Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

Прежде всего, чтобы горизонт образовавшейся в результате слияния черной дыры имел большую площадь, эта дыра должна иметь большую массу (или, что то же самое, большую энергию). Но это также значит, что слишком много энергии потеряно на гравитационном излучении быть не может. Не «слишком много», однако и не так уж мало. Решив с учетом теоремы возрастания площади уравнение зависимости массы черной дыры от площади ее поверхности и вращения, Хокинг нашел, что в гравитационно-волновую энергию может превратиться до 50 % массы сливающихся черных дыр. На массу образовавшейся черной дыры останется всего лишь 50 %[115].

В течение нескольких месяцев, последовавших за бессонной ноябрьской ночью, Хокинг вывел много других следствий. Возможно, самым важным из них стал новый ответ на вопрос: как ввести понятие горизонта событий «неспокойной» черной дыры, например, когда она испытывает сильные колебания (что неизбежно во время столкнове-ний) или когда она быстро растет (после образования в результате взрыва звезды).

В физике очень важно уметь дать точное определение. Только после того как Герман Минковский ввел определение абсолютного интервала между двумя событиями (Врезка 2.1), он подошел к концепции «абсолютного» пространства-времени несмотря на относительный характер пространства и времени. Только после того как Эйнштейн ввел определение траекторий свободно падающих частиц как прямых линий (рис. 2.2), он пришел к идее искривленного пространства-времени (рис. 2.5) и вывел законы общей теории относительности. И только после того как Хокинг дал определение горизонта событий «неспокойной» черной дыры, стало возможным изучить характер изменения черных дыр в результате удара и падения на них осколков, оставшихся от соударения.

Многие физики вслед за Роджером Пенроузом до ноября 1970 г. считали, что горизонт событий черной дыры — это «пограничный слой, на котором силы гравитации способны удержать фотоны, стремящиеся покинуть черную дыру». Хокинг понял, что старое определение горизонта событий заводит в интеллектуальный тупик. Такому горизонту он дал название видимый горизонт[116] с несколько пренебрежительным оттенком, и это новое название укрепилось за старым понятием.

У Хокинга были основания испытывать пренебрежение к старому определению. Во-первых, видимый горизонт — понятие не абсолютное, а относительное. Его местоположение зависит от того, в какой системе отсчета находится наблюдатель. Наблюдатель, падающий внутрь черной дыры, может увидеть его совсем в другом месте, чем наблюдатель, находящийся в покое вне черной дыры. Во-вторых, при падении вещества внутрь черной дыры неожиданно может произойти скачок видимого горизонта — его местоположение внезапно изменится. Такое странное поведение довольно трудно объяснить. В-третьих (и это самое важное), видимый горизонт никак не участвовал в том многообразии зрительных образов и диаграмм, благодаря которым у Хокинга родилась Новая Идея.

Новое определение горизонту событий, которое в противовес старому дал Хокинг, было абсолютным (одним и тем же во всех системах отсчета). Поэтому он назвал его абсолютным горизонтом событий. Хокинг счел этот горизонт событий прекрасным. Его определение было поистине великолепно: «Граница между теми событиями в пространстве-времени (вне горизонта), от которых могут распространяться сигналы в удаленную Вселенную, и теми (внутри горизонта), от которых сигналы выходить не могут». У этого горизонта красивая эволюция: когда черная дыра поглощает материю, сталкивается с другой черной дырой и вообще участвует в каком-либо ином действии, ее абсолютный горизонт событий меняет форму и размер плавно, а не скачком (Врезка 12.1). Важно то, что понятие абсолютного горизонта очень хорошо согласуется с Новой Идеей Хокинга.

Врезка 12.1

Абсолютный и видимый горизонты событий у молодой черной дыры

На пространственно-временных диаграммах (см. ниже) показан процесс образования сферической черной дыры в результате взрыва сферической звезды (ср. рис. 6.7). Пунктирные линии обозначают выходящие лучи света, другими словами, это мировые линии (траектории в пространстве-времени) фотонов — самых быстрых сигналов, которые могут быть посланы наружу, во внешний космос. Представим себе оптимально-идеальную картину, когда фотоны не поглощаются и не рассеиваются веществом звезды.

Видимый горизонт событий (левая диаграмма) — это наиболее удаленные от центра точки, в которых световые лучи улавливаются черной дырой и возвращаются обратно в сингулярность (например, лучи QQ' и RR'). В точке Е внезапно возникает видимый горизонт событий, там, где поверхность звезды сжимается до критического предела. Абсолютный горизонт событий (правая диаграмма) — это граница между событиями, от которых могут распространяться

сигналы во внешнюю Вселенную (например, событиями Р и S, от которых сигналы распространяются в виде световых лучей РР' и SS'), и событиями, которые не могут послать никаких сигналов во внешнюю Вселенную (например, Q и R). Абсолютный горизонт формируется в центре звезды (событие С), перед тем как звезда сожмется до критического предела. В момент возникновения абсолютный горизонт представляет собой всего лишь одну точку, но затем он постепенно расширяется, как воздушный шарик, когда мы его надуваем. Горизонт событий выходит на поверхность звезды точно в тот момент, когда поверхность сжимается до критического предела (окружность Е). Затем его расширение прекращается и, начиная с этого момента, он совпадает с внезапно возникшим видимым горизонтом событий.

Мысленные образы и диаграммы Хокинга свидетельствовали о том, что поверхность абсолютного горизонта (в отличие от видимого горизонта) будет увеличиваться не только при столкновении и слиянии черных дыр, но и при их рождении, при падении на них вещества или гравитационных волн, когда гравитация других объектов во Вселенной вызывает на них приливы и отливы и когда из завихрения пространства вне их горизонта событий извлекается вращательная энергия. Действительно, поверхность абсолютного горизонта событий будет почти всегда возрастать и никогда не будет уменьшаться. Физическая причина этого проста: все, что дыра встречает на своем пути, посылает энергию внутрь через ее абсолютный горизонт. Возвращение этой энергии назад невозможно. Поскольку все формы энергии рождают гравитацию, это означает, что сила гравитации черной дыры постоянно растет и, соответственно, площадь ее поверхности постоянно увеличивается.

Более точно вывод Хокинга можно сформулировать так: Измерим в любой области пространства и в любой момент времени (в произвольной системе отсчета) площади всех абсолютных горизонтов событий всех черных дыр и сложим все эти площади, чтобы получить общую площадь. Затем подождем сколь угодно долго и снова измерим площади всех абсолютных горизонтов событий и сложим их. Если между измерениями черные дыры не ушли за границы нашей области пространства, то общая площадь горизонтов событий не может уменьшиться; она могла только возрасти, хотя бы на самую малость.

Хокинг хорошо понимал, что предсказания относительно результатов экспериментов, производимых человеческими или иными существами, не зависят от выбора определения горизонта событий, абсолютного или видимого. Этот выбор не будет влиять на вывод о том, каково будет гравитационное излучение, рожденное при столкновении черных дыр (глава 10), или на интенсивность рентгеновского излучения, возникшего при падении горячего газа внутрь черной дыры через ее горизонт событий (глава 8). Однако от выбора определения сильно зависит то, насколько легко смогут физики-теоретики прогнозировать свойства и поведение черных дыр на основе эйнштейновских уравнений общей теории относительности. Выбранное определение станет ключевым моментом в парадигме, с помощью которой теоретики проводят свои исследования; оно будет влиять на их умственные картины, диаграммы, слова, которыми они будут пользоваться при общении друг с другом, и на моменты их озарений. Хокинг верил, что новое определение абсолютного горизонта событий с плавно растущей площадью будет больше подходить для этих целей, чем старое определение видимого горизонта, размер которого скачкообразно меняется.

* * *

Стивен Хокинг был не первым физиком, который думал об абсолютных горизонтах событий и который обнаружил возрастание их площади. До бессонной ноябрьской ночи Хокинга об этом уже размышлял Роджер Пенроуз в Оксфорде. По сути дела, идея Хокинга была основана на разработках Пенроуза (глава 13) и на недавней беседе с ним. Пенроуз, однако, не придал значения теореме возрастающей площади и поэтому не довел работу до конца. Почему он не оценил ее? Потому что у него не было столь ясного мысленного образа абсолютного горизонта событий. Мимо него прошло то, что Хокинг так ясно увидел в свою бессонную ночь: после столкновения черных дыр их слившийся абсолютный горизонт событий должен прийти в состояние покоя, в котором площадь его поверхности можно вычислить из стандартных уравнений для спокойных черных дыр.