Физика черных дыр - Новиков И.Д.
Скачать (прямая ссылка):
Для заряженной вращающейся черной дыры теплоемкость, рассчитанная с помощью формулы, аналогичной (11.4.1), имеет вид
MTS3
C =-----------------------. (11.4.8)
TtJ2 + — Q4 - T2S3 4
Если обозначить J2 = аМ4 и Q2 = /Ж2, то нетрудно убедиться, что величина С изменяет знак при параметрах а и /3, удовлетворяющих соотношению [Девис, (1977)]
а2 + 6а + 4/3 — 3 = 0, (11.4.9)
принимая в этой точке бесконечное значение. Хотя это свойство теплоем-
269
кости в известной мере сходно со свойством теплоемкостей обычных веществ при фазовых переходах второго рода, рождение заряженных частиц и квантовый аналог суперрадиации делают затруднительным аккуратное рассмотрение физических особенностей, связанных с описанным выше, поведением коэффициента удельной теплоемкости С [Девис (1977), Хут (1977) ,Соколовский,Мазур (1980)].
Исследованная нами в этой главе термодинамическая аналогия в физике черных дыр ограничивалась, по сути дела, равновесной термодинамикой (т.е. рассмотрением равновесных состояний и различных соотношений, связывающих характеристики таких состояний). Эта аналогия на самом деле шире. Ее можно проследить и для неравновесной термодинамики, которая описывает необратимые переходы системы из одного состояния в другое и процессы, происходящие при переходе системы в состояние термодинамического равновесия [Дамур (1979)]. Общее обсуждение проблем необратимой термодинамики черных дыр можно найти в работе Шьямы (1981). Относительно изменения энтропии черной дыры при неравновесных процессах см. Хокинг, Хартль (1972), Бекенштейн (1974), Картер (1979).
В зтой и предыдущих главах при описании черных дыр основное внимание уделялось тем их свойствам, которые доступны для изучения отдаленному наблюдателю. Прежде чем перейти к обсуждению строения пространства-времени внутри черной дыры, сделаем одно общее замечание. Исходной при рассмотрении черных дыр являлась точка зрения на них как на такие объекты, которые наделены сильным гравитационным полем и обладают важнейшим свойством: все поглощают и ничего не излучают, а горизонт событий — это нематериальная мысленная граница, отделяющая область, откуда ничто не выходит, от внешнего пространства. В процессе изучения различных физических процессов с участием черной дыры происходило постепенное расширение представлений о ней. Оказалось, что в этих процессах черная дыра до известной степени ведет себя так же, как другие реальные материальные тела, и характеризуется целым набором физических свойств. Поверхность черной дыры как бы обладает натяжением. При отсутствии внешних воздействий невращающаяся черная дыра принимает сферическую форму. Резкое воздействие вызывает в ней собственные колебания, которые затухают со временем так, как будто имеется трение (квазинормальные моды, § 3.2). Во внешнем статическом поле черная дыра деформируется как упругое тело (§8.5). Если черная дыра вращается, то угловая скорость вращения ее поверхности постоянна, как у твердого тела (§ 11.2). Черная дыра излучает как нагретое тело (§ 9.5), имеет определенную энтропию (§11.3) и подчиняется термодинамическим законам ( § 11.3) . Черная дыра обладает поверхностной вязкостью. Покоящееся внешнее тело, оказывающее приливное воздействие на горизонт вращающейся черной дыры, приводит к постепенному замедлению ее вращения и возрастанию ее энтропии [Хокинг, Хартль (1972), Хартль (19737 1974)]. В электродинамических процессах она ведет себя так, будто на ее поверхности внешнее поле индуцирует поверхностные заряды и токи, удовлетворяющие закону сохранения и законам Гаусса, Ампера и Ома, причем ее поверхностное сопротивление равно 377 Ом (§ 7.3) .
270
Подобный подход к черной дыре как к физическому телу с определенными поверхностными свойствами нашел свое отражение в так называемом мембранном формализме, уже упоминавшемся в § 7.3. Этот формализм был сформулирован в работах Дамура (1978,1979, 1982) и Знае-ка (1978) и развит на основе метода ”3 + 1”-расщепления пространства-времени Торном, Макдональдом (1982), Прайсом, Торном (1985) и Торном (1986) [общий обзор см. Торн и др. (1985)].
Подчеркнем, однако, еще раз: хотя подобный подход до известной степени облегчает рассмотрение различных эффектов с участием черных дыр и позволяет привлекать обычную физическую интуицию, необходимо помнить, что, конечно же, никакой материальной оболочки у черной дыры нет, а сам подход не что иное, как удобный способ описания этих объектов внешним наблюдателем.
ГЛАВА 12
ВНУТРЕННЯЯ СТРУКТУРА ЧЕРНЫХ ДЫР
§12.1. Пространсіво-время и физические поля внутри шварцшильдовской черной дыры
Структура пространства-времени внутри невращаюшейся черной дыры была рассмотрена нами в гл. 2. Здесь мы обсудим поведение физических полей и проблему устойчивости внутренней части шварцшильдовской черной дыры с г <rg, аналогично тому, как это было сделано для пространства вне черной дыры в гл. 3.
Данная задача была решена в работе Дорошкевича и Новикова (1978*). Вопрос о свойствах пространства-времени внутри черной дыры имеет принципиальное значение для проблемы гравитационного коллапса и природы сингулярности, хотя эта область и недоступна исследованию для наблюдателя, остающегося вне черной дыры. Общие теоремы о свойствах черных дыр, рассмотренные нами в гл. 5, не дают конкретного выражения для структуры пространства-времени внутри черной дыры. Иногда высказывались предположения, что под горизонтом черной дыры все радиационные ноля, все возмущения нарастают, становятся нелинейными и структура метрики должна быть крайне замысловатой.
