Changes
/* 6 */
Թե աստղերի և գալակտիկաների առաջացման համար անհրաժեշտ այդ խախտումները պատճառ եղե՞լ են արդյոք, որպեսզի որոշակի քանակությամբ «նախասկզբնական» սև խոռոչներ ևս ստեղծվեին՝ կախված է միայն նախնական տիեզերքի պայմանների մանրամասներից։ Հետևաբար, եթե կարողանանք որոշել, թե որքան նախասկզբնական սև խոռոչներ կան այսօր, մենք շատ բան կիմանանք տիեզերքի շատ վաղ անցյալի վիճակի մասին։ Նախասկզբնական այնպիսի սև խոռոչները, որոնց զանգվածը հազար միլիոն տոննայից մեծ է (մեծ լեռան զանգվածի չափ), կարելի է հայտնաբերել միայն, որոշելով նրանց գրավիտացիոն ազդեցությունը այլ տեսանելի նյութի կամ տիեզերքի ընդարձակման վրա։ Սակայն ինչպես հաջորդ գլխում կտեսնենք, սև խոռոչները իրականում այնքան էլ սև չեն, նրանք տաք մարմնի նման լուսարձակում են և որքան փոքր են, այնքան ուժեղ է լուսարձակումը։ Այսպիսով, որքան էլ պարադոքսային թվա, ստացվում է, որ փոքրիկ, սև խոռոչներն ավելի հեշտ է հայտնաբերել, քան մեծերը։
==7==
Սև խոռոչները այնքան էլ սև չեն
1970֊ից առաջ ընդհանուր հարաբերականության ասպարեզում իմ կատարած ուսումնասիրությունների կենտրոնում գլխավորապես Մեծ պայթյունի եզակիության հարցն էր։ Այդ տարվա նոյեմբերի մի երեկո իմ աղջկա՝ Լյուսիի ծննդից քիչ հետո, քնելու պատրաստվելիս ես սկսեցի մտածել սև խոռոչների մասին։ Հաշմանդամությանս պատճառով դանդաղ եմ տեղաշարժվում, այդ պատճառով ես շատ ժամանակ ունեի մտածելու։ Այն ժամանակ չկար որոշակի սահմանում, թե տարածության֊ժամանակի որ կետերն են գտնվում սև խոռոչի ներսում, որոնք՝ նրանից դուրս։ Ես արդեն Ռոջեր Պենրոուզի հետ քննարկել էր այն գաղափարը, որ սև խոռոչը պիտի սահմանել որպես պատահույթների մի շարք, որից հնարավոր չէ ձերբազատվել և բավականին հեռանալ․ մի սահմանում, որն այսօր համընդհանուր ընդունելության է արժանացել։ Սա նշանակում է, որ սև խոռոչի սահմանագիծը՝ պատահութային հորիզոնը, տարածություն֊ժամանակի մեջ առաջանում է լույսի ճառագայթների այն ուղիներով, որոնք պարզապես չեն կարողանում ձերբազատվել սև խոռոչից և մշտապես սավառնում են եզրագծում (նկ․7.1): Սա փոքր֊ինչ նման է այն դեպքին, երբ մարդ փախչում է ոստիկանությունից և հազիվ է հասցնում մի քայլ առաջ ընկնել, բայց երբեք նրանից լրիվ ազատվել չի կարողանում։
Ես հանկարծ գլխի ընկա, որ լուսային ճառագայթների ուղիները երբեք իրար չեն կարող մոտենալ։ Եթե մոտենային, ապա նրանք ի վերջո պետք է խառնվեին իրար։ Վիճակը նման կլիներ այն դեպքին, երբ ոստիկանությունից փախչողը բախվեր հակառակ ուղղությամբ ընթացող և ոստիկանի կողմից հետապնդվող մի ուրիշի հետ՝ երկուսն էլ տեղն ու տեղը կբռնվեին (կամ, այս դեպքում, կընկնեին սև խոռոչի մեջ)։ Սակայն, եթե սև խոռոչը կլաներ այս լուսային ճառագայթները, ապա նրանք սահմանագծի վրա չէին կարող լինել։ Հետևաբար, պատահութային հորիզոնում լուսային ճառագայթների ուղիները կամ պետք է միշտ իրար զուգահեռ շարժվեն և կամ իրարից հեռանան։ Այլ կերպ ասած, պատահութային հորիզոնը՝ սև խոռոչի սահմանագիծը, նման է ստվերի՝ եզրի վերահաս կործանման ստվերի։ Եթե ուշադիր դիտենք հեռավոր լուսաղբյուրի, ինչպես օրինակ, արեգակի առաջացրած ստվերը, կտեսնենք, որ եզրում լույսի ճառագայթներն իրար չեն մոտենում։
Հետևաբար, եթե պատահութային հորիզոնը՝ սև խոռոչի սահմանագիծը, կազմող լույսի ճառագայթները երբեք իրար չեն կարող մոտենալ, նշանակում է, որ պատահութային հորիզոնի մակերեսը կարող է ժամանակի ընթացքում նույնը մնալ կամ մեծանալ, բայց երբեք չի կարող փոքրանալ։ Քանի որ այս վերջին դեպքում սահմանի լույսի որոշ ճառագայթներ պետք է որ իրար մոտենային։ Իրականում մակերեսը կմեծանա՝ սև խոռոչի մեջ նյութ կամ ճառագայթում ընկնելիս (նկ․ 7.2)։ Կամ եթե երկու խոռոչներ բախվեն և միանան ու մի նոր սև խոռոչ առաջացնեն, ապա վերջինիս պատահութային հորիզոնի մակերեսը կարող է մեծ լինել կամ հավասար երկու սկզբնական սև խոռոչների պատահութային հորիզոնների մակերեսների գումարին ( նկ․ 7.3)։ Պատահութային հորիզոնի մակերեսի չփոքրանալու այդ հատկությունը սահմանափակում է սև խոռոչի հնարավոր վարքագիծը։ Այս հայտնագործությունն ինձ այն աստիճան ոգևորեց, որ ես չկարողացա քնել։ Հաջորդ օրը զանգահարեցի Ռոջեր Պենրոուզին։ Նա համաձայնեց իմ կարծիքին։ Կարծում եմ, որ նա, փաստորեն, իրազեկ էր սև խոռոչի մակերեսի այդ հատկությանը։ Թեև նա սև խոռոչի համար փոքր֊ինչ այլ սահմանում էր տալիս, բայց գլխի չէր ընկել, որ երկու սահմանումների պարագայում էլ սև խոռոչի սահմանները և նրանց մակերեսները նույնը կլինեն, եթե իհարկե, սև խոռոչը հասել է այնպիսի մի վիճակի, որը ժամանակի ընթացքում այլևս փոփոխության չի ենթարկվում։
Սև խոռոչի չփոքրանալու հատկությունը ընդհանրություններ ունի էնտրոպիա կոչվող մի այլ ֆիզիկական մեծության վարքագծի հետ, այս մեծությունը չափում է անկանոնության աստիճանը։ Հայտնի է, որ առանց միջամտության առարկաները ժամանակի ընթացքում անկարգ վիճակում են հայտնվում (այս բանը ակնհայտ է դառնում, երբ տունը երկար ժամանակ չի վերանորոգվում)։ Իհարկե, կարելի է անկարգության վիճակից կարգավորվածության վիճակի անցնել, հնարավոր է կարգուկանոն մտցնել (օրինակ, կարելի է տունը ներկել), բայց դրա համար հարկավոր է աշխատել կամ էներգիա ծախսել, որի հետևանքով առկա կարգավորված էներգիայի քանակությունը կնվազի։
Էնտրոպիայի մասին ավելի ճշգրիտ պատկերացում է տալիս թերմոդինամիկայի 2֊րդ օրենքը։ Համաձայն այս օրենքի, մեկուսացած համակարգի էնտրոպիան միշտ աճում է։<ref>Երբ տեղի են ունենում ինքնակամ պրոցեսներ։</ref> Երբ այդպիսի երկու համակարգ միացվում են<ref>Ավելի ճիշտ՝ խառնվում են</ref> միմյանց, ապա միացյալ համակարգի էնտրոպիան ավելի մեծ է լինում սկզբնական երկու առանձին համակարգերի էնտրոպիաների գումարից։ Դիցուկ, ունենք գազի մոլեկուլներով լեցուն մի տուփ։ Մոլեկուլները կարելի է պատկերել որպես բիլիարդի փոքրիկ գնդիկներ, որոնք շարունակաբար բախվում են իրար հետ և հետ հրվում տուփի պատերին բախվելիս։ Որքան բարձր լինի ջերմաստիճանը, այնքան արագ կշարժվեն մոլեկուլները, ավելի հաճախ և մեծ ուժով կհարվածեն տուփի պատերին, և, հետևաբար, պատերին ազդող ներքին ճնշումն ավելի բարձր կլինի։ Ենթադրենք, թե սկզբում բոլոր մոլեկուլները պարփակված են տուփի ձախ մասում, որն անջատված է մի միջնապատով։ Երբ միջնապատը հեռացվի, մոլեկուլները կձգտեն տարածվել և զբաղեցնել տուփի երկու բաժինները։ Հետագայում կարող է պատահել, որ բոլոր մոլեկուլները հավաքվեն տուփի միայն աջ կամ միայն ձախ մասում, սակայն շատ ավելի հավանական է, որ մոլեկուլները երկու մասում բաշխվեն հավասարապես։ Այս վիճակը նվազ կարգավորված է, կամ ավելի չկարգավորված, քան այն սկզբնական վիճակը, երբ մոլեկուլները գտնվում էին մի կեսում։ Հետևաբար, կարելի է ասել, որ գազի էնտրոպիան աճեց։<ref>Գազի ինքնակամ ընդարձակումը հաստատուն ջերմաստիճանում բերում է էնտրոպիայի աճի։</ref>
Դիցուկ, ունենք երկու տուփ, որոնցից մեկը լցված է թթվածնով, մյուսը՝ ազոտով։
Երբ երկու տուփերը միացնենք իրար, ապա միջնորմը հեռացնելիս թթվածնի և ազոտի մոլեկուլները պիտի սկսեն խառնվել միմյանց։ Հետագայում առավել հավանական վիճակը կլինի այն, որ թթվածնի և ազոտի մոլեկուլները միօրինակ և հավասարապես բաշխված կլինեն երկու տուփերում։ Այս վիճակը նվազ կարգավորված է և ավելի մեծ էնտրոպիա կունենա, քան սկզբնական երկու առանձին տուփերի վիճակը։<ref>Խառնվելուց հետո երկու գազերի խառնուրդի էնտրոպիան ավելի մեծ է, քան առանձին վերցրած գազերի էնտրոպիաների գումարը՝ այն պատճառով, որ երկու տարբեր գազերն իրարից անջատելու համար հարկավոր է լրացուցիչ աշխատանք կատարել։ Դա կարելի է բացատրել նաև այն բանով, որ յուրաքանչյուր գազ ընդարձակվել է և մեծացրել էնտրոպիան։</ref>
Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը որոշ չափով այլ կարգավիճակ ունի, քան գիտական մյուս օրենքները, ինչպես, օրինակ, Նյուտոնի ձգողականության օրենքը, որովհետև այն ոչ միշտ է գործում՝ միայն դեպքերի ճնշող մեծամասնության պարագայում։ Հավանականությունն այն բանի, որ տուփի մեջ եղած բոլոր մոլեկուլները հետագայում առանձնանան նրա մի կեսում, մեկի մի քանի միլիոն միլիոներորդ մասից ավելի փոքր է, այդպիսի բան, սակայն, կարող է պատահել։ Այնուամենայնիվ, եթե ունենք մի սև խոռոչ, թվում է, երկրորդ օրենքը խախտելու մի հեշտ ճանապարհ կա։ Բավական է, որ մեծ էնտրոպիա ունեցող նյութ, ասենք մի տուփ գազ, նետվի սև խոռոչի մեջ։ Սև խոռոչից դուրս գտնվող նյութի ընդհանուր էնտրոպիան կնվազի։ Կարելի է, իհարկե, ասել, որ էնտրոպիայի ընդհանուր քանակությունը, ներառյալ սև խոռոչի էնտրոպիան, չի նվազել։ Բայց, քանի որ հնարավոր չէ սև խոռոչի ներսը տեսնել, չենք կարող ասել, թե այնտեղ գտնվող նյութն ինչքան էնտրոպիա ունի։ Հետևաբար ցանկալի կլիներ, որ սև խոռոչն օժտված լիներ այնպիսի մի հատկանիշով, որի օգնությամբ դրսից դիտողն իմանար նրա էնտրոպիայի մեծությունը, և վերջինս աճեր, երբ սև խոռոչի մեջ էնտրոպիա ունեցող նյութ ընկներ։ Ելնելով վերևում նկարագրված այն հայտնագործությունից, որ պատահութային հորիզոնի մակերեսը մեծանում է, երբ նյութ է ընկնում սև խոռոչի մեջ, Պրինստոնի համալսարանի ասպիրանտ Յակոբ Բեկենշտեյնն առաջարկեց, որ պատահութային հորիզոնի մակերեսը սև խոռոչի էնտրոպիայի չափանիշն է։
Քանի որ պատահութային հորիզոնի մակերեսը մեծանում է, երբ սև խոռոչի մեջ էնտրոպիա ունեցող նյութ է ընկնում, ապա սև խոռոչի շրջապատի նյութի էնտրոպիայի և նրա հորիզոնի մակերեսի գումարը երբեք չի կարող նվազել։
Բեկենշտեյնի այս առաջարկությունը, թվում է, ցույց էր տալիս, որ թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը համարյա բոլոր իրավիճակներում ուժի մեջ է։ Սակայն այստեղ ճակատագրական մի սխալ կար։ Եթե սև խոռոչը էնտրոպիա ունի, ապա պետք է որ այն նաև ջերմաստիճան ունենա։ Իսկ որոշակի ջերմաստիճան ունեցող ամեն մարմին պետք է ինչ֊որ չափով ճառագայթի։ Հայտնի է, որ երբ շամփուրը տաքացվում է կրակի բոցի մեջ և կաս֊կարմիր է դառնում, այն ճառագայթ է արձակում, բայց ցածր ջերմաստիճանում գտնվող մարմինները ևս ճառագայթում են, թեև այնքան թույլ, որ սովորաբար նշմարելի չէ։ Այդպիսի ճառագայթումը պայմանավորված է թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքով։ Հետևաբար, սև խոռոչները պետք է որ ճառագայթներ արձակեն։ Սակայն, ըստ սահմանման, սև խոռոչներն այնպիսի մարմիններ են, որոնցից ոչինչ չի կարող հեռանալ։ Թվում է, հետևաբար, որ պատահութային հորիզոնի մակերեսը չի կարելի նույնացնել էնտրոպիայի հետ։ 1972֊ին Բրանդոն Քարտերի և իմ ամերիկացի կոլեգա Ջիմ Բարդինի հետ ես մի հոդվածով հանդես եկա, ուր մենք նշեցինք, որ թեև որոշ նմանություն կա էնտրոպիայի և պատահութային հորիզոնի մակերեսի միջև, սակայն գոյություն ունի այդ ակնհայտ ճակատագրական դժվարությունը։ Խոստովանում եմ, որ հոդվածը գրելուն ինձ մասամբ մղել էր իմ դժգոհությունն այն բանից, որ Բեկենշտեյնն ըստ իս, չարաշահել էր իմ հայտնագործությունը՝ պատահութային հորիզոնի մակերեսի մեծացման վերաբերյալ։ Հետագայում պարզվեց, սակայն, որ նա հիմնականում ճիշտ էր, թեև այն մի առումով, որն, իհարկե, ինքը չէր կարող ակնկալել։
1973֊ին, երբ ես այցելեցի Մոսկվա, սև խոռոչների մասին զրուցեցի երկու առաջնակարգ խորհրդային մասնագետներ Յակով Զելդովիչի և Ալեքսանդր Ստարոբինսկու հետ։ Նրանք ինձ համոզեցին, որ ըստ քվանտային մեխանիկայի անորոշության սկզբունքի, պտտվող սև խոռոչները պետք է առաջացնեն և արտազատեն մասնիկներ։ Ֆիզիկական առումով նրանց փաստերը համոզիչ էին, բայց ինձ դուր չեկավ այն մաթեմատիկական ապարատը, որով նրանք ճառագայթման հաշվարկումներ էին կատարել։ Հետևաբար, ես աշխատեցի ավելի կատարյալ մաթեմատիկական ապարատ ստեղծել, որի մասին զեկուցեցի 1973֊ի նոյեմբերի վերջին Օքսվորդում կայացած ոչ պաշտոնական սեմինարում։ Այդ ժամանակ ես դեռ ճառագայթման քանակական հաշվումներ դեռ չէի կատարել։ Սպասում էի, որ այդ քանակությունը կհամընկնի պտտվող սև խոռոչների համար Զելդովիչի և Ստարոբինսկու ճառագայթման կանխագուշակումներին։ Սակայն հաշվումների ավարտից հետո պատկերացրեք իմ զարմանքն ու դժգոհությունը, երբ պարզվեց, որ նույնիսկ չպպտվող սև խոռոչներն են մասնիկներ առաջացնում և արտազատում կայուն արագությամբ։ Սկզբում ես մտածեցի, որ այս առաքումը նշանակում է, թե իմ օգտագործած մոտավորություններից մեկն ընդունելի չէ։ Ես մտահոգված էի, որ եթե Բեկենշտեյնն իմանար այդ մասին, նա այդ փաստը ևս կօգտագործեր ի հաստատումն սև խոռոչների էնտրոպիայի գաղափարի, որին ես կողմնակից չէի։ Բայց ես որքան մտածում էի այդ մասին, այնքան համոզվում էի, որ մոտավորություններն իսկապես ընդունելի են։ Մասնիկների արձակման հավաստիությանը ես վերջնականապես հավատացի այն ժամանակ, երբ պարզվեց, որ արձակված մասնիկների սպեկտրը կատարելապես համընկնում է տաք մարմնի արձակած տվյալների հետ, և, որ սև խոռոչի արձակած մասնիկների քանակությունը ճշգրտորեն համընկնում է թերմիդինամիկայի 2-րդ օրենքին։ Դրանից հետո նույնանման հաշվումներ են կատարվել տարբեր ձևերով, տարբեր գիտնականների կողմից։ Բոլոր հաշվումները ցույց տվեցին, որ սև խոռոչը պետք է տաք մարմնի նման մասնիկներ և ճառագայթում արձակի տվյալ ջերմաստիճանում, որը կախված է սև խոռոչի զանգվածից։ Որքան զանգվածը մեծ է, այնքան ցածր է ջերմաստիճանը։
Իսկ այդ ինչպե՞ս է պատահում, որ սև խոռոչը, պարզվում է, մասնիկներ է առաքում, երբ մենք գիտենք, որ նրա պատահութային հորիզոնից ոչինչ դուրս պոկվել չի կարող։ Դրա պատասխանը, համաձայն քվանտային մեխանիկայի, այն է, որ մասնիկները ոչ թե սև խոռոչի ներսից են գալիս, այլ այն «դատարկ» տարածությունից, որը գտնվում է պատահութային հորիզոնից փոքր֊ինչ դուրս։ Այս բանը կարելի է հասկանալ հետևյալ ձևով։ Այն ինչ մենք կոչում ենք «դատարկ» տարածություն, լրիվ դատարկ չի կարող լինել, քանի որ դա կնշանակեր, որ բոլոր տեսակի դաշտերը, ինչպես օրինակ, գրավիտացիոն կամ էլեկտրամագնիսական դաշտերը, պետք է լինեն զերո։ Սակայն դաշտի մեծությունը և նրա փոփոխման արագությունն ըստ ժամանակի նման են համապատասխանաբար մասնիկի դիրքին և արագությանը, որոնք որոշվում են ըստ անորոշության սկզբունքի՝ որքան ավելի ճշգրիտ իմանանք դրանցից մեկը, այնքան ավելի նվազ ճշգրիտ կիմանանք մյուսը։ Հետևաբար, դատարկ տարածության մեջ դաշտի մեծությունը չի կարելի ճշգրտորեն ընդունել զերոյին հավասար, որովհետև այդ դեպքում երկուսն էլ՝ և՛դաշտի մեծությունը, և՛ դրա փոփոխությունն ըստ ժամանակի ճշգրիտ (զերո) արժեք կունենան։ Պետք է, որ նվազագույն չափի անորոշություն լինի, կամ դաշտի մեծության մեջ լինեն քվանտային տատանումներ։ Այդ տատանումները կարելի է ընդունել որպես լույսի կամ գրավիտացիայի մասնիկների զույգեր, որոնք որոշ ժամանակ միասին են երևում, հեռանում են իրարից և ապա նորից միանում ու ոչնչացնում են իրար։ Այդ մասնիկները վիրտուալ մասնիկներ են, ինչպես այն մասնիկները, որոնք կրում են արեգակի գրավիտացիոն ուժը, և, ի տարբերություն իրական մասնիկների, դրանք ուղղակի դիտարկման ենթակա չեն մասնիկային դետեկտորով։ Սակայն վիրտուալ մասնիկների աննուղակի ազդեցությունը, ինչպես ատոմի և էլեկտրոնի ուղեծրերի էներգիայի փոքր փոփոխությունները, կարելի է չափել, ինչը մեծ ճշտությամբ համընկնում է տեսական հաշվումների հետ։ Անորոշության սկզբունքը նույնպես կանխագուշակում է, որ նյութական մասնիկների, ինչպիսիք են էլեկտրոնները կամ քվարկները, նմանատիպ վիրտուալ զույգեր պետք է լինեն։ Այս դեպքում, սակայն, զույգի մի անդամը կլինի մասնիկ, մյուսը՝ հակամասնիկ։ (Լույսի և գրավիտացիայի հակամասնիկները նույնն են, ինչ մասնիկներինը)։
Որովհետև ոչնչից էներգիա ստանալ հնարավոր չէ, ուստի մասնիկ֊հակամասնիկ զույգերից մեկը պետք է ունենա դրական էներգիա, մյուսը՝ բացասական։ Քանի որ իրական մասնիկները բնական պայմաններում ունեն դրական էներգիա, ապա բացասական էներգիան ստիպված պետք է վերագրել կարճատև կյանք ունեցող վիրտուալ մասնիկներին։ Հետևաբար, վիրտուալ մասնիկը փնտրելու է իր զուգընկերոջը և ոչնչանալու է նրա հետ։ Մեծ զանգված ունեցող մարմնից հեռու գտնվող իրական մասնիկի էներգիան մեծ կլինի մարմնի մեջ պարփակված վիճակում նրա էներգիայից, քանի որ նրան մարմնից հեռացնելիս հարկավոր է աշխատանք կատարել գրավիտացիոն ձգողության դեմ։ Բնական պայմաններում մասնիկի էներգիան դեռևս դրական է, բայց, քանի որ սև խոռոչի գրավիտացիոն դաշտը շատ հզոր է, այնտեղ ընկնելիս նույնիսկ իրական մասնիկը կունենա բացասական էներգիա։ Հնարավոր է նաև, որ բացասական էներգիա ունեցող վիրտուալ մասնիկն ընկնի սև խոռոչի մեջ և վերափոխվի իրական մասնիկի կամ հակամասնիկի։ Այս դեպքում վիրտուալ մասնիկն իր զուգընկերոջ հետ չի ոչնչանա։ Նրա լքյալ զուգընկերը նույնպես կարող է ընկնել սև խոռոչի մեջ, կամ, օժտված լինելով դրական էներգիայով, կարող է նաև հեռանալ սև խոռոչի մոտակայքից՝ որպես իրական մասնիկ կամ հակամասնիկ (նկ․ 7.4)։ Հեռվից դիտորդին կթվա, թե դա սև խոռոչից է արձակվել։ Եվ որքան փոքր է սև խոռոչը, այնքան ավելի կարճ ճանապարհ կանցնի բացասական էներգիա ունեցող մասնիկը մինչև իրական մասնիկ դառնալը, հետևաբար այնքան մեծ կլինի առաքման արագությունը և սև խոռոչի թվացող ջերմաստիճանը։
Սև խոռոչից արձակվող ճառագայթման դրական էներգիան հավասարակշռվում է սև խոռոչ ներհոսող մասնիկների բացասական էներգիայով։ Համաձայն Էյնշտեյնի հավասարման՝ E=mc² (որտեղ E֊ն էներգիան է, m֊ը՝ զանգվածը, իսկ c֊ն՝ լույսի արագությունը), էներգիան համեմատական է զանգվածին։ Հետևաբար, բացասական էներգիայի ներհոսքը սև խոռոչ նվազեցնում է վերջինիս զանգվածը։ Իսկ սև խոռոչի զանգվածի նվազումը բերում է պատահութային հորիզոնի մակերեսի փոքրացման։ Այսինքն սև խոռոչի էնտրոպիան նվազում է։ Սակայն այս նվազումը առավել քան հակակշռվում է առաքված ճառագայթման էնտրոպիայով, և, հետևաբար, թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը չի խախտվում։
Դեռ ավելին, որքան փոքր է սև խոռոչի զանգվածը, այնքան բարձր է նրա ջերմաստիճանը։ Այսպիսով խոռոչի զանգվածի նվազմանը զուգընթաց նրա ջերմաստիճանը բարձրանում է, արձակման արագությունն աճում և, հետևաբար, այն ավելի արագ է զանգված կորցնում։ Թե ինչ կպատահի, երբ սև խոռոչի զանգվածն ի վերջո չափազանց փոքրանա, հնարավոր չէ որոշակիորեն ասել, բայց ամենատրամաբանական ենթադրությունն այն է, որ սև խոռոչը լրիվ կանհետանա վերջին արձակման ուժգին պայթյունից, որի հզորությունը կհամապատասխանի միլիոնավոր ջրածնային ռումբերի պայթման։
Արեգակից մի քանի անգամ ավելի մեծ զանգված ունեցող սև խոռոչի ջերմաստիճանը բացարձակ զերոյից կարող է լոկ մեկի տաս միլիոներորդ աստիճանով բարձր լինել։ Սա անհամեմատ ավելի ցածր է, քան տիեզերքը լցնող միկրոալիքային ճառագայթման ջերմաստիճանը, որը բացարձակ զերոյից բարձր է մոտավորապես 2,7 աստիճանով։ Այսպիսով, մեծ զանված ունեցող սև խոռոչներն ավելի շատ էներգիա կկլանեն, քան կարձակեն։ Եթե տիեզերքը շարունակի հավերժ ընդլայնվել, ապա ի վերջո միկրոալիքային ճառագայթման ջերմաստիճանը պիտի նվազի և ավելի ցածր լինի այդպիսի սև խոռոչների ջերմաստիճանից, որոնք պիտի սկսեն ճառագայթել և զանգված կորցնել։ Սակայն մեծ զանգված ունեցող սև խոռոչների ջերմաստիճանը նույնիսկ այն ժամանակ այնքան ցածր կլիներ, որ միլիոն միլիոն միլիոն միլիոն միլիոն միլիոն միլիոն միլիոն միլիոն միլիոն միլիոն (մեկից հետո 66 զերո) տարի կպահանջվի, որ այդպիսի սև խոռոչները գոլորշիանան։ Այս ժամանակամիջոցն ավելի մեծ է, քան տիեզերքի տարիքը, որը տասից քսան հազար միլիոն տարի է (մեկ կամ երկուսից հետո 10 զերո)։ Մյուս կողմից, ինչպես 6֊րդ գլխում ասվեց, կարող են գոյություն ունենալ շատ ավելի փոքր զանգված ունեցող նախասկզբնական սև խոռոչներ, որոնք առաջացած լինեն տիեզերքի սկզբնավորման ժամանակ առկա անկանոնությունների կոլապսի հետևանքով։
Այսպիսի սև խոռոչների ջերմաստիճանը շատ ավելի բարձր կլինի և, հետևաբար, ճառագայթման արագությունը՝ շատ մեծ։ Հազար միլիոն տոննա սկզբնական զանգված ունեցող նախասկզբնական սև խոռոչի կյանքի տևողությունը կլինի մոտավորապես տիեզերքի տարիքի չափ։ Այն սկզբնական սև խոռոչները, որոնց զանգվածներն ավելի փոքր են, այժմ լրիվ գոլորշիացած կլինեն, իսկ նրանք, որոնց զանգվածները փոքր֊ինչ ավելի մեծ են, դեռևս կշարունակեն ռենտգենյան կամ գամմա ճառագայթներ առաքել։ Այս ռենտգենյան և գամմա ճառագայթները նման են լույսի ալիքների, թեև նրանց երկարությունը շատ ավելի կարճ է։ Այսպիսի խոռոչները հազիվ թե սև համարվեն, իրականում սրանք սպիտակ և տաք են ու մեկ վայրկյանում մոտավորապես տասը հազար Մեգավատտ էներգիա են առաքում։
Եթե հնարավոր լիներ օգտվել, այդպիսի սև խոռոչի առաքած էներգիայից, ապա կարելի էր էներգիայի 10 հզոր կայաններ աշխատեցնել։ Սակայն այս հարցի լուծումը շատ դժվար է։ Այդպիսի սև խոռոչի զանգվածը մոտավորապես հավասար կլինի մի մեծ լեռան զանգվածի, որը սեղմված է մոտ մեկի մեկուկես հարյուր հազար միլիոներորդ խորանարդ սանտիմետր ծավալում, այսինքն՝ ատոմի միջուկի ծավալի չափ ծավալում։ Եթե այդպիսի մի սև խոռոչ տեղադրվի երկրի մակերևույթին, ապա ոչ մի ուժ չի կարող խանգարել, որպեսզի այն չընկնի երկրի կենտրոն։ Սև խոռոչը կտատանվի կենտրոնից դեպի մակերևույթ և հակառակը, մինչև վերջնականապես նստի երկրի կենտրոնում։ Հետևաբար, եթե մենք ուզում ենք օգտագործել սև խոռոչի էներգիան, ապա այն պետք է երկրաշուրջ ուղեծիր դուրս բերել։ Իսկ որպեսզի սև խոռոչը պտտվի երկրի շուրջը, հարկավոր է բավական հզոր մի ձգող զանգված դնել նրա առջևում՝ նրան ուղեծիր դուրս բերելու համար, համառ ավանակի առաջ ստեպղին դնելու նման։ Սա գործնական առաջարկություն չի կարող լինել գոնե մոտավոր ապագայի համար։
Եթե հնարավոր չէ օգտագործել նախասկզբնական սև խոռոչների ճառագայթումը, ապա դրանց դիտարկման ի՞նչ հնարավորություններ կան։ Մենք կարող ենք փնտրել այն գամմա ճառագայթները, որոնք առաքում են նախասկզբնական սև խոռոչներն իրենց գոյատեևման համարյա ամբողջ ընթացքում։ Թեև մեծ մասի ճառագայթումը կարող է թույլ լինել, որովհետև այն հեռվից է գալիս, սակայն բոլորինը միասին վերցրած հնարավոր է հայտնաբերել։ Գամմա ճառագայթման նման ֆոն մենք դիտարկել ենք։ Նկ․ 7.5֊ը ցույց է տալիս, որ դիտարկված ինտենսիվությունը<ref>Ֆոտոնների թիվը։</ref> տարբեր է տարբեր հաճախականություններում (վայրկյանում ալիքների թիվը)։<ref>Ֆոտոնի էներգիան համեմատական է հաճախականությանը։</ref> Այնուամենայնիվ, այս ֆոնի առաջացման պատճառը նախասկզբնական սև խոռոչներից բացի նաև այլ պրոցեսներ են, ինչը հավանաբար, իրոք այդպես է։ Նկ․ 7.6֊ում կետագծերով կորը ցույց է տալիս, թե ինչպես պետք է փոխվի նախասկզբնական սև խոռոչների առաքած գամմա ճառագայթման ինտենսիվությունն ըստ հաճախականության, եթե մեկ խորանարդ լուսատարի ծավալում միջին հաշվով լինեին 30 սև խոռոչներ։ Կարելի է ասել, որ գամմա ճառագայթման ֆոնի փորձնական տվյալները (դիտարկված կորը) նախասկզբնական սև խոռոչների առկայության դրական ապացույց չեն, բայց խոսում են այն մասին, որ միջին հաշվով մեկ խորանարդ լուսատարի ծավալում սև խոռոչների թիվը 300֊ից ավելի չի կարող լինել։ Այս սահմանափակումը նշանակում է, որ նախասկզբնական սև խոռոչների զանգվածը կարող է ամենաշատը լինել տիեզերքում գոյություն ունեցող նյութի մեկ միլիոներորդի չափ։
Քանի որ նախասկզբնական սև խոռոչների թիվը շատ փոքր է, ապա անհավանական է, որ նրանցից մեկը գտնվեր մեր երկրին այնքան մոտիկ, որ կարողանայինք դիտարկել նրա գամմա ճառագայթումը։ Մյուս կողմից, որովհետև գրավիտացիոն նախասկզբնական սև խոռոչներին կձգի դեպի ցանկացած նյութ, ապա նրանց թիվը գալակտիկաներում կամ նրանց մոտակայքում ավելի մեծ կլինի։ Ճիշտ է, նրանց թիվը միջին հաշվով մեկ խորանարդ լուսատարում 300֊ից ավելի չի կարող լինել, սակայն մեր ունեցած տվյալներից հնարավոր չէ իմանալ, թե նրանց թիվը որքան է մեր սեփական գալակտիկայում։
Եթե, ասենք, նրանց թիվը մեր գալակտիկայում այս թվից նույնիսկ մեկ միլիոն անգամ շատ լիներ, ապա ամենամոտիկ սև խոռոչը կգտնվեր երկրից հազար միլիոն կիլոմետր հեռավորության վրա, կամ այնքան, որքան հեռու է մեզանից ամենահեռավոր մոլորակը՝ Պլուտոնը։ Նույնիսկ այսքան մոտ հեռավորության վրա գտնվող սև խոռոչի արձակած կայուն ճառագայթումն անհնար կլիներ հայտնաբերել, եթե այն տասը հազար Մեգավատտ հզորություն ունենար։ Որպեսզի մարդ կարողանա նախասկզբնական սև խոռոչը դիտել, հարկավոր է, որ մի քանի քվանտ գամմա ճառագայթներ գան նույն ուղղությամբ, որոշակի ժամանակամիջոցում՝ ասենք մեկ շաբաթվա ընթացքում։ Այլապես ճառագայթումը ֆոնի պարզապես մի մասը կկազմի։ Սակայն, որովհետև գամմա ճառագայթները մեծ հաճախականություն ունեն, ապա համաձայն Պլանկի քվանտային սկզբունքի, գամմա ճառագայթի քվանտի էներգիան շատ մեծ կլինի, և, հետևբար, նույնիսկ տասը հազար Մեգավատտ ճառագայթման համար շատ քվանտներ պետք չեն։ Եվ որպեսզի դիտվի այս մի քանի քվանտի էներգիան, որը առաքվում է Պլուտոնի հեռավորությունից, հարկավոր է ունենալ ավելի խոշոր դետեկտոր, քան մինչև հիմա կառուցվածները։ Դեռ ավելին, դետեկտորը պետք է տեղավորել մթնոլորտից դուրս տարածության մեջ, քանի որ գամմա ճառագայթների համար երկրի մթնոլորտը անթափանցելի է։
Իհարկե, եթե Պլուտոնի հեռավորության վրա գտնվող սև խոռոչը հասներ իր կյանքի վերջին և պայթեր, ապա հեշտ կլիներ հայտնաբերել վերջնական բռնկման ճառագայթումը։ Սակայն, եթե սև խոռոչն արդեն տասը կամ քսան հազար միլիոն տարի ճառագայթել է, հազիվ թե մի քանի տարվա ընթացքում հասնի իր վերջին։ Ավելի հավանական է, որ այն մի քանի միլիոն տարի առաջ է պայթել, կամ նույնքան ժամանակ հետո ապագայում պիտի պայթի։ Հետևաբար, եթե ցանկանում եք վերջնական մի պայթյուն դիտել ձեր ասպիրանտուրայի ժամկետը վերջանալուց առաջ, հարկավոր է մի այնպիսի եղանակ մշակել, որպեսզի կարողանաք մոտավորապես մեկ լուսատարի հեռավորության վրա տեղի ունեցող պայթյունը գրանցել։ Մի քանի գամմա ճառագայթային քվանտներ հայտնաբերելու համար դեռ հարկ կլինի լուծել խոշոր գամմա ճառագայթման դետեկտորի պրոբլեմը։ Այնուամենայնիվ, պայթման դեպքի համար պարտադիր չէ որոշել, թե բոլոր քվանտներն են արդյոք նույն ուղղությամբ գալիս։ Բավական է, որ բոլոր քվանտները կարճ ժամանակամիջոցում տեղ հասնեն, որպեսզի վստահ լինեք, որ դրանք գալիս են նույն պայթման աղբյուրից։
Նախասկզբնական սև խոռոչների հայտնաբերման համար գամմա ճառագայթման լավագույն դետեկտորը երկրագնդի ամբողջ մթնոլորտն է։ (Համենայնդեպս, անհնարին է ավելի խոշոր դետեկտոր կառուցել)։ Երբ մեծ էներգիա կրող գամմա ճառագայթի քվանտը հարվածում մթնոլորտում գտնվող ատոմներին, առաջացնում է էլեկտրոնների և պոզիտրոնների (հակաէլեկտրոն) զույգեր։ Երբ սրանք են հարվածում ուրիշ ատոմներին, էլեկտրոնների և պոզիտրոնների նոր զույգեր են ծնվում, և արդյունքում առաջանում է այն, ինչը կոչվում է էլեկտրոնային տեղատարափ։ Արդյունքը մի տեսակ լուսավորություն է, որը կոչվում է չերենկովյան ճառագայթում։ Այսպիսով, կարելի է գամմա ճառագայթման բռնկումները հայտնաբերել գիշերային երկնակամարում՝ լույսի փայլատակումներ դիտելով։ Իհարկե, կան մի շարք այլ երևույթներ, ինչպես կայծակը, վայր ընկնող արբանյակների անդրադարձրած արևի լույսը և երկրի շուրջ պտտվող բեկորները, որոնք կարող են երկնակամարում փայլատակումներ առաջացնել։ Գամմա ճառագայթման բռնկումները կարելի է մյուս երևույթներից տարբերել, եթե միաժամանակ դիտարկումներ կատարվեն իրարից հեռու գտնվող երկու կամ ավելի տարբեր դիրքերից։ Դուբլինից երկու գիտնական՝ Նեյլ Պորտերը և Թրևըր Ուիքսը նման դիտարկումներ կատարեցին Արիզոնայում (ԱՄՆ) տեղադրված հեռադիտակներով։ Որոշ թվով փայլատակումներ դիտվեցին, սակայն, դրանցից ոչ մեկը չէր կարելի վերագրել սև խոռոչներից արձակված գամմա ճառագայթների բռնկումներին։
Եթե նախասկզբնական սև խոռոչների փնտրտուքները բացասական արդյունք տան, ինչը երևի հնարավոր է, ապա միևնույն է, դրանով կարևոր տեղեկություններ կստանանք տիեզերքի սկզբնական վիճակների մասին։ Եթե վաղ տիեզերքը գտնվեր քաոսային և անկանոն վիճակում և կամ, եթե նյութի ճնշումը ցածր լիներ, կարելի էր սպասել, որ ավելի մեծ թվով նախասկզբնական սև խոռոչներ կառաջանային, քան այն, ինչ ցույց է տալիս մեր դիտարկումների հիման վրա ստացված գամմա ճառագայթման ֆոնը։ Եթե սկզբնական տիեզերքը շատ հարթ ու համաչափ լիներ, և ճնշումը՝ բարձր, ապա միայն այդ դեպքում կարելի կլիներ բացատրել դիտարկելի թվով նախասկզբնական սև խոռոչների բացակայությունը։
* * *
Սև խոռոչներից ճառագայթման գաղափարը հիմնականում ընդհանուր հարաբերականության և քվանտային մեխանիկայի՝ դարիս երկու մեծ տեսությունների օգնությամբ կատարված կանխագուշակման առաջին օրինակն էր։ Այս գաղափարը սկզբում շատ մեծ դիմադրության հանդիպեց, որովհետև տակնուվրա արեց ընդունված տեսակետը՝ «սև խոռոչը ինչպե՞ս կարող է որևէ բան արձակել»։ Երբ Օքսվորդի մոտ գտնվող Ռեզերֆորդ֊ Ապելտոն լաբորատորիայում տեղի ունեցող մի գիտաժողովում ես առաջին անգամ հաղորդեցի իմ հաշվարկների արդյունքները, դա ընդունվեց ընդհանուր կասկածամտությամբ։ Իմ զեկուցման ավարտին նստաշրջանի նախագահը՝ Լոնդոնի Թագավորական քոլեջից Ջոն Գ․ Թեյլորը պնդեց, որ դա անմտություն է։ Նա նույնիսկ մի հոդված գրեց այդ մասին։ Այնուամենայնիվ, ի վերջո մեծամասնությունը, ներառյալ Ջոն Թեյլորը, եկան այն եզրակացության, որ սև խոռոչները տաք մարմինների նման պետք է ճառագայթեն, եթե մեր մյուս պատկերացումները ընդհանուր հարաբերականության և քվանտային մեխանիկայի մասին ճիշտ են։ Այսպիսով, թեև մեզ առայժմ չի հաջողվել նախասկզբնական սև խոռոչ հայտնաբերել, սակայն գրեթե բոլորը համաձայն են, որ եթե այդպիսին հայտնաբերվի, ապա բավական մեծ քանակությամբ գամմա և ռենտգենյան ճառագայթներ կառաքի։
Սև խոռոչների ճառագայթման առկայությունը նշանակում է, որ գրավիտացիոն կոլապսն այնքան վերջնական և անդարձելի չէ, որքան սկզբում մտածում էինք։ Եթե տիեզերագնացն ընկնի սև խոռոչի մեջ, վերջինիս զանգվածը կաճի, բայց ի վերջո այդ հավելյալ զանգվածին համապատասխան էներգիա առաքվում է տիեզերք՝ որպես ճառագայթում։ Հետևաբար, տիեզերագնացը յուրահատուկ մի «շրջապտույտ» է կատարում։ Սա խեղճուկրակ անմահություն է, որովհետև տիեզերագնացի համար ամեն տեսակի անհատական ժամանակի հասկացություն վերջանում է, երբ նա սև խոռոչի մեջ կտոր֊կտոր է լինում։ Նույնիսկ, վերջին հաշվով, սև խոռոչից արձակվող մասնիկների տեսակները բոլորովին տարբեր կլինեն այն մասնիկներից, որոնցից կազմված էր տիեզերագնացը։ Այն, ինչ մնում է տիեզերագնացից, դա նրա զանգվածը կամ էներգիան է։
Սև խոռոչից առաքված ճառագայթումը որոշելու համար կիրառած մոտավորություններն ուժի մեջ են, երբ սև խոռոչի զանգվածը գրամի մասից մեծ է։ Սակայն, երբ սև խոռոչի վերջը մոտենում է, նրա զանգվածը շատ է փոքրանում, իմ օգտագործած մոտավորություններն անիմաստ են դառնում։ Թվում է, թե ամենահավանական ելքը կլինի այն, որ սև խոռոչը կչքանա առնվազն տիեզերքի մի տիրույթում՝ իր հետ տանելով տիեզերագնացին, և իր մեջ ունեցած ամեն եզակիություն, եթե, իհարկե, այդպիսի գոնե մեկը կա։ Սա ընդհանուր հարաբերականության կանխագուշակված եզակիություններից ձերբազատվելու առաջին նշաններից մեկն էր, որն իրականացվում է՝ շնորհիվ քվանտային մեխանիկայի։ Այնուամենայնիվ, 1974֊ին և ուրիշների կողմից օգտագործված մեթոդներն ի վիճակի չեղան պատասխանելու այն հարցին, թե քվանտային գրավիտացիայի միացյալ տեսությունն արդո՞ք հնարավոր է համարում եզակիության առաջացումը:1975֊ից սկսած ես սկսեցի մշակել քվանտային գրավիտացիայի հարցերը լուծելու ավելի հզոր մի մոտեցում, որը հիմնված է Ռիչարդ Ֆեյնմանի պատմությունների գումարի գաղափարի վրա։ Հաջորդ երկու գլուխներում կնկարագրվի, թե այդ մոտեցումը ինչպիսի պատասխաններ է առաջարկում տիեզերքի սկզբնավորման, նրա ապագայի և պարունակության, ինչպես, օրինակ, տիեզերագնացների մասին։
Մենք կտեսնենք, որ թեև անորոշության սկզբունքը սահմանափակում է կանխագուշակումների ճշգրտությունը, սակայն, միևնույն ժամանակ ազատում է մեզ այն հիմնական անկանխատեսելիությունից, որն ի հայտ է գալիս տարածություն֊ժամանակի եզակիության դեպքում։
