Черные дыры - математическая сказка?

Я не собирался ввязываться еще и в эту битву, не желая наживать себе еще больше противников. Но стоять в стороне и просто смотреть на происходящее в науке я не могу. Сегодня Новая физика может сказать, как строение элементарных частиц влияет на происходящее в массивных гравитационных объектах. Начнем.

1 Черные дыры и физика
2 Черные дыры и классическая теория тяготения Ньютона
3 Черные дыры и теория гравитации элементарных частиц
4 Новая физика: Черные дыры - итог

1. Черные дыры и физика

Пусть у нас имеется некоторая сфера радиуса r₁, с постоянным электрическим полем напряженности E₁, направленной от центра сферы и перпендикулярной поверхности сферы. Данную форму электрического поля выберем исключительно для наглядности и простоты расчетов.

Согласно классической электродинамике, мы можем подсчитать поток вектора напряженность через поверхность сферы, определить электрический заряд, заключенный внутри сферы и энергию электрического поля.
В нашем случае поток (Ф) вектора напряженности электрического поля (E₁) будет равен:
(1)

где S - площадь поверхности сферы.

Согласно теореме Гаусса, в данной сфере заключен электрический заряд (Q), равный:
(2)
где ε₀ - диэлектрическая постоянная.

Энергия, содержащаяся в данном электрическом поле, равна:
(3)

Масса (гравитационная), содержащаяся в данном электрическом поле, согласно формуле Эйнштейна, равна:
(4)

Предположим теперь, что нам удалось каким-то образом сжать это поле до радиуса r₂, меньшего, чем r₁. Допустим, что есть такая возможность, не известная физике.
Согласно закону сохранения электрического заряда, который действует в природе, электрический заряд сферы не изменится и останется равным Q. Отсюда мы получим уравнение, для вычисления новой величины напряженности электрического поля (E₂), она будет равна:
(5)

Теперь, зная величину E₂, подсчитаем энергию измененного электрического поля. Она будет:
(6)

Как видим, полученная энергия будет выше, чем до начала сжатия, а при сжатии поля в точку стремится в бесконечность. Согласно закону сохранения энергии, который продолжает действовать в природе, на сжатие электрического поля потребуется затратить энергию (ΔW), равную разнице энергий обоих полей:
(7)

Уменьшив радиус электрического поля в несколько раз, мы увеличиваем во столько же раз и величину энергии, содержащуюся в электрическом поле.

Мы, для простоты расчетов, рассмотрели простейший случай электрического поля. Постоянное электрическое поле любой элементарной частицы может быть разбито на множество малых объемов, в пределах которых напряженность электрического поля остается постоянной, а затем можно просуммировать для получения общего результата. Желающие могут рассмотреть и иные конфигурации электрического поля, чтобы убедиться, что на сжатие электрического поля требуется энергия. Желающие также могут самостоятельно убедиться, что и на сжатие магнитного поля, тоже требуется энергия. Тоже относится и к переменному электромагнитному полю. Сжимая переменное электромагнитное поле элементарной частицы, мы уменьшим его длину волны - следовательно, увеличим энергию, содержащуюся в поле.

Таким образом, для того, чтобы сжать электрон до размеров протона, необходима энергия более чем в 600 раз превышающая его полную внутреннюю энергию. Но при попытке сжать электрон мы получим множество новых элементарных частиц: фотонов, пар электрон - позитрон, пар электронное нейтрино - антинейтрино, а сжать электрон до размеров протона у нас не получится. Сжатие протона требует еще большей энергии и приведет к тому, что наблюдается на ускорителях (на встречных пучках) - потоку новых элементарных частиц, разлетающихся во все стороны, но сжатие протонов не получится.

Когда сочинялась гипотеза о "черной дыре" - физика 20 века имела весьма смутное представление об элементарных частицах и практически ничего не знала об их строении. Поэтому не стоит осуждать ее авторов - они исходили из того, чем физика располагала на тот момент. Но сегодня двадцать первый век и накопленные физикой знания резко отличаются от знаний физики первой половины двадцатого века.

Вернемся к электрическому полю. Переместим первоначальное (не сжатое) электрическое поле из бесконечности на поверхность массивного гравитационного объекта, массой M и радиуса R. Посмотрим, сколько такое перемещение даст энергии.
(8)
где G - гравитационная постоянная.

Посмотрим, чему равен множитель (GM/Rc²), например, возьмем массу нашего Солнца и предположим, что звезда погасла, и ее удалось чудеснейшим образом сжать до размеров, соответствующих самому плотному веществу Земли (с плотностью ρ=22600 кг/м³, средняя плотность вещества солнца 1410 кг/м³). Понятно, что реальный радиус будет значительно больше, поскольку в ее составе будут и более легкие химические элементы. Но математика это вытерпит.

Сначала определим радиус погасшей звезды.
(9)

Откуда мы сможем определить R:
(10)

Для такой звезды мы получим:
(11)

Итак, радиус Солнца равен 6.96·10⁸ метров. Мы чудеснейшим образом сжали массу Солнца в 2.5 раза и энергия электрического поля должна вырасти во столько же раз. А Гравитация нам даст всего 0.0000053 - в сотни тысяч раз меньше. А если в (10) подставить среднюю плотность вещества Солнца (или, для примера, Земли), то получится, что гравитация даст еще меньше. Как видим, в данном случае гравитационное поле не в состоянии обеспечить энергией, необходимой для сжатия электрического поля.

Можно взять звезду с массой в миллион раз больше массы нашего Солнца. Ее радиус в остывшем состоянии (согласно (10)) будет 2.75943·10¹⁰м, а множитель (GM/Rc²) станет 0,053. Можно также загнать в звезду всю массу вещества галактики - но физика изучает природу и ее законы, а воображаемые объекты это предмет для математических сказок.

Но это еще не все. Гравитационное поле черных дыр может сжимать электромагнитные поля элементарных частиц только в математической сказке - а в природе, физика таких механизмов и взаимодействий не знает. Можно конечно выдумать такие взаимодействия - но, сновидения, математические сказочные теоретические построения и вопросы религиозных убеждений выходят за рамки физики - науки.

Ну а что сегодня (в начале двадцать первого века) Новая физика может сказать про то, что черные дыры - это математическая сказка?

2. Черные дыры и классическая теория тяготения Ньютона

Проведем следующий мысленный эксперимент.
Пусть, на расстоянии R_H от наблюдателя, имеется покоящийся массивный источник сферически-симметричного гравитационного поля малых размеров (в соответствии с классической теорией тяготения Ньютона), массой M и напряженностью:
(12)
Разместим и зафиксируем на расстоянии R от его центра идеальное плоское зеркало (отражающее все падающее на него электромагнитное излучение), перпендикулярно силовым линиям гравитационного поля.
Отправим от наблюдателя (находящегося на расстоянии R_H, на котором влияние данного гравитационного поля не существенно) в центр зеркала короткий импульс лазерного луча, длиной волны λ₀ (начальной массой фотонов m₀) и малой интенсивности.
Разделим путь фотона в одну сторону на n, выбрав число таковым, чтобы полученное расстояние (ΔR) было значительно меньше R.
(13)
где ΔR - малая величина по сравнению с R.
Двигаясь в гравитационном поле (от точки 0, к точкам 1, 2, 3, ... n), лазерный луч будет ускоряться, приобретая дополнительную кинетическую энергию:
(14)
в результате чего масса фотонов будет постоянно расти, и будет:
(15)
Длина волны фотонов будет постоянно уменьшаться, и на поверхности зеркала (в точке n) будет:
(16)
Данный луч отразится от поверхности зеркала, практически без потерь энергии, и полетит обратно. Теперь двигаясь в обратном направлении, лазерный луч будет расходовать энергию (ранее приобретенную в гравитационном поле) на преодоление гравитационного поля.
(17)
Уменьшение массы отраженного фотона начнется с величины m_n.
Масса фотонов будет постоянно уменьшаться, и будет:
(18)
В результате к начальной точке он долетит с длиной волны λ_отр и, как следует из закона сохранения энергии, начальная и конечная длина волны должны совпадать. Каждый раз мы будем из энергии фотона вычитать столько, сколько раньше добавляли в соответствующей точке пространства.
Изменяя расстояние R в гравитационном поле, мы изменяем только время путешествия луча к массивному гравитационному объекту и обратно, но не его длину волны и содержащуюся в каждом возвращенном фотоне энергию.
А теперь рядом с зеркалом разместим еще один источник лазерного короткого импульса длиной волны λ_n и отправим этот лазерный импульс в сторону точки наблюдения, как только от зеркала отразится первый лазерный импульс. Вопрос: сколько импульсов электромагнитного излучения мы увидим? Или проще: что мешает нам увидеть второй импульс электромагнитного излучения. - Ответ: мы увидим оба электромагнитных импульса, а сказочка Шварцшильда пусть развлекает самых маленьких. При этом, мы не вышли за пределы классической теории тяготения Ньютона.
Итак, согласно классической теории тяготения Ньютона, луч электромагнитного излучения, выпущенный наружу из точки пространства (с расстоянием до центра источника гравитации R₀), занимаемого гравитационным полем массивного источника гравитации, с начальной длиной волны λ₀, покинет это пространство, но уже с большей величиной длины волны, определяемой уравнениями:
(19)
(20)
В пределе получим:
(21)
(22)
Как видим, у гравитационного поля, соответствующего классической теории тяготения Ньютона, с радиусом Шварцшильда дела обстоят по-особому. Подставим в полученное уравнение массы кванта электромагнитного излучения, вырвавшегося за пределы гравитационного поля звезды, величины массы и радиуса ближайшей к нам, и лучше всего изученной звезды - Солнца, получим:
m_∞=0.9999979m₀ (23)
Влияния гравитационного поля Солнца на длину волны излучаемого света, в рамках классической теории тяготения Ньютона, не очень заметно.
Если мы изменим массу звезды на столько, чтобы плотность вещества сравнялась с максимальной плотностью вещества Земли (плотностью осмия), тогда получим:
m_∞=0.999966m₀ (24)
Если мы увеличим массу звезды еще в 1000 раз, оставив прежней плотность вещества, мы получим всего лишь:
m_∞=0.9966032m₀ (25)
Можно загнать в гипотетическую звезду всю массу галактики, но где такое в природе. И не получим ли мы при этом апокалиптический взрыв, вместо "супер"-звезды.
Для того, чтобы гравитационное поле классической теории тяготения Ньютона остановило электромагнитное излучение, необходимо, чтобы дробь в скобке множителя была больше, либо равна 1.
(26)
В случае теории гравитации элементарных частиц, из которой классическая теория тяготения Ньютона выводится в качестве предельного случая, математические выражения не будут столь простыми и наглядными.

Вместо того, чтобы сочинять сказки о "черных дарах" и пугать ими людей, лучше поискать электромагнитное излучение от массивных гравитационных объектов в инфракрасном и радиоволновом диапазонах. Можно также ловить и нейтринные потоки, но это значительно сложнее.

3. Черные дыры и Теория гравитации элементарных частиц

Теория гравитации элементарных частиц, установив электромагнитную природу гравитации, доказала на фундаментальном уровне невозможность существования в природе "черных дыр" - это приговор математической сказке. Поскольку гравитационное поле элементарной частицы создается ее электромагнитным полем, следовательно: гравитационное поле элементарной частицы (как из "черной дыры", так и из атома, или свободной) не может сжать электромагнитное поле элементарной частицы, его породившее - в противном случае, оно тем самым изменит свой, источник, а затем и самого себя бесконечное число раз. По слухам, у барона Мюнхгаузена получилось вытащить себя за волосы, в математике такое получится - но здесь не мир математических сказок, а ФИЗИКА (Новая физика). Это будет прямым нарушением закона сохранения энергии, такого нелюбимого сказочными "теориями", но фундаментального закона природы, как в этом не раз убеждалась физика, в том числе и Новая физика.

Доказательствами существования в природе иных, не электромагнитных, форм гравитации физика не располагает - за этими сказочными формами гравитации в природе не стоят никакие реальные поля и реальные взаимодействия, кроме конечно таких же сказочных. Правда астрономы пытаются вдуть так называемую "темную материю" - но это другая математическая сказка, выходящая за рамки данной статьи, здесь речь идет про черные дыры.

Также, любые две элементарные частицы не могут сжать друг - друга, тем более в точку. Что происходит при попытке сжать элементарные частицы, хорошо видно в ускорителях на встречных пучках: поток новых элементарных частиц в соответствии с законами природы, вместо сказочной "сингулярности". Правда сказочники от науки могут утверждать, что она образовалась на какое-то малое время, а потом распалась - голословно утверждать можно все, что угодно, а потом пугать людей "черными дырами", якобы возникающими на ускорителях, вот только доказательств НУЛЬ! Природный механизм сжатия электромагнитных полей, без привлечения внешней энергии - противоречит законам природы. Электромагнитное поле можно сжать, только добавив в него энергию в соответствии с законами природы - в гравитационном поле такой энергии НЕТ. Гравитационное взаимодействие слабее электромагнитных в 1000000000000000000000000000000000000000 раз - надеюсь, хорошо видно число нулей.

Для сжатия электромагнитных полей элементарных частиц в точку или "сингулярность" требуется энергия, превосходящая их полную внутреннюю энергию в бесконечное число раз. Даже если сложить всю энергию звезды - получится ничтожно малая часть от требуемой законами природы энергии.

4. Новая физика: Черные дыры - итог

Можно сколько угодно показывать во Вселенной массивных гравитационных объектов, выдавая их за черные дыры, но получить подтверждение данных голословных утверждений мы не сможем. Мы еще только начинаем познавать устройство Вселенной, еще мало знаем об ее законах, не удалось получить все уравнения полей в природе, а строить математические модели на неполном фундаменте и выдавать их следствия за истину у нас хорошо научились - в итоге получается очередная математическая СКАЗКА.

На этом можно и поставить точку. Черные дыры - это математическая сказка, и Новая физика - физика 21 века это доказала.

Владимир Горунович