцшилд е приложим само за черни дупки, които не се въртят. През 1963 г. астрономът Рой П. Кер получил решение и за черни дупки, които се въртят.

При въртящите се черни дупки радиусът на Шварцшилд все още си остава на същото място, но извън него се намира една стационарна граница, която оформя един вид екваториална изпъкналост около черната дупка, сякаш нещо е избутано навън от действието на центробежния ефект.

Обект, който попада вътре в стационарната граница, но остава извън радиуса на Шварцшилд, е хванат само наполовина. Това означава, че той все още може да излезе обратно, но само при наличието на специални условия. Ако се е случило така, че обектът се движи в посока на въртенето на самата черна дупка, то тя ще се опита да завърти обекта като камък в прашка и да го изхвърли обратно извън стационарната граница с енергия, по-голяма от енергията, с която той е влязъл. Допълнителната енергия е за сметка на въртенето на черната дупка. С други думи, черната дупка предава част от ъгловия си момент на обекта, при което черната дупка забавя въртенето си.

Теоретично до 30% от цялата енергия на въртящата се черна дупка могат да бъдат извлечени от нея, като изпращаме към нея тела през стационарната й граница по внимателно подбрани траектории и после ги събираме на излизане от нея. Това е един от възможните начини напредналите цивилизации да използват черните дупки като източник на енергия^[2]. След извличане на цялата енергия на въртене черната дупка ще има само маса и нейната стационарна граница ще съвпадне с радиуса й на Шварцшилд. В такъв случай се казва, че черната дупка е „мъртва“, тъй като никаква енергия повече не може да бъде извлечена директно от нея (въпреки че може да се добие и още малко енергия при спираловидното падане на веществото към дупката).

Още по-странно от начина за извличане на енергия от черната дупка е, че според анализа на Кер е възможен някакъв нов край за веществото, попаднало в черната дупка. Този нов край бе предвиден от Алберт Айнщайн и неговия съавтор Розен още преди 30 години.

Веществото, което се натрупва във въртящата се черна дупка (а най-вероятно няма друг вид черни дупки) теоретично може да се измъкне отново, някъде другаде, така както пастата за зъби се изстисква през малката дупка на твърдата туба под действието на неголям, бавен натиск^[3].

Вероятно преносът на вещество може да се извършва на огромни разстояния — милиони или милиарди светлинни години — за малък период от време. Такива преноси не могат да стават по обикновен начин, тъй като ни е известно, че в космическото пространство скоростта на светлината е горна граница на скоростта за всеки обект с маса. За да се пренесе масата на разстояние милиони или милиарди светлинни години по обикновен начин, ще са необходими милиони или милиарди години време.

Следователно трябва да се предположи, че преносът става през тунели или по мостове, които, казано стриктно, нямат времевите характеристики на познатата ни Вселена. Тези проходи понякога се наричат мостове на Айнщайн-Розен или още по-образно — ходове на дървояди.

Ако масата премине през ход на дървояд и след милиарди светлинни години внезапно се появи отново в обикновеното пространство, отдалечено на един милиард светлинни години, то нещо трябва да уравновеси този гигантски скок в разстоянието. Видимо това невъзможно бързо преминаване през пространството се балансира чрез компенсационно преминаване през времето, така че масата ще се появи не сега, а преди един милиард години.

С изплуването на веществото в другия край на хода на дървояда то внезапно се разширява и се превръща отново в обикновена материя, блясвайки от енергията, която излъчва в този момент — това е енергията, която, така да се каже, е била уловена в черната дупка. Това, което сякаш изплува на повърхността в обикновеното пространство, се нарича бяла дупка — концепция, развита за първи път през 1964 г.

Ако всичко това е наистина така, то бели дупки или поне някои от тях трябва да могат да се детектират.

Естествено това зависи от големината на бялата дупка и от разстоянието, на което се намира тя от нас. Вероятно мини черните дупки образуват мини бели дупки на огромно разстояние от нас и ние изобщо не можем да ги видим. Огромните черни дупки съответно ще образуват огромни бели дупки, които ние вече бихме могли да видим. Има ли някакви следи от съществуването на такива бели дупки?

Възможно е такива следи да има…