3.4. О черных дырах и их "метаболическом" поведении

Что же происходит после этого с ЧД? А вот что - они поглощают объекты своего окружения и необратимо расширяются именно вследствие и по мере этого. Такое поведение подобных астрофизических объектов невольно вызывает ассоциацию с поведением живых существ и их популяций, осуществляющих метаболический обмен с окружающей средой.

Но для живых существ и популяций (вообще для каждой эволюционирующей системы) можно ввести характерную единицу времени, которая позволяет разумным образом выразить "возраст" системы. Например, в эмбриологии - это интервал между двумя последовательными делениями клетки, в экологии, генетике и этнографии - это время между сменами поколений. В своих работах А.П. Левич (см. [Левич, 1989, 2003, 2004]) для каждого произвольного эволюционирующего объекта предложил ввести некоторое абстрактное время в качестве линейной меры его изменчивости, в том или ином варианте принять его равным количеству

3. О черных дырах, метаболическом времени и линейном расширении Вселенной 41

меняющихся элементов. Время, измеряемое по "часам" той или иной динамической системы, Левич предлагает именовать "параметрическим" и понимать его как индикатор при отображении процесса изменчивости в линейно упорядоченное, метризованное множество. Он указывает, что любые изменяющиеся системы потребляют некоторый ресурс. Этот ресурс характеризуется набором числовых характеристик системы, которые: 1) с необходимостью сопровождают изменчивость системы; 2) растут монотонно с изменением системного времени и, тем самым, 3) могут служить для параметризации изменений.

Большинство физиков стали принимать черные дыры всерьез лишь в конце 60-х годов. Оказалось, что черная дыра в некотором смысле допускает очень простое описание: оно определяется (подобно описанию элементарной частицы) всего тремя (!) степенями свободы -массой, моментом вращения и электрическим зарядом. Впервые математическое описание статичной невращающейся черной дыры дал Карл Шварцшильд в 1916 году. Затем в 1916 -1918 г. г. Ханс Райсснер и Гуннар Нордстрём получили решение, учитывающее наличие у неврашающейся ЧД электрического заряда. Далее, в 1963 году Рой Керр нашел стационарное осесимметрическое решение для вращающейся ЧД, но без заряда. И наконец, к 1965 г. было получено наиболее полное решение Керра - Ньюмена, учитывающее все три фактора. Сейчас астрофизики выделяют три основных типа черных дыр: первичные ЧД (возникшие в момент рождения Вселенной), ЧД звездной массы (до десятков солнечных масс) и сверхмассивные черные дыры (СМЧД) в центрах галактик с массой в миллионы солнечных масс.

Вернемся к концепции эволюции на основе метаболизма. Итак, черные дыры возникают и эволюционируют, поглощая материю и энергию из внешней среды. В своей работе Ли Смолин (см. [Smolin, 1994]) ее автор напоминает гипотезу Дж. Уилера о том, что каждая ЧД - это новая расширяющаяся вселенная, подобная нашей, причем каждый вновь родившийся экземпляр Вселенной может немного отличаться от "родителя" значениями фундаментальных физических констант. Смолин относит к их числу массы протона, нейтрона, электрона и нейтрино, а также константы связи слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий. Делая ряд правдоподобных допущений, Смолин на примере конкретных процессов эволюции звезд в спиральных галактиках анализирует, как вариации этих констант могут повлиять на "численность потомства" ЧД (по его оценке, в нашей Вселенной рождается сотни черных дыр в секунду).

Интересно также отметить, что различные дочерние черные дыры возникают в разные моменты времени и растут с различной скоростью. Гипотетически возможно, что некоторые из этих дыр могут расширяться столь стремительно, что в конечном счете могут поглотить всю материнскую вселенную.

3.5. Свойства черных дыр: взгляд внешнего наблюдателя

Практическую космологию интересует, прежде всего, описание ЧД с точки зрения внешнего наблюдателя. В 70-х годах 20-века был предложен новый для теории черных дыр "мембранный" подход. В соответствии с ним горизонт событий (граничная поверхность) ЧД выглядит для внешнего наблюдателя как двумерная физическая мембрана из вязкой жидкости

42 3.0 черных дырах, метаболическом времени и линейном расширении Вселенной

с определенными механическими, электрическими и термодинамическими свойствами, пишут авторы статьи [Новиков, Фролов, 2001].

Площадь горизонта событий в общем случае математически выражается всего через три независимых параметра: массу, заряд и момент вращения черной дыры. Поэтому можно выразить малое приращение массы в виде суммы трех слагаемых, обусловленных приращениями площади горизонта, углового момента и заряда. В этом соотношении, по форме аналогичном первому началу термодинамики, особый интерес представляет первое слагаемое, т.е.

5М = (0/8TI) 5A,

где 8А - приращение площади горизонта событий, 9 - поверхностный гравитационный заряд ЧД. Это слагаемое можно сопоставить "тепловому" слагаемому 8Q = T8S в обычной форме первого начала, где Т - температура, a 8S - приращение энтропии обычного объекта . Оказывается, что площадь А горизонта событий (неквантовой) ЧД обладает тем же свойством, что и энтропия S - она никогда не уменьшается в процессе эволюции, в том числе - при слиянии нескольких ЧД (теорема Хокинга) . Таким образом, эволюция ЧД носит в общем случае необратимый характер, т.е. доля внутренней энергии, которую нельзя из нее извлечь, возрастает со временем. Более того, возрастает (или не убывает) со временем и суммарная энтропия ЧД и ее окружения (обобщенный второй закон термодинамики Бекенштейна).

С другой стороны, множитель перед 8А, пропорциональный поверхностному гравитационному заряду, играет роль эффективной температуры Т. Последняя характеризует процесс "теплового" излучения ЧД вследствие квантовых эффектов вблизи горизонта событий. Эта температура оказывается обратно пропорциональной массе ЧД, поэтому они (как звезды и другие сильно гравитирующие объекты) обладают отрицательной теплоемкостью.