Гиперпространство
Шрифт:
Черные дыры
Если звезда в 10–50 раз превосходит размерами наше Солнце, тогда гравитация будет продолжать сжимать ее даже после превращения в нейтронную звезду. В отсутствие силы термоядерных реакций, противостоящей силе притяжения, ничто не может помешать окончательному схлопыванию звезды. В этот момент она становится пресловутой черной дырой.
Существование черных дыр в некотором смысле неизбежно. Как мы помним, звезда — это продукт взаимодействия двух космических сил: гравитации, которая стремится сжать звезду, и силы ядерных реакций, которая стремится взорвать звезду, как водородную бомбу. Все этапы истории существования звезды — следствие этого шаткого равновесия между гравитацией и ядерным взаимодействием. Рано или поздно, когда все ядерное топливо гигантской звезды наконец израсходуется и звезда превратится в скопление одних нейтронов, ничто, насколько нам известно, не сможет помешать воздействию мощной силы гравитации. В конце концов гравитация возобладает
Плотность черной дыры настолько велика, что свет, подобно ракете, запущенной с Земли, вынужден двигаться по ее орбите. Поскольку свет не в состоянии избежать воздействия гравитационного поля огромной мощности, схлопнувшаяся звезда по цвету становится черной. Так и принято давать определение черным дырам: это сколлапсировавшая звезда, от которой не может исходить свет.
Надо заметить, что у всех небесных тел есть так называемая скорость убегания.Это скорость, необходимая для полного преодоления гравитационного притяжения конкретного тела. К примеру, космический зонд должен развить скорость убегания 25 000 миль в час (40 000 км/ч), чтобы преодолеть гравитационное притяжение Земли и улететь в дальний космос. Такие космические зонды, как «Вояджер», который вышел в открытый космос и покинул Солнечную систему (увозя послание доброй воли к инопланетянам, которым он может повстречаться), развил скорость убегания нашего Солнца. (Мы дышим кислородом, так как атомам кислорода недостает скорости, чтобы преодолеть поле притяжения Земли. Оболочка Юпитера и других газовых гигантов состоит преимущественно из водорода, поскольку их скорость убегания достаточно велика, чтобы удержать изначальный водород ранней Солнечной системы. Таким образом, скорость убегания помогает объяснить эволюцию планет Солнечной системы за последние 5 млрд лет.)
В сущности, ньютонова теория гравитации дает точное соотношение между скоростью убегания и массой звезды. Чем тяжелее планета или звезда и чем меньше ее радиус, тем большая скорость убегания понадобится, чтобы преодолеть силу ее гравитационного притяжения. Еще в 1783 г. английский астроном Джон Мичелл воспользовался этими вычислениями, чтобы предположить, что супермассивная звезда может иметь скорость убегания, равную скорости света. Свет, излучаемый такой массивной звездой, не отдаляется от нее, а движется вокруг по орбите. Таким образом, стороннему наблюдателю эта звезда может показаться совершенно черной. Пользуясь всеми знаниями, имевшимися в XVIII в., Мичелл действительно вычислил массу такой черной дыры [113] . Увы, его теорию сочли бредовой и вскоре забыли. Тем не менее сегодня мы склонны считать, что черные дыры существуют, так как благодаря телескопам и другим приборам увидели в небе белых карликов и нейтронные звезды.
113
В Философских трудах Королевского общества Мичелл писал: «Если полу-диаметр сферы той же плотности, что и Солнце, превосходит Солнце в пропорции 500 к 1, тогда некое тело, падающее с бесконечно большой высоты в сторону сферы, приобретет у ее поверхности скорость, превышающую скорость света; следовательно, если предположить, что свет притягивается к другим телам с той же силой пропорционально его vis inerdae,тогда весь свет, излучаемый подобным телом, должен возвращаться к нему под действием его собственной силы тяжести». — Прим. авт.
(Джон Мичелл в Философских трудах Королевского общества (John Michell in Philosophical Transactions of the Royal Society 74 (1784): 35).)
Объяснить, почему черные дыры черные, можно двумя способами. С точки зрения прохожего, сила, действующая между звездой и лучом света, настолько велика, что его траектория изогнута и представляет собой окружность. Можно также принять точку зрения Эйнштейна, согласно которой «кратчайшее расстояние между двумя точками — кривая». Искривление луча света до полной окружности означает, что и само пространство свернуто в круг. Такое возможно лишь в том случае, если черная дыра полностью сжала участок пространства-времени вокруг нее, поэтому луч света перемещается в гиперсфере. Этот участок пространства-времени теперь отделен от окружающего пространства-времени, а само пространство «разорвано».
Мост Эйнштейна-Розена
Релятивистское описание черных дыр фигурирует в работе Карла Шварцшильда. В 1916 г., всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн записал свои знаменитые уравнения, Шварцшильд сумел найти для них точное решение и вычислить гравитационное поле массивной стационарной: звезды.
Решение Шварцшильда имело несколько интересных особенностей. Во-первых, вокруг черной дыры находится «точка невозврата». Любой объект, приблизившийся на расстояние, меньшее, чем
этот радиус, неизбежно затянет в черную дыру, спастись ему не удастся. Человек, которому не посчастливится оказаться в пределах радиуса Шварцшильда, будет захвачен черной дырой и раздавлен насмерть. В настоящее время это расстояние от черной дыры называется радиусом Шварцшильда,или горизонтом событий(самой удаленной видимой точкой).Во-вторых, каждый, кто окажется в пределах радиуса Шварцшильда, обнаружит «зеркальную вселенную» по «другую сторону» пространства-времени (рис. 10.2). Эйнштейна не беспокоило существование этой причудливой зеркальной Вселенной, потому что сообщение с ней было невозможным. Любой космический зонд, отправленный в центр черной дыры, столкнется с бесконечной искривленностью; иначе говоря, гравитационное поле окажется бесконечным, а любой материальный объект будет уничтожен. Электроны оторвутся от атомов, и даже протоны и нейтроны в ядре разнесет в разные стороны. Кроме того, чтобы проникнуть в другую вселенную, зонду понадобится лететь со скоростью, превышающей скорость света, а это невозможно. Таким образом, хотя зеркальная Вселенная математически необходима для понимания решения Шварцшильда, наблюдать ее физически не удастся никогда.
Рис. 10.2. Мост Эйнштейна-Розена соединяет две разных вселенных. Эйнштейн считал, что любая ракета, очутившаяся на этом мосту, будет уничтожена, значит, сообщение между этими двумя вселенными невозможно. Но более поздние вычисления показали, что путешествия помосту хоть и чрезвычайно трудны, но все-таки возможны.
В итоге известный мост Эйнштейна-Розена, соединяющий две вселенных (мост назван в честь Эйнштейна и его соавтора Натана Розена), считается математической причудой. Этот мост необходим для получения математически последовательной теории черных дыр, однако по мосту Эйнштейна-Розена попасть в зеркальную вселенную невозможно. Мосты Эйнштейна-Розена вскоре обнаружились и в других решениях гравитационных уравнений, таких, как решение Райснера-Нордстрёма для черной дыры с электрическим зарядом… Тем не менее мост Эйнштейна-Розена оставался любопытным, но забытым приложением к теории относительности.
Ситуация начала меняться с появлением труда новозеландского математика Роя Керра, который в 1963 г. нашел еще одно точное решение уравнений Эйнштейна. Керр полагал, что любая коллапсирующая звезда вращается. Как вращающийся фигурист, скорость которого возрастает, когда он прижимает к себе руки, звезда неизбежно будет вращаться быстрее по мере схлопывания. Таким образом, стационарное решение Шварцшильда для черных дыр не было самым физически релевантным решением уравнений Эйнштейна.
Предложенное Керром решение стало сенсацией в вопросах относительности. Астрофизик Субраманьян Чандрасекар однажды сказал:
Самым ошеломляющим событием за всю мою научную жизнь, т. е. более чем за сорок пять лет, стало осознание, что точное решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна, открытое новозеландским математиком Роем Керром, дает абсолютно точное отображение бессчетного множества массивных черных дыр, наполняющих вселенную. Этот «трепет перед прекрасным», этот невероятный факт, что открытие, к которому привел поиск красоты в математике, обнаружило ее точную копию в Природе, убеждают меня, что красота — то, на что человеческий разум отзывается на самом глубинном, содержательном уровне [114] .
114
Процитировано в: Хайнц Пейджелс «Идеальная симметрия: Поиски начала времен» (Heinz Pagels, Perfect Symmetry: The Search for the Beginning of Time, New York: Bantam, 1985), c. 57.
Однако Керр обнаружил, что массивная вращающаяся звезда не сжимается в точку. Вместо этого вращающаяся звезда сплющивается, пока в конце концов не превращается в кольцо, обладающее примечательными свойствами. Если запустить зонд в черную дыру сбоку, он ударится об это кольцо и будет полностью уничтожен. Искривленность пространства-времени остается бесконечной, если приближаться к кольцу сбоку. Если можно так выразиться, центр все так же окружен «кольцом смерти». Но, если запустить космический зонд в кольцо сверху или снизу, ему придется иметь дело с большой, но конечной искривленностью; иначе говоря, гравитационная сила не будет бесконечной.
Этот весьма неожиданный вывод из решения Керра означает, что любой космический зонд, запущенный во вращающуюся черную дыру вдоль оси ее вращения, может в принципе пережить огромное, но конечное воздействие гравитационных полей в центре и проделать весь путь до зеркальной Вселенной, избежав гибели под воздействием бесконечной искривленности. Мост Эйнштейна-Розена действует как туннель, соединяющий две области пространства-времени; это и есть «червоточина», или «кротовина». Таким образом, черная дыра Керра — ворота в другую вселенную.