Чтение онлайн

В решении Шварцшильда [76] вся масса была сосредоточена в точке; однако в этой точке само пространство кажется бесконечно протяженным, растянутым в одном направлении, и степень его искривления становится бесконечно большой. Внезапно в этой ограниченной части пространства оказывается бесконечное количество места. В уравнениях появляется сингулярность – одна из тех точек, где уравнения теряют смысл, физические величины устремляются в бесконечность и все останавливается. Мы, физики, знаем, что сингулярности не имеют отношения к реальности, но они сигнализируют, что в уравнениях все еще чего-то не хватает. Эйнштейн понимал это так, что точечных масс не существует и что это чисто математический трюк, хотя и любопытный.

Однако как Эйнштейна, так и других ученых беспокоило то, что и вдали от центральной сингулярности – а именно на расстоянии

Rs =2GM/ c 2

– в уравнениях происходило что-то странное.

Это расстояние носит сегодня название “радиус Шварцшильда”. Здесь M означает массу объекта, а c = 299 792,458 км/с и G = 6,6743 x 10 11 м 3/кг/с 2 – скорость света и гравитационную постоянную соответственно.

Что-то с этим радиусом было не так. Уравнения вели себя ненормально. Как только вы достигали радиуса Шварцшильда, время, казалось, останавливалось. А когда вы пересекали эту границу и оказывались ближе к центру, вы уже в некотором смысле путешествовали не в пространстве, а во времени.

Если в обычной жизни я могу спокойно сидеть на скамейке в парке – в фиксированной точке пространства, – но время продолжает идти, то внутри радиуса Шварцшильда я застреваю во времени, а пространство непреодолимо тянет меня внутрь, к центральной сингулярности. При каждой попытке двинуться наружу я только приближаюсь к центру.

Очень странно! По-видимому, нет никакой возможности покинуть это пространство, то есть пересечь радиус Шварцшильда изнутри. Стоит только чему-то оказаться внутри сферы с радиусом Шварцшильда, как выхода вовне ни для чего уже нет – ни для материи, ни для света, а значит, и для информации и энергии. Прошло много времени, прежде чем хотя бы кто-нибудь понял, что на самом деле там происходит. Сам того не подозревая, Шварцшильд, решавший уравнение, сидя в грязном окопе в разгар Первой мировой войны, описал черную дыру.

Но на самом деле и раньше было уже ясно, что когда вы приближаетесь к точечной массе, должно случиться нечто необычное. Разве это не следует из простой теории движения планет Кеплера и Ньютона? Чем ближе вы к Солнцу, тем быстрее вы двигаетесь вокруг него. Если бы Солнце стало бесконечно маленьким, планета, обращающаяся вокруг него по орбите радиусом всего в три километра, должна была бы двигаться со скоростью света, а по еще меньшей орбите – даже быстрее света. Но, конечно же, это невозможно!

Сила гравитации также становится слишком большой. Чем большая масса сосредоточивается в одной области пространства, тем сильнее ее гравитационное притяжение и, следовательно, тем труднее освободиться от этого притяжения. Если вы хотите избавиться от притяжения Земли, вам нужно отправиться на ракете в космос со скоростью 11,2 километра в секунду. С поверхности более тяжелого Солнца вам нужно будет стартовать со скоростью 617 километров в секунду. Если бы вы стали сжимать Солнце еще больше, то чтобы взлететь с него, пришлось бы увеличивать вторую космическую скорость до тех пор, пока в какой-то момент она не превысила бы скорость света. Но тогда, по теории Ньютона, даже свет не смог бы сбежать с поверхности Солнца – он неизбежно вернулся бы обратно. А в теории Эйнштейна, если вы находитесь на краю черной дыры и летите со скоростью света, вы не сможете даже двинуться вперед!

Еще в 1783 году преподобному Джону Мичеллу, не имевшему никакого представления о теории относительности, пришло в голову, что в природе должно было бы происходить нечто подобное, если бы звезда обладала огромной гравитацией, а вторая космическая скорость для нее превышала бы скорость света. Такая “темная звезда”, как назвал ее Мичелл, даже если бы она существовала и находилась в определенной точке пространства, должна быть невидимой, потому что свет из нее не может выскользнуть.

В теории Эйнштейна пространство вокруг черной дыры подобно стремительной реке [77] , которая заканчивается водопадом на радиусе Шварцшильда, а свет подобен пловцу в этой космической реке. Далеко от края обрыва он еще может плыть против течения, но ближе к водопаду течение усиливается и плыть приходится все быстрее и быстрее, так что в какой-то момент даже чемпион мира по плаванию не сможет справиться со стремительным течением, которое несет его к водопаду. А подняться вверх по водопаду не под силу ни одному пловцу. То же самое происходит на радиусе Шварцшильда. Это точка невозврата. Здесь даже крик не вырвется наружу. Даже свет вместе с пространством затягивается в глубину.

В 1956 году физик Вольфганг Риндлер ввел для обозначения этой “страшной границы” термин “горизонт событий”. Его нельзя ни потрогать, ни ощутить, это всего лишь некая граница в пустом пространстве, математическая характеристика – и вместе с тем разделительная линия. Если вычислить радиус Шварцшильда для Солнца, то он будет равен трем километрам, для Земли – 0,9 сантиметра, а для человека вроде меня – одной стомиллиардной радиуса атомного ядра.

Эйнштейн был убежден, что область внутри радиуса Шварцшильда нефизична: это область чистой фантазии, математическая абстракция, и природа, несомненно, помешала бы таким объектам вообще сформироваться. В 1939 году он опубликовал трактат, в котором с помощью своей теории относительности пытался доказать, что таких “темных звезд” не существует. Эйнштейн триумфально завершил трактат словами: “Основным результатом этого исследования является ясное понимание того, почему «шварцшильдовские сингулярности» не существуют в физической реальности”. В переводе с научного языка это означало: “черных дыр не бывает” [78] .

Но утверждение Эйнштейна оказалось ошибочным. Почти в то же время Оппенгеймер и его коллеги доказали, что звезды могут коллапсировать в точку [79] . Если они достаточно массивны, ничто не может предотвратить их коллапс.

Однако здесь вновь проявляются замечательные свойства теории относительности. То, что человек увидит во время коллапса звезды, в максимальной степени будет зависеть от его местонахождения. Наблюдатель, внимательно следивший за коллапсом в телескоп, увидит, как звезда взорвется и исчезнет в черной дыре. Появится горизонт событий, и все, что приближается к нему, этот наблюдатель будет видеть все менее отчетливым и замедленным. Каждая световая волна станет бесконечно растягиваться, и ее будет невозможно измерить, если она попытается выйти за край. Время сделается вязким, как сироп, и в конце концов словно бы остановится. Если уподобить световые волны маятнику, то они станут, как и пространство, растягиваться все больше и больше… часы будут тикать все реже и реже, пока совсем не остановятся.

Между тем для легкомысленного наблюдателя, который останется сидеть на поверхности коллапсирующей звезды, не произойдет ничего особенного – за исключением, конечно, того, что он провалится туда, где его ждет верная смерть. Он упадет в ядро звезды вместе со всеми остальными частицами. Пересекая горизонт событий, он не заметит ничего необычного – даже того, что пересек эту черту. Он всегда будет видеть черную дыру как большое черное пятно – даже внутри этой черной дыры. Его время также продолжит течь нормально, пока в конце концов он за долю миллисекунды не сколлапсирует в одну точку в ядре звезды. Свет провалится в ядро вместе с ним. Впрочем, в случае со звездной черной дырой это приключение не сулит ничего приятного. Поскольку ноги нашего безрассудного наблюдателя находятся ближе к центру массы звезды, чем его голова, то и притягиваться они будут сильнее, так что несчастного растянет, как макаронину, и в конце концов разорвет.

Хотя такие сценарии далеко не всем кажутся забавными, физики развлекаются, когда их придумывают! Долгое время эти объекты называли “застывшими звездами”, поскольку на краях их дисков время останавливается. Но это не совсем так. Строго говоря, время останавливается только на краю абсолютно статичной черной дыры. А если она растет за счет пожирания материи, то ее горизонт событий тоже увеличивается и как бы проталкивает эту “застывшую” материю внутрь.

Термин “черная дыра” впервые появился в 1964 году в статье журналистки Энн Юинг [80] и окончательно утвердился после того, как был использован Джоном Арчибальдом Уилером в выступлении на конференции. С тех пор бренд “черные дыры” неизменно приковывает внимание как непрофессионалов, так и экспертов. Бренды важны даже в физике, а американцы кое-что понимают в маркетинге. Никто ведь не купит книгу о получении первого изображения с таким, к примеру, названием: “Изображение объекта, полностью сколлапсировавшего под действием гравитации”.