Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики

Это одно из самых знаменитых физических уравнений, оно почти так же широко известно, как и E=m•c² (это прославленное уравнение связывает энергию E с массой m и скоростью света c).

В левой части стоит сила F, действующая между двумя массами, такими как Луна и Земля или Земля и Солнце. С правой стороны большая масса M и меньшая масса m. Например, масса Земли 6•10²⁴ кг, а масса Луны — 7•10²² кг. Расстояние между массами обозначено D. Расстояние от Земли до Луны составляет около 4•10⁸ м.

Последнее обозначение в уравнении, G, — это числовая константа, называемая ньютоновой гравитационной постоянной. Эту величину нельзя вывести чисто математически. Чтобы найти её значение, необходимо измерить силу притяжения между двумя известными массами, находящимися на некотором известном расстоянии. Как только это сделано, можно вычислить силу, действующую между любыми двумя массами на любом расстоянии. По иронии судьбы, Ньютон так никогда и не узнал величину своей собственной постоянной. Дело в том, что гравитация так слаба, а величина G, соответственно, так мала, что измерить её не удавалось до конца XIX столетия. К тому времени английский физик Генри Кавендиш разработал хитроумный способ измерения чрезвычайно малых сил. Кавендиш обнаружил, что сила, действующая между парой килограммовых масс, разнесённых на один метр, составляет примерно 6,7•10^{– 11} ньютона. (Ньютон — это единица силы в метрической системе СИ. Она составляет примерно десятую долю веса одного килограмма.) Таким образом, значение гравитационной постоянной в системе СИ составляет:

G=6,7•10^{– 11}

Изучая следствия из своей теории, Ньютон совершил одно важное открытие, касающееся особых свойств закона обратных квадратов. Когда вы измеряете собственный вес, часть гравитационной силы, тянущей вас к Земле, вызвана массой, находящейся прямо у вас под ногами, ещё часть связана с массой глубоко внутри Земли, а часть составляет вклад масс на противоположной стороне Земли на расстоянии в 12,5 тысячи километров. Но благодаря математическому чуду можно считать, будто вся масса сосредоточена в одной точке непосредственно в геометрическом центре планеты.

Гравитация массивного шара точно такая же, как если бы вся масса была сосредоточена в его центральной точке

Этот удобный факт позволил Ньютону вычислять скорость убегания от крупного объекта, заменяя его протяжённую массу крошечной массивной точкой. И вот результат:

Эта формула чётко показывает, что чем больше масса и меньше радиус R, тем выше становится скорость убегания.

Теперь уже легко вычислить радиус Шварцшильда. Всё, что нужно для этого сделать, — это подставить скорость света в качестве скорости убегания и затем разрешить полученное уравнение относительно радиуса:

Отметим тот важный факт, что радиус Шварцшильда прямо пропорционален массе.

Вот и всё, что касается тёмных звёзд, по крайней мере на том уровне, который был доступен Лапласу и Митчелу.

3 Недедовская геометрия

В далёком прошлом, когда такие математики, как Гаусс, Бойяи, Лобачевский и Риман [27] , ещё не успели всё запутать, геометрия означала евклидову геометрию — ту самую, которую все мы учили в школе. Всё начиналось с планиметрии — геометрии идеально плоской двумерной поверхности. Первичными понятиями были точки, прямые линии и углы. Мы учили, что три точки задают треугольник, если они не лежат на одной прямой, параллельные прямые никогда не пересекаются, а сумма углов любого треугольника равна 180°.

27

Карл Фридрих Гаусс (1777–1855), Янош Бойяи (1802–1860), Николай Лобачевский (1792–1856) и Георг Фридрих Бернхард Риман (1826–1866).

Потом, если курс обучения был таким же, как у меня, вы расширяли свои представления на три измерения. Что-то оставалось таким же, как и в двух измерениях, но что-то менялось, иначе между двумя и тремя измерениями не было бы никакой разницы. Например, в трёх измерениях есть прямые линии, которые нигде не пересекаются, но при этом не параллельны; они называются скрещивающимися.

Как в двух, так и в трёх измерениях законы геометрии остаются теми, что сформулировал Евклид около 300 года до нашей эры. Однако геометрии другого типа — с другими аксиомами — возможны даже в двумерном случае.

Буквальное значение слова «геометрия» — измерение Земли. Ирония в том, что если бы Евклид реально озаботился измерением треугольников на земной поверхности, он бы обнаружил, что евклидова геометрия не работает. Дело в том, что земная поверхность является сферой [28] , а не плоскостью. В сферической геометрии, конечно, есть точки и углы, но далеко не очевидно, что в ней есть нечто подобное прямым линиям. Посмотрим, удастся ли придать какой-то смысл словам «прямая линия на сфере».

28

Я, конечно, имею в виду идеализированную, совершенно круглую Землю.

Привычный способ описания прямой линии в евклидовой геометрии состоит в том, что это кратчайший путь между двумя точками. Если я захочу построить прямую линию на футбольном поле, то вобью в землю два колышка, соединю их леской и натяну её как можно сильнее. Натягивание лески гарантирует, что линия будет самой короткой из возможных.

Этот принцип кратчайшего пути между двумя точками можно легко распространить на сферу. Допустим, надо найти кратчайший путь между Москвой и Рио-де-Жанейро. Нам понадобится глобус, две кнопки и упругая нить. Воткнув кнопки в Москву и Рио, можно натянуть нить вдоль поверхности глобуса и определить кратчайший маршрут. Такие кратчайшие маршруты, подобные экватору и меридианам, называют большими кругами. Есть ли смысл называть их прямыми линиями в сферической геометрии? Да неважно, как мы их назовём. Важно то, как логически соотносятся между собой точки, углы и линии.

Будучи кратчайшим путём между двумя точками, такие линии являются в некотором смысле наиболее прямыми из возможных линий на сфере. Корректное математическое название для таких путей — геодезические. Если на обычной плоскости геодезические являются обычными прямыми линиями, то на сфере геодезические — это большие круги.

Большие круги на сфере

Получив эту сферическую замену прямых линий, мы можем перейти к конструированию треугольников. Отметим на сфере три точки, скажем Москву, Рио и Сидней. Затем нарисуем геодезические, попарно соединяющие эти точки: геодезическую Москва-Рио, геодезическую Рио-Сидней и, наконец, геодезическую Сидней-Москва. В результате получится сферический треугольник.

Сферический треугольник

В планиметрии, если сложить углы любого треугольника, получится ровно 180 градусов. Но если внимательно присмотреться к сферическому треугольнику, то видно, что его стороны выпячиваются наружу, что делает углы большими, чем они были бы на плоскости. В результате сумма углов сферического треугольника всегда больше 180 градусов. Про поверхность, на которой треугольники обладают таким свойством, говорят, что она имеет положительную кривизну.