Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы - Хайно Фальке

“Звездные слоны” во Вселенной – это звезды, вес которых более чем в двадцать пять раз превышает вес Солнца. Когда эти звезды взрываются, большая часть их массы выбрасывается в космос, а из ядра сначала образуется белый карлик, а затем нейтронная звезда. Внутри нее все больше и больше материи начинает стремительно продвигаться к центру, так что в какой‐то момент и нейтронная звезда начинает коллапсировать. Как только этот процесс пойдет, всякое сопротивление исчезнет. Мы не знаем никакой силы, способной выдержать давление такой тяжелой звезды, – ее коллапс неизбежен. Звезда будет постоянно сжиматься и становиться все меньше и меньше, пока в какой‐то момент вся масса не сосредоточится в одной точке с бесконечной плотностью. И таким способом формируется один из самых замечательных объектов во Вселенной – черная дыра. (Естественно, во времена Оппенгеймера она еще так не называлась.)

Даже самого Альберта Эйнштейна испугала мысль о таком объекте. Всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, немецкий астроном Карл Шварцшильд рассчитал структуру пространства-времени для массы, сосредоточенной в одной точке, и свойства такой системы оказались экстремальными.

Шварцшильд – это пионер современной астрофизики. Когда в 1914 году разразилась Первая мировая война, он был директором Потсдамской астрофизической обсерватории. В отличие от Артура Эддингтона, пацифиста и поклонника Эйнштейна, Шварцшильд, происходивший из еврейской семьи, принадлежавшей к высшему среднему классу, считал своим долгом послужить стране и потому пошел добровольцем в немецкую артиллерию. Это было фатальное решение. После двух лет, проведенных на фронте, он заболел и умер.

Но даже в боевых условиях Шварцшильд умудрился написать две научные статьи мирового уровня[73]. В одной из них он вычислил кривизну пространства-времени вокруг точечной массы. При этом Шварцшильд стал первым, кто нашел точное решение уравнений общей теории относительности в конкретном случае[74]. Этот свой результат он изложил в статье и с гордостью отправил ее Эйнштейну. Изящество идеи поразило великого физика, и он, ответив: “Я был ошеломлен тем, что истинное решение этой проблемы можно выразить столь легко”, представил результаты Шварцшильда на ближайшем заседании Прусской академии наук[75].

В решении Шварцшильда[76] вся масса была сосредоточена в точке; однако в этой точке само пространство кажется бесконечно протяженным, растянутым в одном направлении, и степень его искривления становится бесконечно большой. Внезапно в этой ограниченной части пространства оказывается бесконечное количество места. В уравнениях появляется сингулярность – одна из тех точек, где уравнения теряют смысл, физические величины устремляются в бесконечность и все останавливается. Мы, физики, знаем, что сингулярности не имеют отношения к реальности, но они сигнализируют, что в уравнениях все еще чего‐то не хватает. Эйнштейн понимал это так, что точечных масс не существует и что это чисто математический трюк, хотя и любопытный.

Однако как Эйнштейна, так и других ученых беспокоило то, что и вдали от центральной сингулярности – а именно на расстоянии

Rs =2GM/ c 2

– в уравнениях происходило что‐то странное.

Это расстояние носит сегодня название “радиус Шварцшильда”. Здесь M означает массу объекта, а c = 299 792,458 км/с и G = 6,6743 × 10 11 м 3/кг/с 2 – скорость света и гравитационную постоянную соответственно.

Что‐то с этим радиусом было не так. Уравнения вели себя ненормально. Как только вы достигали радиуса Шварцшильда, время, казалось, останавливалось. А когда вы пересекали эту границу и оказывались ближе к центру, вы уже в некотором смысле путешествовали не в пространстве, а во времени.

Если в обычной жизни я могу спокойно сидеть на скамейке в парке – в фиксированной точке пространства, – но время продолжает идти, то внутри радиуса Шварцшильда я застреваю во времени, а пространство непреодолимо тянет меня внутрь, к центральной сингулярности. При каждой попытке двинуться наружу я только приближаюсь к центру.

Очень странно! По-видимому, нет никакой возможности покинуть это пространство, то есть пересечь радиус Шварцшильда изнутри. Стоит только чему‐то оказаться внутри сферы с радиусом Шварцшильда, как выхода вовне ни для чего уже нет – ни для материи, ни для света, а значит, и для информации и энергии. Прошло много времени, прежде чем хотя бы кто‐нибудь понял, что на самом деле там происходит. Сам того не подозревая, Шварцшильд, решавший уравнение, сидя в грязном окопе в разгар Первой мировой войны, описал черную дыру.

Но на самом деле и раньше было уже ясно, что когда вы приближаетесь к точечной массе, должно случиться нечто необычное. Разве это не следует из простой теории движения планет Кеплера и Ньютона? Чем ближе вы к Солнцу, тем быстрее вы двигаетесь вокруг него. Если бы Солнце стало бесконечно маленьким, планета, обращающаяся вокруг него по орбите радиусом всего в три километра, должна была бы двигаться со скоростью света, а по еще меньшей орбите – даже быстрее света. Но, конечно же, это невозможно!

Сила гравитации также становится слишком большой. Чем большая масса сосредоточивается в одной области пространства, тем сильнее ее гравитационное притяжение и, следовательно, тем труднее освободиться от этого притяжения. Если вы хотите избавиться от притяжения Земли, вам нужно отправиться на ракете в космос со скоростью 11,2 километра в секунду. С поверхности более тяжелого Солнца вам нужно будет стартовать со скоростью 617 километров в секунду. Если бы вы стали сжимать Солнце еще больше, то чтобы взлететь с него, пришлось бы увеличивать вторую космическую скорость до тех пор, пока в какой‐то момент она не превысила бы скорость света. Но тогда, по теории Ньютона, даже свет не смог бы сбежать с поверхности Солнца – он неизбежно вернулся бы обратно. А в теории Эйнштейна, если вы находитесь на краю черной дыры и летите со скоростью света, вы не сможете даже двинуться вперед!

Еще в 1783 году преподобному Джону Мичеллу, не имевшему никакого представления о теории относительности, пришло в голову, что в природе должно было бы происходить нечто подобное, если бы звезда обладала огромной гравитацией, а вторая космическая скорость для нее превышала бы скорость света. Такая “темная звезда”, как назвал ее Мичелл, даже если бы она существовала и находилась в определенной точке пространства, должна быть невидимой, потому что свет из нее не может выскользнуть.

В теории Эйнштейна пространство вокруг черной дыры подобно стремительной реке[77], которая заканчивается водопадом на радиусе Шварцшильда, а свет подобен пловцу в этой космической реке. Далеко от края обрыва он еще может плыть