Стивен Хокинг - Черные дыры. Лекции BBC [litres]

Д. Ш.: Белые карлики и нейтронные звезды когда-то тоже были солнцами, но с тех пор сожгли все топливо. Исчерпались раздувающие их силы, и больше ничего не могло остановить их гравитационное сжатие. Так они стали одними из самых плотных объектов во Вселенной. Однако по сравнению с другими звездами их размеры невелики. Это означает, что их гравитационное поле не настолько сильно, чтобы заставить их полностью коллапсировать. Самое интересное – для Стивена Хокинга и других исследователей – это то, что случается с самыми большими звездами, когда их жизненный путь близится к завершению.

Что же произойдет при полном исчерпании ядерного топлива с огромным количеством звезд, масса которых больше массы белого карлика или нейтронной звезды? Этой проблемой занимался Роберт Оппенгеймер, имя которого связано с созданием атомной бомбы. В нескольких статьях, написанных в 1939 году совместно с Джорджем Волковым и Хартлэндом Снайдером, он показал, что существование такой звезды не может поддерживаться ее собственным внутренним давлением. Если взять простую задачу, рассматривающую сжатие однородного сферического тела, исключив из расчета давление, то получится, что такое тело сожмется в точку с бесконечной плотностью. Такая точка называется сингулярностью.

Д. Ш.: Сингулярность – это то, что получится в конечном итоге, если гигантская звезда сожмется в невообразимо малый объект. Именно сингулярность оказалось ключевой темой научных исследований Стивена Хокинга. Это понятие относится не только к финальной стадии эволюции массивной звезды, но и к куда более фундаментальной идее о начальной точке зарождения всей Вселенной. Мировую известность Хокингу принесли математические работы о сингулярностях.

Все наши теории о пространстве основаны на предположении, что пространство-время гладкое и почти плоское и что оно «ломается» только внутри сингулярности, где кривизна пространства-времени становится бесконечной. В действительности сингулярность обозначает конец самого времени – факт, который Эйнштейн считал совершенно неприемлемым.

Д. Ш.: Согласно общей теории относительности Эйнштейна все тела вблизи себя искажают пространство-время. Наглядную иллюстрацию сил гравитационного притяжения представляет тяжелый шар для игры в боулинг, лежащий на батуте: поверхность прогибается, вынуждая расположенные рядом с шаром небольшие предметы соскальзывать в углубление вокруг него. Если масса шара очень велика, то предметы опускаются глубже и глубже, в некотором пределе падая в бесконечно глубокий колодец, в котором перестают действовать обычные законы пространства-времени.

Началась Вторая мировая война. Большинство ученых, включая Роберта Оппенгеймера, переключили внимание на разработки в области ядерной физики, и задачка о гравитационном коллапсе была заброшена. Интерес к этой теме вернулся с открытием далеких космических объектов – квазаров.

Д. Ш.: Квазары – ярчайшие объекты во Вселенной и, возможно, самые далекие из всех обнаруженных космических объектов. Их название происходит от словосочетания «квазизвездные радиоисточники» (англ. QUASi stellAR radio sourse ); они представляют собой вещество, закручивающееся вокруг черной дыры [1] Точнее, вещество, сосредоточенное в небольшой области и закручивающееся вокруг черной дыры в центре крупной галактики. .

Первый квазар, названный 3C273 [2] «3С» означает принадлежность объекта к т. н. Третьему кембриджскому каталогу радиоисточников; «273» означает порядковый номер объекта в упорядоченном списке по величине прямого восхождения. , был обнаружен в 1963 году [3]. Вскоре были обнаружены многие другие квазары. Несмотря на удаленность от нас, это очень яркие объекты. Ядерные процессы не могут полностью объяснить количества выбрасываемой ими энергии, потому что только небольшая часть их массы покоя преобразуется в чистую энергию. Единственная альтернатива – гравитационная энергия, выделяющаяся при гравитационном коллапсе. Таким образом, снова возродился интерес к проблеме гравитационного коллапса звезд.

Уже было ясно, что однородная звезда правильной сферической формы должна сжиматься в точку, обладающую бесконечной плотностью, то есть в сингулярность. Уравнения Эйнштейна не применимы к сингулярности. Это означает, что невозможно предсказать, что произойдет в такой точке в следующий момент. Последнее в свою очередь подразумевает, что всякий раз, когда звезда коллапсирует, может случиться что-нибудь странное. На нас никак не повлияла бы невозможность сделать прогноз, если бы сингулярность была «голой», то есть была бы доступна нашим наблюдениям.

Д. Ш.: Существование «голой» сингулярности – это теоретический сценарий коллапса звезды, при котором вокруг нее не образуется горизонт событий и, следовательно, сингулярность можно наблюдать.

В 1967 году Джон Уилер ввел в научный обиход термин «черная дыра», и он заменил более раннее название «замороженная звезда». Так ученый хотел подчеркнуть тот факт, что остатки сжавшейся звезды представляют интерес сами по себе, вне зависимости от того, как они образовались. Новый термин быстро прижился. Он намекал на нечто темное, загадочное… Не обошлось без курьезов. Но французы – и это так похоже на них – посчитали новое именование немного рискованным. Словосочетание trou noir они назвали непристойным и долгое время не принимали его. Однако протестовать было так же нелепо, как против прижившегося le weekend и других помесей французского и английского. В конце концов оставили все как есть – кто может сопротивляться такой научной знаменитости?

Находясь снаружи, вы не сможете сказать, что находится внутри черной дыры. Вы можете забросить туда телевизор, кольцо с бриллиантами или даже своих злейших врагов – черная дыра будет «помнить» только о своей общей массе, угловой скорости вращения, электрическом заряде и больше ни о чем. Джон Уилер известен еще и тем, что дал афористичное описание этому свойству черных дыр: «У черной дыры нет волос». Что лишний раз подтвердило нехорошие подозрения французов.

У черной дыры есть граница, называемая горизонтом событий. Это сфера, на которой гравитационные силы настолько сильны, что притягивают даже свет и не дают ему уйти. Поскольку ничто не может двигаться быстрее света, черная дыра тем более затянет его в свои недра. Падение сквозь горизонт событий сравнимо с путешествием по Ниагарскому водопаду в каноэ. Если вы плывете выше водопада, то еще есть возможность спастись, если грести достаточно быстро. Однако как только вы пересечете критическую линию у основания водопада – вы пропали. Пути назад нет. Чем ближе к водопаду, тем стремительнее течение. Это означает, что нос каноэ будет тянуть сильнее, чем корму. Каноэ может попросту разорвать пополам. То же самое происходит и в черной дыре. Если вы приближаетесь к ней ногами вперед, то приливные силы будут сильнее тянуть за ноги, чем за голову – ведь ноги ближе к черной дыре. В результате вы будете растянуты в длину и сдавлены с боков. Если масса черной дыры в несколько раз превышает солнечную, то вы превратитесь в спагетти еще до того, как достигнете горизонта. Однако если вы соберетесь упасть в куда более массивную черную дыру с массой в несколько миллионов солнечных, то вы без труда достигнете горизонта. Одним словом, если хотите разузнать, что находится внутри черной дыры, убедитесь, что ваш выбор пал на достаточно большой экземпляр. Кстати, в центре нашей Галактики (которая называется Млечный Путь) есть прекрасная черная дыра с массой около четырех миллионов масс Солнца.