Теория всего (Происхождение и судьба Вселенной)

Как можем мы надеяться обнаружить чёрные дыры, если они по определению не испускают никакого света? Это даже не поиски чёрной кошки в тёмной комнате — это поиски чёрной кошки в угольной яме! К счастью, способ есть, поскольку, как указывал ещё Джон Мичелл в своей «первопроходческой» статье 1783 г., чёрная дыра оказывает гравитационное воздействие на близлежащие объекты. Астрономы выявили целый ряд систем, в которых две звезды движутся одна вокруг другой, связанные гравитацией. Они также обнаружили системы, в которых единственная видимая звезда обращается вокруг невидимого компаньона.

Конечно, нельзя с ходу утверждать, что этот компаньон — чёрная дыра. Возможно, это просто звезда, свет которой недостаточно ярок для того, чтобы мы могли её наблюдать. Однако некоторые из таких систем (например, Х-1 в созвездии Лебедь) являются также очень мощными источниками рентгеновского излучения. Наилучшее объяснение этого феномена заключается в том, что рентгеновские лучи испускаются материей, выброшенной с поверхности видимой звезды. Падая в направлении невидимого компаньона, она приобретает спиральное движение, — как вода, устремляющаяся в слив ванны, — очень сильно разогревается и испускает рентгеновские лучи. Чтобы подобный механизм работал, невидимый объект должен быть очень маленьким — таким, как белый карлик, нейтронная звезда или чёрная дыра.

Итак, из наблюдаемого движения видимой звезды можно вывести минимально возможную массу невидимого объекта. Например, в системе Лебедь Х-1 невидимое тело по массе примерно в шесть раз превосходит наше Солнце. Согласно выводам Чандрасекара, это слишком много для того, чтобы невидимка был белым карликом. Он слишком велик и для нейтронной звезды. А значит, это должна быть чёрная дыра.

Существуют и другие модели для объяснения феномена Лебедя Х-1, не включающие в себя чёрные дыры, но все они довольно натянуты. Присутствие в этой системе чёрной дыры кажется единственным разумным объяснением наблюдаемых особенностей. Несмотря на это, я заключил пари с Кипом Торном из Калифорнийского технологического института о том, что в действительности Лебедь Х-1 не содержит чёрной дыры. Для меня это своего рода страховка. Я много работал над проблемой чёрных дыр, и все мои труды пойдут прахом, если окажется, что чёрных дыр не существует. Но если чёрной дыры в системе Лебедь Х-1 не окажется, я хоть отчасти утешусь, выиграв пари и получив четырёхгодичную подписку на журнал Private Eye. Если же чёрная дыра там есть, Кип будет бесплатно получать Penthouse, но всего лишь год, потому что когда мы бились об заклад в 1975 г., то были на 80 % уверены, что чёрная дыра в созвездии Лебедь имеется. Сегодня, я бы сказал, мы уверены в этом на 95 %, однако наш спор ещё не разрешён.

Свидетельства существования чёрных дыр обнаруживаются в целом ряде звёздных систем нашей галактики, а также в центрах других галактик и квазаров, где чёрные дыры, по-видимому, гораздо крупнее. Допустимо также рассматривать возможность того, что существуют чёрные дыры, масса которых значительно меньше массы нашего Солнца. Они не могут быть сформированы в результате гравитационного коллапса, поскольку их массы ниже предела Чандрасекара. Звёзды столь малой массы способны сопротивляться собственной гравитации даже после того, как исчерпают всё ядерное топливо. Так что маломассивные чёрные дыры могут формироваться, только если материя достигает огромной плотности, сжатая очень большим внешним давлением. Такие условия возникают, например, при взрыве сверхмощных водородных бомб. Физик Джон Уилер как-то подсчитал, что, если взять всю тяжёлую воду, содержащуюся во всех океанах мира, можно создать водородную бомбу, которая настолько сожмёт материю в центре, что возникнет чёрная дыра. К несчастью, не останется никого, кто мог бы это увидеть.

Более реалистичной выглядит возможность того, что маломассивные чёрные дыры возникли при высоких температурах и давлениях на самом раннем этапе эволюции Вселенной. Подобное могло случиться, если молодая Вселенная не была совершенно гладкой и однородной, потому что тогда небольшие области с плотностью выше средней могли быть сжаты тем самым образом, какой необходим для образования чёрных дыр. Но мы знаем, что должны были существовать некоторые неоднородности, потому что в противном случае даже в нынешнюю эпоху во Вселенной всё ещё наблюдалось бы идеально равномерное распределение материи вместо её скоплений в звёздах и галактиках.

Действительно ли неравномерности, требуемые для образования звёзд и галактик, могли привести к формированию значительного числа таких первичных чёрных дыр, зависит от условий, которые имели место на раннем этапе развития Вселенной. Так что если нам удастся установить, сколько первичных чёрных дыр существует ныне, мы многое узнаем о самых ранних этапах её становления. Первичные чёрные дыры с массой более миллиарда тонн (такова масса крупной горы на Земле) могут быть выявлены только по их гравитационному воздействию на видимую материю или на расширение Вселенной. Однако, как вы узнаете из следующей лекции, чёрные дыры не так уж черны, в конце концов. Они испускают электромагнитное излучение, подобно нагретым телам, причём тем интенсивнее, чем они меньше. Так что парадоксальным образом может статься, что обнаружить небольшую чёрную дыру проще, чем крупную.

Четвёртая лекция. Чёрные дыры не так уж черны

До 1970 г. мои исследования в области общей теории относительности были сконцентрированы на вопросе, существовала ли сингулярность Большого Взрыва. Но как-то ноябрьским вечером того года, вскоре после рождения моей дочки Люси, я задумался о чёрных дырах, укладываясь спать. Моя физическая беспомощность существенно замедляла этот процесс, так что времени на раздумья хватало. В то время ещё не существовало точного определения того, какие точки пространства-времени лежат внутри чёрной дыры, а какие — вне её.

Я уже обсуждал с Роджером Пенроузом идею определения чёрной дыры как совокупности событий, из которой невозможно ускользнуть на большое расстояние. Сегодня это общепринятое определение. Оно означает, что граница чёрной дыры (горизонт событий) формируется лучами света, которые начиная с этого места не могут покинуть чёрную дыру. Они остаются в ней навечно и мечутся у края. Это всё равно что удирать от полицейских, опередив их на шаг, но так никогда и не оторваться от погони.

Внезапно я понял, что пути таких световых лучей не могут сближаться, так как в противном случае они неизбежно пересеклись бы. Как если бы убегающий от полиции столкнулся с другим беглецом, удирающим в противоположном направлении. Оба были бы схвачены, а лучи — те канули бы в чёрной дыре. Но если бы лучи поглотила чёрная дыра, их уже не было бы на границе. Так что лучи на горизонте событий должны двигаться параллельно друг другу или раздельно.

Можно использовать другую аналогию: горизонт событий, граница чёрной дыры, напоминает край тени. Это край света, уносящегося на далёкие расстояния, но это и край сумрака неминуемой гибели. И если вы посмотрите на тень, которую предметы отбрасывают в лучах источника, удалённого на большое расстояние, как Солнце, вы увидите, что лучи света на краю не приближаются друг к другу. Если лучи света, которые образуют горизонт событий, никогда не могут сблизиться, площадь горизонта событий должна оставаться постоянной или увеличиваться со временем. Она лишь никогда не может сокращаться, потому что в таком случае по крайней мере некоторые лучи на границе должны сблизиться. На самом деле эта площадь должна увеличиваться всякий раз, когда вещество или излучение попадает в чёрную дыру.

Представьте также, что две чёрные дыры столкнулись и слились, образовав новую чёрную дыру. Тогда площадь горизонта событий вновь образованной чёрной дыры была бы больше, чем у двух исходных, вместе взятых. Это свойство «несокращаемости», присущее площади горизонта событий, налагает важное ограничение на возможное поведение чёрных дыр. Я был так возбуждён своим открытием, что почти не спал той ночью.

На следующий день я позвонил Роджеру Пенроузу. Он согласился со мной. На самом деле, я думаю, он подозревал об этом свойстве площади. Однако пользовался несколько иным определением чёрной дыры. Ему просто не пришло в голову, что оба определения дадут одни и те же границы чёрной дыры, если она перешла в стационарное состояние.

Второй закон термодинамики

Несокращаемость площади чёрной дыры заставляет вспомнить о поведении физической величины, называемой энтропией и служащей мерой неупорядоченности любой системы. Обыденный опыт показывает, что беспорядок имеет свойство нарастать, если вещи предоставлены сами себе; чтобы увидеть это, достаточно не чинить ничего в доме. Мы можем создавать порядок из беспорядка, например, когда красим дом. Однако это требует затрат энергии, а значит, уменьшает количество доступной нам упорядоченной энергии.