Неустойчивость Джинса вовсе не загадочная, а очень хорошо исследованная. Все классические неустойчивости имеют своих авторов: неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, Релея-Тейлора, Тьюринга и т.д. Неустойчивость Джинса играет огромную роль в образовании звезд из звездный облаков, потому что она указывает - когда сжимающая гравитация побеждает отталкивающее давление. В том числе, неустойчивость Джинса "сработала" и в ранней Вселенной, создав шаровые скопления обычной и темной материи, часть из которых мы наблюдаем в виде звездных скоплений. Посмотрите в вики статью "Гравитационная_неустойчивость". Впервые о ней задумался Ньютон, но довел до уравнения Джинс.
Шаровые скопления образовались, по общему мнению (с которым я согласен), в результате действия гравитационной неустойчивости Джинса в первые миллионы лет после Большого взрыва. Так как сейчас выясняется, что в результате этого процесса возникли и аналогичные многочисленные скопления из черных дыр, то хочется иметь общий термин для этих объектов. Я называю их облаками Джинса.
"В науке и философии имеется понятие гипотезы ad hoc — гипотезы, выдвинутой для объяснения какого-то особого явления или результатов конкретного эксперимента, не объясняющей при этом другие явления или результаты других экспериментов. При этом ученые зачастую скептически относятся к научным теориям, которые опираются на гипотезы ad hoc."
"Не понятен механизм, почему скопления ЧД концентрируются в сферическом гало галактики, а не распределяются по всему телу галактики за миллиарды лет?"
Скопления ЧД аналогичны шаровым звездным скоплениям, которые находятся в сферическом гало и не рассасываются за миллиарды лет - а огромные звезды гораздо легче захватить, чем маленькие черные дыры такой же массы.
Вовсе нет. В литературе рассматривается два варианта: 1. сверхмассивные черные дыры возникают в процессе Большого взрыва, с помощью неизвестных квантовых мехнизмов, а потом наращивают вокруг себя галактики; 2. Сверхмассивные дыры уцелели с предыдущего цикла Вселенной, прошли через сжатое состояние Вселенной (в своей книге я его оцениваю в десять светолет, что достаточно ля размещения всех ЧД Вселенной) - и потом образуют вокруг себя галактики. Большой взрыв не обязан начинаться с микроскопического состояния - это изобретение инфляционистов, которые будучи квантовиками по своей природе, не мыслят себя (и Вселенную) без квановой микроскопичности.
Достаточно доказано существования только одного механизма образования черных дыр: при взрыве сверхновой. Это дает дыры в 4-5 масс солнца и больше. Я не думаю, что существуют мехнизмы, которые бы давали маленькие дыры. В модели циклической Вселенной темная материя, состоящая из черных дыр звездной массы, формирует шаровые скопления, которые практически не видны и движутся в сферическом гало галактики. Шансов для этих дыр повстречать звезду, да еще и образовать с ней пару - это как полярнику, сброшенному на парашюте в центре Антарктиды, случайно найти себе невесту. Единственное место, где звезды и черные дыры тесно "общаются" - это шаровые скопления. Но и тут проблемы - как поймать массивную "невесту", которая с огромной скоростью пробегает мимо? Судя по всему, самый надежный шанс заполучить звезду и черную дыру в паре - это взять двойную звезду и одну из них превратить в черную дыру.
Межгалактический газ уменьшает свою плотность при расширении Вселенной (следовательно, не может обеспечивать длительное выполнение закона Талли-Фишера), а вот шаровые скопления не расширяются и являются самыми древними стабильными структурами в нашей Вселенной. Величина 10^-8 задается средней плотностью в момент просветления Вселенной - и таковой до сих пор остается.
Вам спасибо за чтение и интересную дискуссию! По итогам 800 комментариев здесь и на элементах, я сделал несколько уточнений и разьяснений в текст книги, которые внесу в английское издание.
Я вам советую прочитать книгу - и тогда многое станет яснее, например, как черная дыра помогает "сбрасывать" энтропию наблюдаемой вселенной, не нарушая закон термодинамики.
Вы не физик, так что не советую путать причинность с инвариантностью. Это я сужу по следующему заявлению: "И опять же, в ваших рассуждениях об энтропии делается "внезапное" открытие, что в системе с взаимодействиями описание отличается от классического. Но вы учли только гравитационные, а три остальных, более сильных (одно дальнодействующее и два близкодействующих), просто не учитываете."
То, что именно гравитационное взаимодействие (в отличие от трех других ) меняет понятие энтропии и открытости системы было известно задолго до меня - см. например, классическую книгу Толмена "Относительность, термодинамике и космология", написанную в 1934 году.
"Тут скорее возникает вопрос - а почему вообще будет существовать ЧД? Ведь замыкание пространства и удержание информации происходит из за массы, которая столь велика, что скорость убегания становится выше скорости света. Если такой массы не станет, не будет и удержания света и искривления пространства. А значит не станет и горизонта событий."
Я отвечу только на пункт, который "внутри" обсуждаемой теории. Черная дыра представляет очень необычный объект, на внешней границе которого время останавливается, поэтому любой объект застревает в попытках достичь горизонта. А на внутренней границе дыры время течет БЕСКОНЕЧНО быстро по отношению к времени внутри дыры. Это означает, что ЛЮБОЕ воздействие на горизонт черной дыры изнутри будет ослаблено до нуля. То есть, мы уничтожили гравитационную массу, породили антигравитационную волну и послали ее к горизонту, чтобы она взаимоуничтожилась с горизонтом черной дыры. Возможно, это взаимоуничтожение и произойдет (и тогда циклическая Вселенная может переходить к сжатию благодаря сверхсветовому расширению БЧД), а возможно, что оно рассосется, как фотон, растянутый в бесконечность - и ничего с УЖЕ сформировавшейся дырой не сделает. Тут надо считать и думать. Вот сейчас я составляю для английского издания список тем, которые нужно дополнительно исследовать (такие задания после каждй главы). И вот обсуждаемая тема - одна из такого списка.
А почему это должно смущать? Самые многочисленные фотоны во нашей Вселенной - это реликтовые с температурой в 3 кельвина. Именно, они увеличив свою температуру в десять миллиардов раз при сжатии Вселенной, разбивают атомные ядра на барионы. Безусловно, что при синтезе гелия из водорода возникают более энергичные фотоны. Но они пока выберутся из звезд, становятся гораздо более холодными, а при очередном сжатиии Вселенной, когда попадут в непрозрачную среду, термализуются и вольются в реликтовое излучение. Цикл есть, он просто более сложный, чем вы думаете.
Должен сказать, что вы задаете очень глубокие, а, соответственно, сложные вопросы. Построенная космология базируется на нескольких математических моделях, но "промежутки" между ними приходится заполнять качественными сооражениями и гипотезами. И ваши вопросы как раз касаются таких серых зон.
"Выходит, что эволюция ядра ЧД выглядит так: 1) Формирование в результате коллапса с образованием горизонта событий 2) Перевод массы в антигравитацию (насколько я понял, это относительно короткий этап)"
Антигравитационная волна возникает в результате достаточно короткого события - слияния дыр (это показано), но дальше она может существовать достаточно долго (насколько? Это требует исследования). Аналогия: волна от кратковременного события - камня, упавшего в воду - движется по поверхности на большие расстояния.
"3) Разрушение ядра ЧД. Т.е. внутри горизонта событий больше нет единой массы со скоростью убегания выше скорости света. И в теории ничто не помешает внутреннему наблюдателю покинуть ЧД?"
Формально такая масса все еще может быть, даже после уменьшения, но здесь вмешивается антигравитация, которая предотвращает коллапс этой массы. Предположим, что такой массы уже нет - или не станет в какой-то перспективе. Сможет ли наблюдатель выбраться из ЧД? Отрицательный ответ может проистекать из двух причин (и однозначно выбрать одну из них трудно): 1. Гравитационные волны, которые составляют основную энергию нашей Вселенной, гравитируют не локально, но глобально. Это такое их свойство, вызывающее бурные споры уже сотню лет. То есть, мы можем двигаться во Вселенной внутри дыры из-за слабой локальной гравитации, но когда мы подойдем к ее границе, то кривизна пространства ранее созданной дыры на нас все равно подействует и мы снова двинемся к ее центру. 2. Антигравитационная волна и уменьшение гравмассы теоретически позволяют наблюдателю сбежать из ЧД, но за ним гонится растущая на пожирании гравволн Большая дыра, граница которой нематериальна и может двигаться со скоростью больше скорости света. В результате она догоняет наблюдателя и заставляет его вернуться, а сама уходит на периферию, образуя внешнюю дыру, из которой теоретически можно выбраться, но в реальности - нельзя.
"Но тогда получается, что БЧД, которая поглотит всю нашу Вселенную в итоге, тоже не имеет ядра, которое будет притягивать всё к себе? И раз нет ядра, которое породит мощную антигравитацию для нового Большого взрыва, то что же её породит? Или на финальных стадиях сжатия будет формироваться новое большое ядро у БЧД? У меня опять не складывается :)"
Вещество притягивается к БЧД не из-за ее ядра, в из-за самой БЧД. Для нас, внешних наблюдателей, гравитирует сама БЧД. Она нас проглатывает и мы летим к ее центру, ФОРМИРУЯ новое ядро и вызывая антигравитацию.
"И возвращаясь к вопросу заданному ранее. А что запрещает ядру ЧД иметь стабильное состояние наподобие нейтронной звезды, когда масса в результате генерации гравволн уменьшилась до порога, когда их уже можно не генерировать?"
Стабильное состояние типа нейтронной звезды возможно только ВНЕ дыры, внутри дыры по определению гравитация доминирует над всеми силами. В книжке рассмотрены мысленные эксперименты, когда в центре Вселенной может существовать галактика (и нейтронные звезды), а основная масса вещества будет располагатья по краям дыры-Вселенной. Но понятно, что эта краевая масса обрушится в центр и вовлечет все вещество в циклическое расширение и сжатие. Покоя внутри дыры для обычного вещества не будет. Возможное ислючение - про космические корабли - в книге обсуждается.
"В книге этот вопрос как-то обойдён. Ничего не сказано про разрушение ядра. Напротив, на стр.141 указано - "В свою очередь, генерация гравитационного излучения эффективно переводит массу коллапсирующей несферической системы в невесомые гравитационные волны до тех пор, пока притяжение не будет побеждено антигравитацией и система не перестанет сжиматься." Т.е. в результате сжатие останавливается. Но ядро не раскидывает при этом на части в разные стороны?"
Сжатие останавливается из-за антигравитации и она же вызывает расширение Вселенной или разбрасывание ядра (это одно и тоже!) в разные стороны.
Ну, Шварцшильд считал по другому: внешние метрики у обоих решений (которые собственно являются метриками черной дыры) совпадали, потому что ЧД все равно, что ее генерирует - точка или шар, даже если шар не стабилен и сжимается.
Они не совсем разрушаются, а переходят в гравитационные волны, которые хитрые бестии - они локально не гравитируют, но вносят вклад в образование черной дыры, когда проникают в нее извне и этот вклад сохраняется. То есть уменьшение гравитационной массы внутри черной дыры не размыкает ее. Эта гипотеза нуждается в доказательстве, но выглядит логично.
"Фотон теряет энергию, переводя её, кстати, во что? Этот вопрос, наверное, изучен?"
Да, его энергия переходит в энергию гравполя, вернее, его энергия уничтожает часть отрицательной энергии гравполя, отчего глубина потенциальной ямы уменьшается.
"Она не может унести энергию наружу, значит, её частота (или что? В тензорах не силён) падает до нуля, и тогда вопрос - куда это всё (энергия, масса) девается. Накапливается на внутренней границе или падает назад (антигравиволна отражается от границы и превращается в ?)"
Это хорошие вопросы, но я не знаю ответов на них. Закон сохранения не возражает против обеих вариантов: фотон (волна) повернется назад и снова начнет набирать энергию, или фотон бесследно исчезнет. Мне лично нравится больше первый вариант, но тут надо считать.
Неустойчивость Джинса вовсе не загадочная, а очень хорошо исследованная. Все классические неустойчивости имеют своих авторов: неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, Релея-Тейлора, Тьюринга и т.д. Неустойчивость Джинса играет огромную роль в образовании звезд из звездный облаков, потому что она указывает - когда сжимающая гравитация побеждает отталкивающее давление. В том числе, неустойчивость Джинса "сработала" и в ранней Вселенной, создав шаровые скопления обычной и темной материи, часть из которых мы наблюдаем в виде звездных скоплений. Посмотрите в вики статью "Гравитационная_неустойчивость". Впервые о ней задумался Ньютон, но довел до уравнения Джинс.
Абсолютно верно. Захват рассматривается только в тройных столкновениях, либо при частичном разрушении тела - это очень нетривиальная задача.
Вам спасибо за понимание!
Шаровые скопления образовались, по общему мнению (с которым я согласен), в результате действия гравитационной неустойчивости Джинса в первые миллионы лет после Большого взрыва. Так как сейчас выясняется, что в результате этого процесса возникли и аналогичные многочисленные скопления из черных дыр, то хочется иметь общий термин для этих объектов. Я называю их облаками Джинса.
Из вики:
"В науке и философии имеется понятие гипотезы ad hoc — гипотезы, выдвинутой для объяснения какого-то особого явления или результатов конкретного эксперимента, не объясняющей при этом другие явления или результаты других экспериментов. При этом ученые зачастую скептически относятся к научным теориям, которые опираются на гипотезы ad hoc."
В чем я не прав, поясните.
"Не понятен механизм, почему скопления ЧД концентрируются в сферическом гало галактики, а не распределяются по всему телу галактики за миллиарды лет?"
Скопления ЧД аналогичны шаровым звездным скоплениям, которые находятся в сферическом гало и не рассасываются за миллиарды лет - а огромные звезды гораздо легче захватить, чем маленькие черные дыры такой же массы.
Вовсе нет. В литературе рассматривается два варианта: 1. сверхмассивные черные дыры возникают в процессе Большого взрыва, с помощью неизвестных квантовых мехнизмов, а потом наращивают вокруг себя галактики; 2. Сверхмассивные дыры уцелели с предыдущего цикла Вселенной, прошли через сжатое состояние Вселенной (в своей книге я его оцениваю в десять светолет, что достаточно ля размещения всех ЧД Вселенной) - и потом образуют вокруг себя галактики. Большой взрыв не обязан начинаться с микроскопического состояния - это изобретение инфляционистов, которые будучи квантовиками по своей природе, не мыслят себя (и Вселенную) без квановой микроскопичности.
Достаточно доказано существования только одного механизма образования черных дыр: при взрыве сверхновой. Это дает дыры в 4-5 масс солнца и больше. Я не думаю, что существуют мехнизмы, которые бы давали маленькие дыры. В модели циклической Вселенной темная материя, состоящая из черных дыр звездной массы, формирует шаровые скопления, которые практически не видны и движутся в сферическом гало галактики. Шансов для этих дыр повстречать звезду, да еще и образовать с ней пару - это как полярнику, сброшенному на парашюте в центре Антарктиды, случайно найти себе невесту. Единственное место, где звезды и черные дыры тесно "общаются" - это шаровые скопления. Но и тут проблемы - как поймать массивную "невесту", которая с огромной скоростью пробегает мимо? Судя по всему, самый надежный шанс заполучить звезду и черную дыру в паре - это взять двойную звезду и одну из них превратить в черную дыру.
Межгалактический газ уменьшает свою плотность при расширении Вселенной (следовательно, не может обеспечивать длительное выполнение закона Талли-Фишера), а вот шаровые скопления не расширяются и являются самыми древними стабильными структурами в нашей Вселенной. Величина 10^-8 задается средней плотностью в момент просветления Вселенной - и таковой до сих пор остается.
Вам спасибо за чтение и интересную дискуссию! По итогам 800 комментариев здесь и на элементах, я сделал несколько уточнений и разьяснений в текст книги, которые внесу в английское издание.
Я вам советую прочитать книгу - и тогда многое станет яснее, например, как черная дыра помогает "сбрасывать" энтропию наблюдаемой вселенной, не нарушая закон термодинамики.
Вы не физик, так что не советую путать причинность с инвариантностью. Это я сужу по следующему заявлению: "И опять же, в ваших рассуждениях об энтропии делается "внезапное" открытие, что в системе с взаимодействиями описание отличается от классического. Но вы учли только гравитационные, а три остальных, более сильных (одно дальнодействующее и два близкодействующих), просто не учитываете."
То, что именно гравитационное взаимодействие (в отличие от трех других ) меняет понятие энтропии и открытости системы было известно задолго до меня - см. например, классическую книгу Толмена "Относительность, термодинамике и космология", написанную в 1934 году.
"Если бы путь "туда" и путь "обратно" были бы эквивалентны, то тогда вообще не нужно было бы вводить понятие энтропии."
Но они не эквивалентны и именно поэтому введена энтропия. Боюсь, что вы непонятны даже себе самому.
"Тут скорее возникает вопрос - а почему вообще будет существовать ЧД? Ведь замыкание пространства и удержание информации происходит из за массы, которая столь велика, что скорость убегания становится выше скорости света. Если такой массы не станет, не будет и удержания света и искривления пространства. А значит не станет и горизонта событий."
Я отвечу только на пункт, который "внутри" обсуждаемой теории. Черная дыра представляет очень необычный объект, на внешней границе которого время останавливается, поэтому любой объект застревает в попытках достичь горизонта. А на внутренней границе дыры время течет БЕСКОНЕЧНО быстро по отношению к времени внутри дыры. Это означает, что ЛЮБОЕ воздействие на горизонт черной дыры изнутри будет ослаблено до нуля. То есть, мы уничтожили гравитационную массу, породили антигравитационную волну и послали ее к горизонту, чтобы она взаимоуничтожилась с горизонтом черной дыры. Возможно, это взаимоуничтожение и произойдет (и тогда циклическая Вселенная может переходить к сжатию благодаря сверхсветовому расширению БЧД), а возможно, что оно рассосется, как фотон, растянутый в бесконечность - и ничего с УЖЕ сформировавшейся дырой не сделает. Тут надо считать и думать. Вот сейчас я составляю для английского издания список тем, которые нужно дополнительно исследовать (такие задания после каждй главы). И вот обсуждаемая тема - одна из такого списка.
А почему это должно смущать? Самые многочисленные фотоны во нашей Вселенной - это реликтовые с температурой в 3 кельвина. Именно, они увеличив свою температуру в десять миллиардов раз при сжатии Вселенной, разбивают атомные ядра на барионы. Безусловно, что при синтезе гелия из водорода возникают более энергичные фотоны. Но они пока выберутся из звезд, становятся гораздо более холодными, а при очередном сжатиии Вселенной, когда попадут в непрозрачную среду, термализуются и вольются в реликтовое излучение. Цикл есть, он просто более сложный, чем вы думаете.
Должен сказать, что вы задаете очень глубокие, а, соответственно, сложные вопросы. Построенная космология базируется на нескольких математических моделях, но "промежутки" между ними приходится заполнять качественными сооражениями и гипотезами. И ваши вопросы как раз касаются таких серых зон.
"Выходит, что эволюция ядра ЧД выглядит так: 1) Формирование в результате коллапса с образованием горизонта событий 2) Перевод массы в антигравитацию (насколько я понял, это относительно короткий этап)"
Антигравитационная волна возникает в результате достаточно короткого события - слияния дыр (это показано), но дальше она может существовать достаточно долго (насколько? Это требует исследования). Аналогия: волна от кратковременного события - камня, упавшего в воду - движется по поверхности на большие расстояния.
"3) Разрушение ядра ЧД. Т.е. внутри горизонта событий больше нет единой массы со скоростью убегания выше скорости света. И в теории ничто не помешает внутреннему наблюдателю покинуть ЧД?"
Формально такая масса все еще может быть, даже после уменьшения, но здесь вмешивается антигравитация, которая предотвращает коллапс этой массы. Предположим, что такой массы уже нет - или не станет в какой-то перспективе. Сможет ли наблюдатель выбраться из ЧД? Отрицательный ответ может проистекать из двух причин (и однозначно выбрать одну из них трудно): 1. Гравитационные волны, которые составляют основную энергию нашей Вселенной, гравитируют не локально, но глобально. Это такое их свойство, вызывающее бурные споры уже сотню лет. То есть, мы можем двигаться во Вселенной внутри дыры из-за слабой локальной гравитации, но когда мы подойдем к ее границе, то кривизна пространства ранее созданной дыры на нас все равно подействует и мы снова двинемся к ее центру. 2. Антигравитационная волна и уменьшение гравмассы теоретически позволяют наблюдателю сбежать из ЧД, но за ним гонится растущая на пожирании гравволн Большая дыра, граница которой нематериальна и может двигаться со скоростью больше скорости света. В результате она догоняет наблюдателя и заставляет его вернуться, а сама уходит на периферию, образуя внешнюю дыру, из которой теоретически можно выбраться, но в реальности - нельзя.
"Но тогда получается, что БЧД, которая поглотит всю нашу Вселенную в итоге, тоже не имеет ядра, которое будет притягивать всё к себе? И раз нет ядра, которое породит мощную антигравитацию для нового Большого взрыва, то что же её породит? Или на финальных стадиях сжатия будет формироваться новое большое ядро у БЧД? У меня опять не складывается :)"
Вещество притягивается к БЧД не из-за ее ядра, в из-за самой БЧД. Для нас, внешних наблюдателей, гравитирует сама БЧД. Она нас проглатывает и мы летим к ее центру, ФОРМИРУЯ новое ядро и вызывая антигравитацию.
"И возвращаясь к вопросу заданному ранее. А что запрещает ядру ЧД иметь стабильное состояние наподобие нейтронной звезды, когда масса в результате генерации гравволн уменьшилась до порога, когда их уже можно не генерировать?"
Стабильное состояние типа нейтронной звезды возможно только ВНЕ дыры, внутри дыры по определению гравитация доминирует над всеми силами. В книжке рассмотрены мысленные эксперименты, когда в центре Вселенной может существовать галактика (и нейтронные звезды), а основная масса вещества будет располагатья по краям дыры-Вселенной. Но понятно, что эта краевая масса обрушится в центр и вовлечет все вещество в циклическое расширение и сжатие. Покоя внутри дыры для обычного вещества не будет. Возможное ислючение - про космические корабли - в книге обсуждается.
"В книге этот вопрос как-то обойдён. Ничего не сказано про разрушение ядра. Напротив, на стр.141 указано - "В свою очередь, генерация гравитационного излучения эффективно переводит массу коллапсирующей несферической системы в невесомые гравитационные волны до тех пор, пока притяжение не будет побеждено антигравитацией и система не перестанет сжиматься." Т.е. в результате сжатие останавливается. Но ядро не раскидывает при этом на части в разные стороны?"
Сжатие останавливается из-за антигравитации и она же вызывает расширение Вселенной или разбрасывание ядра (это одно и тоже!) в разные стороны.
Книгу можно найти в Германии:
https://www.knigi-janzen.de/view.php?gid=989868
"Только она не поддерживает чёрные дыры"
Ну, Шварцшильд считал по другому: внешние метрики у обоих решений (которые собственно являются метриками черной дыры) совпадали, потому что ЧД все равно, что ее генерирует - точка или шар, даже если шар не стабилен и сжимается.
Они не совсем разрушаются, а переходят в гравитационные волны, которые хитрые бестии - они локально не гравитируют, но вносят вклад в образование черной дыры, когда проникают в нее извне и этот вклад сохраняется. То есть уменьшение гравитационной массы внутри черной дыры не размыкает ее. Эта гипотеза нуждается в доказательстве, но выглядит логично.
"Фотон теряет энергию, переводя её, кстати, во что? Этот вопрос, наверное, изучен?"
Да, его энергия переходит в энергию гравполя, вернее, его энергия уничтожает часть отрицательной энергии гравполя, отчего глубина потенциальной ямы уменьшается.
"Она не может унести энергию наружу, значит, её частота (или что? В тензорах не силён) падает до нуля, и тогда вопрос - куда это всё (энергия, масса) девается. Накапливается на внутренней границе или падает назад (антигравиволна отражается от границы и превращается в ?)"
Это хорошие вопросы, но я не знаю ответов на них. Закон сохранения не возражает против обеих вариантов: фотон (волна) повернется назад и снова начнет набирать энергию, или фотон бесследно исчезнет. Мне лично нравится больше первый вариант, но тут надо считать.
"Решение Шварцшильда — для вакуума".
Есть еще одно решение Шварцшильда для сплошной сферы