Удивительная космология - Лев Шильник

Однако странности черных дыр на этом не кончаются. Время внутри черной дыры может выкидывать такие коленца, что только держись. Например, пространственная и временная координаты могут поменяться местами. Если бы пассажиру модуля, с точки зрения экипажа космического корабля, каким-то чудом удалось проникнуть под горизонт событий (допустим, экипаж дожидается этого события бесконечно долго), то для внешнего наблюдателя (в данном случае это экипаж корабля) пассажир модуля двигался бы уже не в пространстве, а во времени. Астронавт внутри невращающейся черной дыры увидит не только другую вселенную, причинно не связанную с нашей, но и свое собственное будущее.

Если же черная дыра вращается (очень трудно вообразить точечный объект с нулевой размерностью, который крутится вокруг собственной оси), она приобретает еще более необычные свойства. В этом случае радиус горизонта событий становится меньше гравитационного радиуса, и сфера Шварцшильда оказывается внутри так называемой эргосферы, которая представляет собой вихревое гравитационное поле. Все тела, ею захваченные, обречены на неустанное движение. Если астронавт нырнет под горизонт событий вращающейся черной дыры, он сможет увидеть не одну, а множество других вселенных, причинно не связанных с нашей. Более того, многие физики не без оснований полагают, что на дне этого угольно-черного водоворота распахивается коридор, ведущий в так называемую белую дыру – черную дыру, вывернутую наизнанку. Вещество, затянутое под горизонт событий ненасытной черной дырой, тут же выбрасывается в параллельную вселенную. И. Д. Новиков, руководитель Центра теоретической астрофизики при Копенгагенском университете, пишет:

«Все, что попадает в черную дыру, оказывается в другой вселенной… еще до того, как будет поглощено черной дырой».

Такие червоточины (wormholes по-английски), соединяющие между собой изолированные миры, причинно не связанные друг с другом, ученые условились называть кротовыми норами. Если сравнить черную дыру с преисподней, с последними кругами Дантова ада, то выход из нее можно уподобить Эдему или, по крайней мере, чистилищу. Однако потенциальный путешественник, проскользнувший по кротовой норе в другую вселенную, не сможет поделиться впечатлениями об увиденном, поскольку тоннель, ведущий в белую дыру, – дорога с односторонним движением. Вернуться назад ему не позволят законы физики.

Необходимо отметить, что все без исключения черные дыры неразличимы как близнецы-братья (или сестры). Они все на одно лицо. Каковы бы ни были начальные условия их формирования, разнообразие истаивает без следа, и на выходе всегда получается автомат Калашникова. Любая черная дыра характеризуется всего лишь тремя параметрами – массой, угловым моментом (спином) и электрическим зарядом, и все, что в нее проваливается, тоже утрачивает индивидуальные характеристики.

Если еще 20–30 лет тому назад черные дыры считались изящной теоретической спекуляцией, а в их реальном существовании было позволительно сомневаться, то сегодня 99 % астрофизиков убеждены, что черные дыры уже открыты, хотя Нобелевская премия за их обнаружение пока никому не присуждена. Проще всего наблюдать черные дыры в тесных двойных системах, состоящих из нормальной оптической звезды и невидимого компонента, на поверхность которого перетекает вещество звезды-соседки. При этом вокруг черной дыры образуется так называемый аккреционный диск, похожий на крутящийся водоворот. Вещество падает на черную дыру по суживающейся спирали, а скорость его движения во внутренних частях аккреционного диска достигает огромных значений, близких к скорости света. Газ разогревается до сотен миллионов градусов, и черная дыра начинает мощно излучать в рентгеновском диапазоне. Основное выделение энергии происходит задолго до того, как вещество скроется под горизонтом событий, поэтому рентгеновское излучение может быть зарегистрировано внешним наблюдателем. По ряду параметров оно заметно отличается от рентгеновских джетов (выбросов) нейтронных звезд, так что здесь вполне возможен дифференциальный диагноз. К настоящему времени обнаружено свыше 20 рентгеновских объектов в маломассивных двойных системах, которые считаются кандидатами в черные дыры. Если же к этому списку добавить сверх-массивные черные дыры в ядрах галактик, тогда их число превысит три сотни.

Все черные дыры можно разделить на три типа: 1) черные дыры с массой от 3 до 50 солнечных масс, представляющие собой продукт эволюции массивных звезд; 2) сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, достигающие 106—109 масс Солнца; 3) так называемые первичные черные дыры, образовавшиеся на ранних стадиях жизни Вселенной. Своим появлением на свет они обязаны локальным деформациям метрики пространства-времени в первые моменты после Большого взрыва, задолго до того, как зажглись первые звезды. Поскольку черные дыры постепенно испаряются (механизм их квантового испарения был предсказан Стивеном Хокингом), до наших дней могли дожить первичные черные дыры только с массой более 1012 кг.

В заключение этой главы – небольшая цитата из книги «Астрономия: век XXI».

Итак, благодаря космическим исследованиям и введению в строй крупных наземных телескопов нового поколения открыты сотни массивных и чрезвычайно компактных объектов, наблюдаемые свойства которых очень похожи на свойства черных дыр, предсказываемые общей теорией относительности Эйнштейна. Можно надеяться, что <…> в ближайшие десятилетия будет окончательно доказано существование черных дыр во Вселенной. Это приведет к прорыву в понимании природы пространства-времени и сущности гравитации.

Кое-что о здравом смысле

Человек, впервые соприкоснувшийся с картиной мира, которую рисует современная физика, или с космологическими моделями эволюции нашей Вселенной, порой испытывает самый настоящий интеллектуальный шок. Ему начинает казаться, что ученые намеренно громоздят нелепость на нелепость, словно стремятся перещеголять друг друга, – настолько эта картина не вписывается в привычные представления о реальности. Невольно вспоминается известное высказывание Нильса Бора по поводу очередной заковыристой гипотезы: «Эта идея, безусловно, безумна, но весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы быть истинной». Между тем Бор вовсе не валял дурака, а всего лишь хотел подчеркнуть тот бесспорный факт, что современная физика выходит на такие уровни постижения реальности, которые напрочь лишены наглядности и не имеют аналогий в повседневном житейском опыте.

За фасадом обыденности прячутся неуловимые тени, ускользающие от всех и всяческих определений. Когда мы говорим, что вот этот предмет зеленого цвета, этот – красного, а вон тот – синего, каждому интуитивно понятно, о чем идет речь. Однако в действительности никакого синего цвета нет, есть только строго определенная длина волны электромагнитного излучения. Пчела или стрекоза воспринимают синий цвет совершенно иначе, поскольку их фасеточный глаз по-другому устроен и способен видеть в ультрафиолетовом диапазоне. Их синий и наш синий – это земля и небо. Стрекозиный синий цвет наверняка будет куда богаче оттенками и полутонами, хотя длина волны соответствующего участка спектра в обоих случаях останется в точности той же самой. Субъективная картина мира сплошь и рядом не имеет ничего общего с изнаночной сутью вещей, принципиально недоступных обыденному восприятию, которое руководствуется соображениями здравого смысла. Органы чувств – не золотой ключик и не волшебная отмычка, а всего-навсего удобный инструмент, помогающий биологическим видам приспособиться к среде обитания.

Современная физика все дальше уходит от наглядности, оперируя категориями, которые могут быть адекватно описаны только на языке строгой математики. Еще совсем недавно атом рисовали в форме миниатюрной солнечной системы: положительно заряженное ядро в центре в роли крохотного светила и отрицательно заряженные шустрые электроны, крутящиеся наподобие планет вокруг ядра. Сегодня мы знаем, что эта идиллическая картинка не имеет с реальностью ничего общего. Во-первых, электроны не могут располагаться на произвольных орбитах вокруг ядра, а вынуждены занимать жестко фиксированные уровни, которые определяются энергией, имеющейся в распоряжении того или иного электрона. Отчасти это напоминает лестницу: скакать со ступеньки на ступеньку можно сколько угодно, а вот висеть между ними – извините-подвиньтесь! Во-вторых, электроны совсем не похожи на твердые планеты-шарики, хотя мы и говорим, что электрон вращается вокруг ядра. На самом деле ни о каком движении в привычном понимании этого слова здесь не может быть и речи: электрон не крутится как заведенный, но находится в некотором определенном состоянии, которое описывается сложной волновой функцией. Иными словами, мы имеем право говорить только лишь о вероятности пребывания электрона в той или иной точке.