Очевидное. Невероятное

Простое научное расследование, которое наконец завершилось.

Содержание:

Часть 1.
Механизм образования черной дыры,
свойства в стабильном состоянии и конструктивные преимущества.
Часть 2.
Механизм слияния и распада черных дыр. Один или два пика на гравитационной волне,
форма объекта V445 Puppis и плоская форма спиральных галактик – прямое следствие модели. Предсказательная сила гипотезы.
Часть 3.
Пространство. Роль фундаментальных свойств природы: самоподобие, дуализм, фрактальность.
От пространства математического к реальному
Часть 4.
Приложения. Функциональность обсуждаемой модели черной дыры на фоне общих процессов во Вселенной.

Заключение.


«Системы нет, но функция выполняется»
Генрих Альтшуллер, основоположник
Теории Решения Изобретательских Задач (ТРИЗ)


Часть 1.

Сингулярность. Это удивительная история про то, как ученые глядя в формулы проморгали центробежное ускорение и важность вращения в Вселенной. Всего лишь! Всё во Вселенной вращается и центробежные силы уравновешивают гравитацию.

Весь секрет всё время был перед ними в чайной чашке и воронке от размешивания сахара.

Сингулярность, как камень преткновения, спрятанный от наблюдателя за горизонтом событий, продолжает доставлять неудобства. Но мы, даже ради мысленного эксперимента, не стремимся её удалять без веских оснований. Всё, что мы себе позволим — это ровно на одну минуту представим, что её нет, чтобы понять, стоит ли игра свеч. Сразу после окончания 60-й секунды будет дано обоснование и способ её изъятия.
 Итак: отсутствие сингулярности внутри черной дыры снимает все теоретические усложнения, связанные с пересечением горизонта событий, все вопросы сверхскорости, сверхплотности и математических бесконечностей, огорчающих уравнение Шварцшильда.

Что могло быть упущено в описании коллапса, который приводит к образованию черной дыры? Это основной вид формообразующего движения во Вселенной — ВРАЩЕНИЕ, и его прямое следствие — центробежные силы.
Массивная звезда, которая способна превратиться в черную дыру, не является математически идеальным геометрическим объектом, поэтому её коллапс сопровождается увеличением угловой скорости в прямой зависимости от пропорции уменьшения. Красный гигант и итоговая черная дыра — это уменьшение примерно в миллион раз. На финальной стадии коллапса (сжатия) в той же пропорции растут плотность вещества и центробежные силы. Здесь очень уместно привести соответствующие формулы, но я, со всем уважением, прошу Читателя любого ранга и ученой степени посмотреть не на формулу, а на чашку с чаем. Размешивание сахара вызывает вихрь в чашке и показывает освобождение центральной области. Чем сильнее вращение, тем выше вероятность увидеть дно чашки.
А теперь вспомним известные параметры типовой, небольшой черной дыры:

Диаметр — 15км.
Скорость вращения — 1000 оборотов в секунду (1кГц)
Скорость на экваторе — 47000 км/сек (1/7 скорости света!)

Физическая логика неумолима: вещество должно было покинуть центр вращения и распределиться выше по радиусу в сверхплотную оболочку.

Теперь сделаем небольшой шаг назад и отметим, что приведённые параметры вращения — это параметры уже стабильной черной дыры с пустотой внутри. На финальной стадии сжатия звезды-сверхгиганта скорость вращения должна быть ещё выше, потому что 1000 об/сек — это уже результат после работы по освобождению центра черной дыры от вещества. Сверхгигант, как фигурист на льду, выполняющий тройной прыжок, сжимает руки на груди, чем увеличивает скорость вращения вокруг своей оси, а в момент приземления разбрасывает руки в стороны и скорость вращения падает. Разброс вещества от центра и есть «приземление» черной дыры в её стабильное состояние.

Что же осталось в центре? Ничего. Причем настолько «ничего», что это следует описать более подробно.
Из центра черной дыры вверх по радиусу поднималось вещество, в котором атомные ядра сжаты практически до соприкосновения. Образование полости в среде из такого вещества — это космический пример кавитации, когда среда обладает предельной плотностью и непроницаемостью, герметичностью, исключающей диффузию даже нейтронов в промежутках между сжатыми ядрами.
Это область такого искривления пространства, при котором сами системы координат вместе с веществом располагаются на внутренней поверхности черной дыры, а ближе к центру систем отсчета просто НЕТ.
Какими свойствами обладает это «ничто», которое является уже не вакуумом, а онтологической пустотой?
Перечислим: абсолютно черное, абсолютно непрозрачное. Отсутствуют все признаки материальных объектов, такие как теплоёмкость, теплопроводность, инерция, трение.
Эта онтологическая пустота является идеальным подшипником для вращения сверхплотной оболочки, поскольку она не является ответной поверхностью для создания трения.
Стабильная черная дыра быстро вращается и её поверхность уравновешена вращением. Её форма — идеальная сфера, потому что её окружает её собственное равномерное поле гравитации с минимальным градиентом. Сферическая поверхность черной дыры удерживается гравитационным поверхностным натяжением, которое по силе не имеет аналогов, но подчиняется принципу «чем меньше диаметр пузырька, тем его форма более устойчива». Колебание и искажение сферической формы характерно для объектов с меньшей плотностью:

- капля воды объёмом 1мл в невесомости, но не капли тумана или пузырьки CO2 в минеральной воде.
- мыльный пузырь диаметром 7-10 см, но не пузырь диаметром 1см, чьи колебания формы уже визуально не видны.



Часть 2

Слияние черных дыр как двух объектов разной массы должно происходить по следующей схеме:

Во-первых, в силу их огромной взаимной гравитации, не может идти речи о физическом контакте даже их горизонтов событий. Их гравитационное взаимодействие опережает и начинается задолго до их сближения. Горизонт событий уже является их внешней границей, на которой скорости падающего внутрь вещества приближаются к скорости света.
Во-вторых, исходя из предложенной модели, слияние является актом сдирания оболочки с менее массивного (слабого) объекта. Это происходит как приливное взаимодействие двух тел с высокой собственной гравитацией.
При сближении двух черных дыр разной массы более массивная дыра разрывает оболочку дыры-спутника на расстоянии и обнажается область внутри черной дыры, которая не содержит пространства и времени. Это аналогично заполнению кавитационного пузырька внешней средой. Следует гидроудар пространства самого об себя и формируется гравитационная волна, которая не имеет особого отношения к массе поглощаемой черной дыры. Черная дыра, которая выполняет роль поглотителя, получив дополнительную массу, вынуждена, как динамичный гироскоп, скорректировать свои параметры вращения. Она может это сделать только двумя параметрами: скоростью вращения и диаметром, и только по одному критерию — невозможность превысить скоростью вращения экватора фундаментальную скорость света.
При этом земные приборы фиксируют нарастающий шум (аккреция), затем гидроудар (исчезновение слабой черной дыры) и шум спада (вибрация диаметра результирующей черной дыры, которая корректирует своё вращение).
Итого: мы имеем профиль гравитационной волны события в виде «шум — пик — шум». Завершающий шум в терминологии современной физики носит название ringdown.

Чем отличается фатальный распад черной дыры от слияния двух черных дыр?
Он происходит в две фазы. В случае слияния ярко выражен один пик на сигнатуре слияния (исчезает один объект, другой корректируется). В случае окончательного самоуничтожения, например, в паре «черная дыра — нейтронная звезда», последовательно происходят следующие события.
- поглощение черной дырой массы, которая сопоставима с её собственной, вызывают появление аккреционного диска, который дестабилизирует форму черной дыры и приводит в экваториальному распаду черной дыры. Внешнее пространство получает доступ в область без наличия пространства и происходит гидроудар пространства (кавитация). Это даёт первый яркий пик на сигнатуре.
- Затем остатки черной дыры в виде двух полусфер, которые продолжают вращение и испытывают взаимное притяжение, схлопываются в плоский взрыв и образуют характерный рисунок распада. Его нам зафиксировал телескоп Хаббл на примере объекта V445 Puppis. Это симметричные «чайные чашки», которые соединены дном.
Схлопывание распрямлённых полусфер — это второй пик на профиле гравитационной волны от события распада. Плоский экваториальный распад черной дыры прямо объясняет плоскую форму спиральных галактик.

На этом всё, но остаётся открытым вопрос слияния двух черных дыр близкой массы. Возможно он даст ответ на возникновение шаровых звёздных скоплений, когда фатальное слияние двух черных дыр может привести к сферическому взрыву без ведущей роли аккреционного диска.


Часть 3

Вопрос свойств пространства и его свойств — это вопрос видимого взаимодействия. Это вопрос аналогий, которые описывают логику природы. Природа не любит случайность, а предпочитает системные структуры: подобие, дуализм, фракталы.
Рассмотрим такой основополагающий тип фрактала, как двоичный числовой ряд. Его структура задана двумя сущностями — ноль и единица. Ноль является несжимаемым символом форматирования числового пространства, а единица — параметром его искривления. С помощью нулей и единиц по простейшему правилу инверсии строится весь фрактал, который является в основе степенями основания «2» и промежуточными значениями. Степени основания «2» это всегда 1 с N нулей. Это дискретность подобия. Но главное то, что без несжимаемых нулей этот фрактал невозможен. Здесь математика косвенно намекает, что все виды пространств обладают определёнными свойствами. Любая волна для своего существования требует среды, которая сможет реализовать волновую функцию на основе своих физических свойств. Свойства волн напрямую зависят от свойств среды. Скорость звука зависит от плотности среды, скорость света в стекле отлична от скорости в вакууме. Движение проводника в магнитном поле вызывает индукцию, которая ограничивает рост его скорости с помощью встречного эффекта.
Кстати, если теоретически (!) предположить, что некоторую частицу можно разогнать до скорости выше скорости света, то что может произойти?
Произойдут две парадоксальные вещи, которые скажут, что «Задача невыполнима!»
Во-первых, возникает неразрешимый парадокс доставки энергии к разгоняемой частице. Скорость доставки энергии для разгона тоже должна превышать скорость света, а снабдить частицу бесконечным запасом энергии до начала разгона тоже невозможно.
Во-вторых, лоренцево сокращение в данном случае становится мнимым (квадратный корень из отрицательного числа в знаменателе уравнения), что тоже говорит об области неприменимости уравнения. У математических уравнений нет иного способа протеста против их применения за границей их применения, кроме выдачи бесконечного или мнимого результата. Но это тоже результат, а не поломка формулы. Формула вскрывает экстраполяцию за грань её применимости. Не все экстраполяции предсказывают истинную закономерность. Фрагмент синусоиды на участке восхождения не может предсказать её цикличность.


Приложения.
Открытые вопросы физики и последствия их положительного рассмотрения.

а) Скорость света как аксиома.
Аксиома о скорости света не вызывает никаких возражений, кроме своей аксиоматики. Она заслуживает большего, а именно — физического обоснования. Скорость света в воде 225000 км/с, что обусловлено плотностью среды. В стекле — то же самое. Скорость звука в воздухе — 330 м/с, в воде — 1500 м/с, в металле — 5000 м/с. В вакууме нет среды для упругого распространения звука и звук отсутствует как явление.
Следовательно скорость света в вакууме определяется не свойствами самого фотона, а взаимодействием со средой распространения. 

б) Черная дыра и окружающее пространство.
Из предположения в предыдущем пункте «а)» этого параграфа и аналогии с математическим пространством в Части 3 вытекает, что черная дыра существует в окружении физического пространства с некоторыми свойствами.
Исходя из этого мы имеем основания рассматривать черную дыру как объект в среде, по отношению к которой она может выполнять работу в стандартном физическом понимании. Расширение черной дыры — это взаимодействие черной дыры со средой с потерей энергии. Это даёт две физически обоснованные возможности:

- объяснить «испарение» черной дыры за счет выполняемой работы.
- использовать «испаряемую разницу» как ключ для вычисления конкретных физических свойств пространства как среды.

в) Стандартная интерпретация искривления пространства и эффект асимметрии гравитационной линзы.
Знаменитый резиновый батут для визуализации искривления пространства обладает некоторыми неудобствами в силу того, что изначально плоская поверхность выступает в роли трёхмерной среды. Это можно практично обойти: берём плоскую сетку 2D пространства, помещаем на неё плоскую модель черной дыры (черный круг) и изображаем искривление в виде завихрения в плоскости. В этом случае мы избегаем «ныряние» луча в гравитационный колодец и асимметрия гравитационной линзы становится очевидной, потому что все участвующие в моделировании объекты не превышают размерность среды (плоскость моделирования).

г) Большой Взрыв и наблюдаемая динамика расширения Вселенной.
Наблюдаемая астрофизиками равномерная динамика расширения Вселенной (разбег галактик) не стыкуется с характером Большого Взрыва, который, как и любой взрыв, обладает фронтом расширения и взрывной волной. Одновременное равномерное расширение пространства вокруг него нарушает причинно-следственные связи, что недопустимо. Есть ли возможность альтернативной модели, в которой механизм наблюдаемого расширения не противоречит фундаментальным принципам? Такая возможность есть, и она не требует для себя ничего, кроме того, что в природе всегда было, а физической науке давно известно.
Представим локальный водоворот в океане на планете Земля. Здесь возможна честная экстраполяция этого явления на космический масштаб, и тогда аналог Большого Взрыва займёт место следствия, а не причины, и вся наблюдаемая картина станет логичной. Что тогда может быть Большим Взрывом v2.0? И снова не нужно вводить новое «неизвестное». В физике уже укоренилось понятие «фазовый переход». Вращение локальной части бесконечного пространства могло вызвать напряжение в центре вращения и подобие разрыва (аналогия: вскипание воды при резком уменьшении давления в замкнутом сосуде).

Было: Большой Взрыв как последствие катастрофического сжатия. Причины и предыдущее состояние пространства не может быть определено или описано  объективно.

Стало: Большой Взрыв как следствие фазового перехода. Возможность вихря в любой среде не является ненаучным допущением. Все видимые во Вселенной процессы расширения обретают физическую логичность. Исходное вращение области пространства налагает на формирование Вселенной свой отпечаток и форма нашей Вселенной становится не идеальной сферой, а сплюснутым сфероидом — это объясняет разницу красных смещений в разных направлениях.   

д) Реликтовое излучение
Наблюдаемое со всех сторон реликтовое излучение считается тепловым следом Большого Взрыва. С этой его сутью никаких проблем не возникает, кроме той, что Большой Взрыв произошел больше 13 млрд лет назад. Физически фронт Большого Взрыва должен теперь находиться на таком же расстоянии от точки взрыва в световых годах. Состав фронта — это самые быстрые его составляющие: фотоны и нейтрино. Фотоны к настоящему времени должны были «остыть» и образовать фотонную сферу на периферии Вселенной. Тепловое излучение в температурой 2,7К имеет равные возможности приходить равномерно с разных направлений от этой сферы.

е) Дефект массы Вселенной и тёмная материя.
Нейтрино, благодаря своему изученному свойству высокой проникающей способности, улетели навсегда. В сумме эта масса авангарда Большого Взрыва (фотоны + нейтрино) может покрыть значительную часть дефицита наблюдаемой Вселенной. Остальная барионная часть материи образовала более медленный разлёт и сформировала видимые объекты.
Среди видимых объектов (галактики) наблюдается хаотичное распределение по направлению вращений. Исходя из различной массы галактик, из их гравитационного взаимодействия, модель их разлёта условно моделирует горсть монет, подброшенных в воздух. Мы едём наблюдения ха этим процессом с помощью достаточно точных и зорких инструментов около 100 лет, что на масштабе 13 000 000 000 лет является статическим стоп-кадром. По видимому только математическая модель может примерно предсказать, сколько оборотов могли сделать галактики относительно других осей пространства, кроме основной оси вращения. Одиночные звёзды, не принадлежащие определённой системе, скорее всего являются результаом столкновения галактик, когда их симметричное вращение было нарушено сложением их собственных моментов вращения. При столкновении гравитационный хаос разбросал стройные спиральные структуры на облако звёзд, движущихся в различных направлениях.

ж) Тип гравитационных волн. Почему не продольные и не поперечные?
На данный момент тип гравитационных волн определяется как волна поперечного типа. Какие это создаёт проблемы?
- Гравитационные измерения с помощью земных приборов дают крайне малое линейное изменение по сравнению с ожиданиями, это около 10^-21.
Есть ли этому объяснения? Да, они есть. В научных статьях звучит версия, что гравитационная волна — это колебание метрик пространства, но определённо не называется какая именно метрика. Есть ли альтернатива?
Альтернатива есть, но она нуждается в уточнении: гравитационная волна распространяется как сферический фронт в трёхмерном пространстве, следовательно для поперечной модуляции ей не хватает одного дополнительного пространственного измерения, не считая оси времени. Если мы хотим рассматривать гравитационную волну в её текущих измеряемых параметрах  не выходя за рамки 4D пространства (3 оси + время), то поперечный тип волн нам не подходит.
Есть пока единственный эффект, который может вернуть наблюдаемые явления в область физической логики. Вспомним про неньютоновскую жидкость и математическую несжимаемость нуля в двоичной системе. Их этого следует, что искомой метрикой, которая является несущей для гравитационной волны, является жесткость (упругость) пространства. При таком взгляде нет значительного сдвига при прохождении волны и линейные возмущения минимальны. Все видимые объекты Вселенной обладают низкой скоростью по сравнению со скоростью света, поэтому они могут совершать свои плавные движения без существенного сопротивления среды. А резкие взрывные процессы напротив вызывают дрожь пространства, как удар молотком по неньютоновской жидкости. Процесс легко моделируется в тазике, где смешаны вода и крахмал.

Что ещё может подтвердить это предположение о свойствах пространства и свойствах гравитационных волн?
Я представил себе свой палец внутри неньютоновской жидкости в тот момент. Когда по ней наносится удар (я готовил этот состав для демонстрации детям) и теперь предположил, что скачкообразное изменение метрики жесткости пространства при прохождении гравитационной волны должно создавать слабый эффект торможения небесных тел на орбитах, и с помощью поиска я обнаружил людей, которые пришли к такому же выводу. Существуют аналогичные предположения, что удаление Луны от Земли и/или орбитальное торможение Луны связано с прохождением гравитационных волн через пространство.

Современные данные показывают удаление Луны на 3.8 см/год. Приливная модель даёт объяснение, но не идеально гладкое — остаётся «невязка», и её обсуждаемая величина у разных участников обсуждений достигает 27% от упомянутых  3.8 см/год.

S. Reynaud, P. A. Maia Neto, A. Lambrecht, M.-T. Jaekel Gravitational decoherence of planetary motions (2001)


Marc-Thierry Jaekel et al. Quantum decoherence and gravitational waves (2008)


Abraham Loeb Detecting the Memory Effect from a Black Hole Merger... (2022)

Возможно, что сравнение статистических данных точных измерений по атомному времени, по данным лазерной локации Луны и более удалённым реперам в пространстве поможет объяснить этот эффект. Его текущее объяснение в открытых осточниках выглядит так: «...эффект рассеяния гравитационных волн на планетарных движениях (например, движение Луны) хоть и пренебрежимо мал для диссипации (потери энергии), но он доминирует во флуктуациях и процессе декогеренции »




Эпилог.
Данная статья не имела изначальной целью такой широкий охват различных процессов в космосе, но их общность по признаку вращения, как основного формообразующего фактора, требовала показать, что абстрактное моделирование может не придавать особое значение некоторым явлениям, которые в итоге оказываются решающими. Возвращаясь к эпиграфу и оглядываясь на опыт применения ТРИЗ в разных сферах множеством специалистов, можно уверенно сказать, что задача с максимально жесткими условиями заставляет искать и находить решения в неожиданных областях физического и философского опыта. В целостном понимании природа от микромира до горизонта Вселенной выстроена стройно и закономерно. Принципы дуализма, подобия фрактальных структур и вращение — это базовые .фундаментальные принципы, на которых может вырасти всё многообразие неорганической и органической реальности. Я бесконечно признателен программе «Очевидное-Невероятное», что она заложила основы моего интереса к глобальным процессам и научный подход к их познанию. Сергей Петрович Капица, его ровный и неторопливый голос — это голос науки, которая тщательно взвешивает слова, когда решается на предсказания ещё не открытых тайн мироздания. Решение обычно лежит на продолжении мысли, а не в случайном направлении.

PS
Я тоже испытываю лёгкий шок от своих предположений. Я начал эту нить размышлений из желания найти инструменты, чтобы только защитить фундаментальность скорости света от теории сингулярности, но клубок размотался от вихря в чашке чая намного дальше. Я взялся рукой за край логики. Если в физических представлениях от этого что-то рухнуло, а что-то встало на свои места, то этот путь начинали многие. Я думаю, что я тоже не прошел его до конца. Там ещё много интересного. Всем хватит!