Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

Чем массивнее тело, тем большую черную дыру образует оно в пространстве. Дыры, возникающие в результате сжатия галактик, в сотни и даже тысячи раз превосходят размеры нашей Солнечной системы. Триллионы километров в поперечнике! Сам термин «дыра» кажется здесь неуместным, лучше было бы говорить «черный провал».

Размеры самых маленьких черных дыр — километры. Такие дыры образуются при коллапсе тел с массой раза в полтора-два тяжелее нашего Солнца. Менее тяжелые тела вообще не могут коллапсировать — их гравитационное поле слишком слабо, чтобы превозмочь стабилизирующие вещество межатомные и ядерные силы. Для образования дыр, которые были бы меньше нескольких километров, нужен какой-то другой механизм. Указания на него мы находим все в той же общей теории относительности Эйнштейна.

Из полученных Фридманом формул следовало, что размеры нашего замкнутого мира не остаются постоянными, а изменяются с течением времени и что в некоторый «исходный момент» времени радиус мира мог быть равным нулю, а плотность содержащегося в нем вещества — бесконечности.

Конечно, если учесть квантовые эффекты рождения и поглощения виртуальных частиц, то сингулярности не получится, место точки займет очень малая пространственно-временная область, но по сравнению с нашими привычными масштабами ее все равно можно считать точкой. А в 1922—1923 гг., когда Фридман делал свои расчеты, квантовой физики вообще еще не было и в выводы русского ученого о нестационарности, о зависимости свойств Вселенной от времени, о ее рождении как бы из ничего, из точки — во все это было крайне трудно поверить. Выводы Фридмана резко расходились с принятой в то время картиной строения мира, согласно которой изменения могут происходить лишь в отдельных районах Вселенной, а в целом, в общих своих свойствах, она стационарна. По этой причине даже Эйнштейн решил сначала, что расчеты Фридмана ошибочны. «Эти результаты кажутся мне подозрительными»,— сказал он, прочитав статью Фридмана, и более того, выступил с ее критикой публично. Но уже через год, особенно после того как Фридман написал ему, что расчеты он перепроверил и продолжает на них настаивать, изменил свое мнение и написал: «Моя критика, как я убедился из письма Фридмана, основана на ошибках в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет...»

Тем не менее большинство ученых продолжали относиться к теории Фридмана просто как к интересной математической модели. Однако в 1929 г. американский астроном Хаббл открыл так называемое красное смещение галактик, то есть получил доказательство предсказанного Фридманом расширения Вселенной. В 1965 г. было открыто реликтовое излучение, пронизывающее всю видимую часть Вселенной. Эти и другие факты вместе с новыми математическими расчетами привели физиков и космологов к выводу о том, что около 20 миллиардов лет назад произошел взрыв какого-то сверхплотного «правещества», породивший окружающий нас мир. И этот мир до сих пор продолжает расширяться — «распухать» в каждой своей точке, наподобие того, как растягивается пленка выдуваемого мыльного пузыря.

За неимением более подходящего наглядного образа первоначальную точку расширения Вселенной часто называют Большим взрывом, или, используя звучный английский термин, Биг Бэнгом.

В катаклизме этого первородного Биг Бэнга, в колоссальных перепадах давлений и плотностей могли возникать области очень малых размеров и такой большой массы, что вокруг них происходило почти полное сворачивание пространства-времени и возникали черные, дыры. Их размеры и массы могли быть самыми различными — от очень больших до субъядерных, как у элементарных частиц. Вот такие черные дыры-малютки и представляют сейчас для нас особый интерес. Для внешнего наблюдателя каждая из них и по размерам и по массе будет выглядеть как микрочастица, хотя может и содержать в себе целую вселенную космических тел. Точь-в-точь гомеомерии Анаксагора — мириады вселенных в пылинке!

Удивительным образом развиваются наши представления о мире. Часто бывает так, что на новом уровне мы вновь возвращаемся к старым, казалось бы, совсем обветшавшим и отброшенным идеям... Но еще больше удивляет другое: как без всяких экспериментов, одними чисто логическими рассуждениями, древние философы сумели угадать то, что современная наука открывает используя всю мощь доступных ей технических средств? Это выглядит каким-то чудом.

На самом деле их идеи, конечно, опирались не на одну «игру ума», но и на анализ повседневного опыта и тех сведений о свойствах физических явлений, которыми уже располагала наука того времени. Например, сохранение свойств веществ при измельчении и горстка семян, в каждом из которых уже заключено все многообразие свойств взрослого растения, наводили древних на мысль, что мир состоит из наипростейших элементов — атомов, и это же подсказывало идею строения мира в виде бесконечного ряда вложенных друг в друга «семян вещей» — гомеомерий. Не последнюю роль сыграло то обстоятельство, что древнегреческая наука с самого своего возникновения была не зависимой от религиозных догм и всегда старалась найти естественное, материалистическое объяснение мира. Ее основой была не вера, а логика. Правда, эмпирического, наблюдательного материала было еще мало, и выводы получались неоднозначными. На них можно было строить самые различные физические и философские системы, поэтому в учениях древних греков можно найти зачатки едва ли не всех позднейших мировоззрений.

В Вавилоне или в Древнем Египте наукой занимались служители культа, жрецы, и это заранее предопределяло ее характер. С точки зрения религии многие научные сведения были «нежелательными», оттого и сохранялись в глубокой тайне. Прикасаться к ним было равнозначно общению с темными силами и разрешалось лишь избранным. В Древней же Греции наука была гражданским, светским делом и развивалась в условиях кипучей политической жизни вольных городов — полисов.

Но вернемся к черным дырам-малюткам в современной теории относительности. Это удивительные по своим свойствам объекты. Физикам они преподнесли немало сюрпризов. Хотя они очень малы, их масса огромна. Черная дыра размером с протон весит в 1040 раз больше, чем протон, то есть около миллиарда тонн. Невидимая даже в самый сильный микроскоп пылинка, которую нельзя сдвинуть с места и не удержать ни в одном сосуде! Столкнувшись с нашей планетой, она пронзит ее до самого центра, как тонкая игла кусок теплого масла.

Но и это еще не все. Самое поразительное, что микроскопические черные дыры — неустойчивые объекты: они бурно испаряются в окружающее пространство. И чем легче и меньше они становятся, тем интенсивнее происходит этот процесс.

В это трудно поверить, ведь выше говорилось, что черная дыра в принципе не может ничего испускать, она лишь увеличивает свою массу, захватывая из окружающего пространства и вещество, и излучение. Это действительно так, но... без учета квантовых явлений, которые в мире микродыр становятся настолько важными, что классическая, не учитывающая их теория относительности, так хорошо описывающая все особенности больших черных дыр, здесь просто неприменима.

Английский физик Хоукинг первым обратил внимание на то, что вблизи границы черной дыры могут спонтанно рождаться пары виртуальных частиц — протон и антипротон, электрон и позитрон и так далее. Рождаются на краткий миг и, будучи сделанными из вещества и антивещества, так же быстро исчезают в процессе аннигиляции. Чтобы суммарный импульс оставался равным нулю, компоненты пары рождаются с противоположно направленными скоростями, и если одна из частиц

летит в черную дыру, то другая летит прочь от нее. Может случиться так, что черная дыра захватит летящую к ней частицу прежде, чем она успеет аннигилировать со своей партнершей, и тогда та станет независимой частицей. Если ее энергия достаточно велика, она преодолеет гравитационное притяжение дыры (она намертво держит лишь попавшие внутрь нее частицы) и улетит в пространство. Все это напоминает отделение частичек пара от поверхности кипящей жидкости, поэтому и говорят об испарении черных дыр.

Преодолевая гравитационное поле дыры, улетающие частицы уменьшают ее энергию и массу. Дыра постепенно сжимается, квантовые эффекты вокруг нее становятся более интенсивными, процесс испарения все ускоряется и, наконец, завершается взрывом, энергия которого эквивалентна взрыву миллиарда крупных водородных бомб! Удивляться нечему: ведь сама невидимая черная «дырочка» весит миллиарды тонн.

Расчеты показывают, что процесс интенсивного испарения черных дыр размером с протон продолжается один или два десятка миллиардов лет. Дыры меньших размеров испаряются быстрее. За 15—20 миллиард лет жизни нашей Вселенной большинство их уже распалось. Мы живем в эпоху, когда подходит к концу испарение микродыр, начальные размеры которых составляли около 10-13 сантиметров.