H Об утятах, чёрных дырах и всей Вселенной в черновиках

Друзья!

Похоже, я нарисовал парочку клёвых иллюстраций с утятками. На первой — которая выше — показано, как работает чёрная дыра. Здесь нарисован участок бесконечного пруда с утятками. Правила игры такие:
— Утятки плавают только по поверхности; нырять они не умеют.
— В этом пруду так повелось, что утятки хотя и научились разгоняться почти до скорости звука (относительно воды), но никогда–никогда не могут превышать скорость звука. И никакие их сигналы не могут превышать скорость звука. Вот не могут — и всё тут.

На картике выше в этом участке пруда есть бездонная дыра, куда вода утекает.
Вдали от этой дыры вода течёт к ней тихонечко–тихонечко и утята почти не замечают этого. Вдали от дыры им ничего не стоит плыть против этого течения.

Но на некотором расстоянии R от дыры вода течет уже со скоростью звука. И если утёнок подплывает к дыре ближе, чем это расстояние — то с ним ничего примечательного не случается. Он даже может не знать, что пересёк эту «черту невозврата» (оранжевый пунктир). Но теперь даже если он развернётся и изо всех сил начнёт грести прочь от дыры — он никогда не выплывет, поскольку навстречу ему вода будет течь быстрее скорости звука, а сам он не может превысить скорость звука. С этого момента утёнок обречён, хотя может и не знать этого. Он в любом случае будет падать в дыру и неизбежно свалится в чёрную бездну в центре.

Этот оранжевый пунктир и называется «горизонтом чёрной дыры». Всё, что пересекает его, уже не сможет вернуться и не может послать сигнал наружу. Хотя с точки зрения самих объектов, пересёкающих горизонт, с ними ничего особенного не произошло. А для утяток снаружи эти объекты фактически исчезают.

Надо сказать, что идею этой иллюстрации придумал не я, а канадский физик Уильям Унру. Только у него были рыбки, а не утятки.

А другой физик — Леонард Сасскинд — придумал на примере того же пруда показать, как работает раздувание пространства при расширении Вселенной. Этот случай даже занятней. Я покажу его внутри поста.

Пруд здесь тот же самый, но всё дно равномерно утыкано трубками, и через трубки равномерно накачивается вода.

Но тут должно быть так, что накачка ведёт не к повышению уровня воды, а только к «растеканию» поверхности — как если бы вода переливалась через края «сосуда», в котором высота стенок чуть ниже уровня поверхности:



Идея в том, чтобы поверхность воды оставалась всюду плоской и её уровень оставался неизменным.

Пусть до запуска насосов уточки сидели на воде неподвижно. Тогда после запуска насосов уточки начнут расползаться во все стороны. И если площадь сосуда огромна, то каждой уточке будет казаться, что остальные уточки начали равномерно отдаляться от неё в стороны — причём легко видеть, что чем дальше сосед, тем быстрее он отдаляется. Если точнее, то если напор накачки не меняется со временем, то скорость отдаления соседа прямо пропорциональна расстоянию до него.

Теперь представьте то же самое, но в бесконечном пруду и без стенок. Это не так просто представить, но всё же попытайтесь. Скажем, попробуйте мысленно раздвинуть эти стенки бесконечно далеко. Приём не идеальный, но на первое время сгодится.

Дно бесконечно во все стороны, частокол торчащих из дна трубок идет по нему бесконечно во все стороны.



На самом деле, для пущей строгости трубки на дне должны постепенно отодвигаться друг от друга по такому же закону, по которому начали раздвигаться поплавки (например, прежде неподвижные уточки — или осенняя листва) на поверхности пруда. Строй поплавков разрежается, и строй трубок на дне разрежаются вместе с ними. Это нужно, чтобы вода из каждой трубки шла только вертикально вверх (наращивая поверхность над трубкой), а не в стороны.

Происходящее будет выглядеть одинаково, глазами какой бы уточки мы ни смотрели. Неважно, какую уточку считать центром. Выберем любую уточку, прикуём к ней центр рисунка и назовём уточку Йованом.

Раз скорость отдаления соседа однозначно определяется расстоянием от Йована до соседа и растет с этим расстоянием линейно, то после какого–то расстояния скорость воды разгонится до скорости звука. Нарисуем вокруг Йована воображаемый круг с этим радиусом.



Вода за пределами этого воображаемого круга течёт от Йована и того быстрее. Любая уточка, оказавшаяся за пределами этого круга, уже никогда не сможет приблизиться к Йовану — ведь уточки не могут плавать быстрее скорости звука. С этого момента такая уточка сможет только отдаляться от Йована. И никакие послания к Йовану от такой уточки уже не дойдут. Всё, что оказывается за пределами этого круга, для Йована фактически исчезает. Хотя для пересекающих эту черту объектов ничего особенного не случается.



Так для каждой уточки возникает свой персональный «горизонт» в ситуации расширяющейся Вселенной. Наша Вселенная — тоже примерно такова, но с одной важной поправкой: накачка пространства сейчас усиливается. И в то время, как для уточки Йована в воображаемом пруду радиус горизонта не меняется со временем, в нашей родной Вселенной все такие горизонты сейчас начинают постепенно сужаться. Другими словами, с течением времени будет уменьшаться объем Вселенной, который нам доступен. Сначала мы перестанем видеть реликтовое излучение (свечение Большого Взрыва), потом начнут пропадать далёкие галактики — и, наконец, через много миллиардов лет для нас исчезнет всё–всё за пределами Млечного Пути (надо сказать, к тому времени Млечного Пути в прежнем виде уже не будет). А потом в нашей наблюдаемой Вселенной не останется вообще ничего кроме нас самих. Словно развитие астрономии проигрывается назад, к системе Птолемея.

Хей–хо.

® Klayman

Ознакомится с самой книгой «Теоретический минимум. Все, что нужно знать о современной физике» можно на сайте издательства.
Так же приобрести по хорошей цене электронный или бумажный формат.