Тайны пространства и времени

И это справедливо не только по отношению к сингулярностям, заключенным внутри черных дыр, но и по отношению к той «космологической сингулярности», которая возможно существовала в момент начала нашей Вселенной. По словам советского физика-теоретика А. Старобинского, «внутри планковской области… может быть что угодно. Точно так же, как и внутри черных дыр».

Возникает вопрос: каково будущее вещества, которое оказалось втянутым в черную дыру? Окажется ли оно «захороненным» в ней на вечные времена или все же может при определенных обстоятельствах «возвращаться» во Вселенную?

В рамках общей теории относительности существуют два независимых решения уравнений, относящихся к явлениям типа гравитационного коллапса. Одно из них описывает необратимый процесс катастрофического сжатия материи, в результате которого образуется черная дыра. Что касается второго решения, то оно в известной степени обратно первому. Согласно этому решению, материя, наоборот, движется от «сингулярности» – то есть происходит «антиколлапс», вследствие чего образуется так называемая белая дыра.

Но как говорят физики и математики, решения, о которых идет речь, не «сшиваются». Иными словами, с точки зрения общей теории относительности, коллапс, строго говоря, не может сам собой перейти в антиколлапс, а черная дыра превратиться в «белую дыру»! Если же встать на позицию внешнего наблюдателя, то центральная сингулярность в черной дыре является принципиально ненаблюдаемой, а аналогичная сингулярность в «белой дыре» в принципе может наблюдаться. Но как показывают расчеты, те белые дыры, которые, возможно, образовались на ранней стадии существования нашей Вселенной, расходуя свое вещество, к настоящему времени уже все равно стали бы ненаблюдаемыми.

Тем не менее, как показывают теоретические вычисления, наряду с черными дырами в принципе могут существовать и «белые дыры», то есть образования, в которых происходит «антиколлапс» – катастрофический разлет вещества. У вращающихся черных дыр, обладающих неким электрическим зарядом, стадия сжатия может все же смениться фазой расширения.

В то же время новые белые дыры сейчас образоваться не могут из-за того, что коллапс теоретически не может превратиться в антиколлапс. И если бы мы все-таки обнаружили в нашей Вселенной какую-нибудь «белую дыру», то это скорее всего означало бы, что мы наблюдаем проявление в нашем пространстве черной дыры, образовавшейся в каком-то смежном с нашим другом мире.

Известный советский астрофизик академик Н.С. Кардашев предложил в свое время «мысленный эксперимент», позволяющий наглядно иллюстрировать свойства черных и белых дыр.

Правда, тут следует сделать оговорку. Хотя непосредственно «увидеть» черную дыру невозможно, она, строго говоря, невидимкой, в том смысле, который вкладывал в это понятие Уэллс, не является. Мы не можем «видеть» сквозь нее. Тем самым как бы вполне оправдывается экзотическое название – черная дыра.

Рассмотрим ощущения воображаемого наблюдателя, погружающегося на космическом корабле в заряженную черную дыру. Такой путешественник уже никогда на возвратится в свой мир. Проникновение в заряженную черную дыру с последующим выходом в белую дыру будет соответствовать путешествию на «машине времени», которая проходит бесконечно большие расстояния за конечные промежутки времени и преодолевает в конечном интервале собственного времени (времени, протекающего для путешественника) бесконечно большие интервалы времени для внешнего наблюдателя. В этом путешествии наблюдатель, находящийся в корабле, «выныривает» как бы в «абсолютном будущем» – в мир, которым, быть может, станет наш мир через невообразимо огромные промежутки времени. Мало того, не исключено, что этот «новый» мир не связан с нашим миром никаким простым пространственно-временным образом, а отделен от него бесконечно большим интервалом времени. И обычным способом в него нельзя попасть никогда!

Как считает Н. Кардашев, наблюдатель во время погружения в черную дыру увидит все будущее нашей Вселенной, а при «выходе» из белой дыры в другую вселенную – все прошлое этой соседней вселенной.

В 1974 году было теоретически показано, что квантовые эффекты, связанные с черными дырами, должны приводить к тому, что и эти объекты излучают, подобно так называемому абсолютно черному телу с температурой, отличной от нуля, и в результате постепенно теряют свою массу – «испаряются».

Однако более или менее ощутимым такое испарение может быть только у черных мини-дыр с массой в миллиарды миллиардов раз меньше солнечной.

Так, «дыра» с массой порядка нескольких миллиардов тонн может полностью испариться за 10 миллиардов лет, то есть за срок, сравнимый с возрастом нашей Вселенной. В современную эпоху подобные «мини-дыры» в нашей Вселенной вряд ли могут возникать. Во всяком случае соответствующих физических процессов и условий, необходимых для этого, не наблюдается.

Но на ранней стадии расширения их образование, вероятно, было возможно. Однако к нашему времени такие минидыры должны были скорее всего полностью испариться. Что же касается черных дыр с несколько большими массами, то они в принципе могли «дожить» и до нашего времени! И если такие объекты существуют, то сейчас они, видимо, должны переживать заключительные стадии своей эволюции – стадии бурного испарения и даже ядерного взрыва! Однако поиски подобных объектов пока что успеха не принесли.

Здесь имеются в виду теоретические исследования английского физика-теоретика Стивена Хокинга, которому удалось показать, что черные дыры, по сути дела, не такие уж черные, как считалось раньше, а должны излучать так называемое абсолютно черное тело с температурой выше абсолютного нуля. В частности, согласно расчетам Хокинга, если в процессе «испарения» масса черной дыры достигнет 10¹⁵ г, то последний миллион тонн ее массы будет излучен в окружающее пространство в темпе ядерного взрыва.

По словам одного из крупнейших современных физиков-теоретиков Стивена Вейнберга, в науке «главная трудность состоит в том, что люди не воспринимают всерьез результаты, уже полученные теорией». Хотя в свое время Поль Дирак, а во второй половине XIX столетия А. Зельманов неоднократно говорили о том, что все непротиворечивые научные теоретические результаты рано или поздно обязательно обнаружат себя в реальных явлениях окружающего мира.

Следует заметить, что открытие Хокинга в какой-то мере сняло с представления о черных дырах некоторый налет фантастичности и даже «полумистицизма», сопутствовавший им с самого начала, и, таким образом, способствовало укреплению у физиков и астрономов веры в реальность их существования как важного элемента научной картины мира. И это привело к тому, что в настоящее время черные дыры представляют собой один из самих популярных, хотя пока еще чисто теоретических и не обнаруженных наблюдениями, объектов современной астрономии и астрофизики.

Не менее важным результатом исследований Хокинга является и вывод о том, что эти объекты завершают свое существование взрывным излучением и разбросом остатков своей массы. А это означает, что хотя с точки зрения классической общей теории относительности «коллапсарное» и «антиколлапсарное» решения ее уравнений не сшиваются, природа тем не менее, видимо, все же превращает коллапс в антиколлапс, хотя он и не укладывается в строгие рамки современной общей теории относительности!

Исследования советского теоретика Шварцмана наряду с выводом С. Хокинга внесли заметные изменения в существовавшие до этого представления о природе черных дыр и возможности их наблюдения. Из этого результата следовало, что материи, коллапсирующей на черную дыру для достижения «гравитационного радиуса» и сферы Шварцшильда, достаточно конечного интервала времени. Как удалось показать Шварцману, вещество, собирающееся у поверхности черной дыры, или излучение, еще не проникшие внутрь черной дыры, тем не менее увеличивают ее массу. А благодаря этому «растягивается» гравитационный радиус черной дыры. Иными словами поверхность Шварцшильда расширяется с конечной скоростью навстречу падающему на нее веществу, движение которого из-за воздействия гравитационного поля черной дыры постоянно замедляется. И захватывает его. И все это происходит с точки зрения внешнего наблюдателя, в частности земного наблюдателя, за конечный интервал времени.

Эффект, о котором идет речь, – весьма существенен. Согласно подсчетам Шварцмана, в сверхмассивных черных дырах с массой, равной 10⁹ масс Солнца, вещество, падающее на нее с расстояния двух гравитационных радиусов, проникает внутрь всего за две недели. А в черную дыру, обладающую звездной массой, с такого же расстояния – примерно за 10^{– 3} с.

В дальнейшем этот вывод получил подтверждение в работе И. Новикова и В. Фролова «Физика черных дыр», хотя и был получен из несколько иных соображений.