Майкл Уайт - Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Однако у астрономов уже тогда появился повод для беспокойства. Чтобы получить черную дыру из маленькой массы, ее нужно сжимать очень сильно; но если масса больше, сжимать можно слабее. То есть масса около 4,5 миллиардов солнечных масс превратилась бы в черную дыру, если бы сосредоточилась в пределах сферы с диаметром всего вдвое больше солнечной системы.

Казалось бы, такой массы в природе не существует, о ней и говорить смешно. Но вспомним, что в одной только нашей галактике Млечный Путь содержится сто миллиардов звезд. Подобная сверхмассивная черная дыра могла бы сформироваться всего из 5 % их общей массы. А плотность такого объекта была бы несопоставимо меньше, чем плотность атомного ядра или нейтронной звезды: всего грамм на кубический сантиметр, как у воды. То есть черную дыру можно сделать даже из воды – надо только взять ее очень много!

Понять, в чем тут дело, будет проще, если представить себе беговые дорожки. Главное в черной дыре – то, что она полностью замыкает пространство-время вокруг себя, в результате чего луч света на горизонте бесконечно кружит вокруг центральной сингулярности. Однако «орбиты» фотонов не могут быть ни слишком крутыми, ни слишком плавными. Беговые дорожки ближе к центру стадиона обычно сильно искривлены, чтобы вписать их в доступное пространство. Внешние дорожки искривлены плавнее и занимают больше места. Но в любом случае, когда бежишь по дорожке, рано или поздно возвращаешься к месту старта – описываешь замкнутую кривую. Подобным же образом черная дыра может быть очень маленькой, с тесно скрученным вокруг пространством-временем, или очень крупной, в которой лучи света лишь слегка искривляются вдоль горизонта (возможны, разумеется, и все промежуточные варианты).

В 1960-е годы космологи начали осознавать, что из этого следует, – впрочем, очень медленно. Они поняли, что вся Вселенная, вероятно, ведет себя как колоссальная черная дыра, самая большая черная дыра на свете: все в ней удерживается гравитацией, все пространство-время представляет собой самодостаточную замкнутую сущность, которая свернута вокруг себя с самой что ни на есть плавной кривизной. Но есть одно большое различие: черные дыры втягивают вещество внутрь, к сингулярности, а Вселенная расширяется вовне с момента Большого Взрыва. Вселенная – словно черная дыра, вывернутая наизнанку.

Уравнения Эйнштейна – общая теория относительности – гласят, что Вселенная не может быть статичной, она должна либо расширяться, либо сжиматься. Наблюдения показывают, что Вселенная расширяется. Что же говорят уравнения Эйнштейна о том, каковы были условия во Вселенной в далеком прошлом, когда галактики были гораздо ближе друг к другу, и еще раньше? Они гласят, что Вселенная должна была зародиться в точке бесконечной плотности – в сингулярности – около 15 миллиардов лет назад. Астрономам 1940-х и 1950-х годов было «очевидно», что это нонсенс. Если из уравнений следует сингулярность, значит, где-то в них вкралась ошибка, и кто-нибудь, несомненно, выдвинет более совершенную теорию, позволяющую избегать таких радикальных прогнозов, дайте только срок. А пока вроде бы было логично применять уравнения как они есть, если речь шла об условиях, более или менее похожих на наблюдаемые сегодня.

На сегодня самое плотное известное нам вещество – ядро атома, тесно упакованные протоны и нейтроны. Поэтому некоторые самые отчаянные сорвиголовы среди ученых решили проверить, не прояснит ли ОТО вопрос о происхождении Вселенной из состояния, в котором общая плотность была такой же, как плотность ядра атома, то есть, если угодно, о рождении Вселенной из «первичного атома», в котором, словно в нейтронной суперзвезде, содержалась вся масса Вселенной.

А что было «до этого»? Откуда взялась эта первичная сверхплотность, которую иногда называют «космическим яйцом»? Неизвестно, можно лишь догадываться. Возможно, космическое яйцо существовало вечно, а потом что-то побудило его расширяться. А возможно, у Вселенной была какая-то предыдущая фаза, когда пространство-время сжималось в соответствии с уравнениями Эйнштейна. Сжимающаяся Вселенная могла довести себя до ядерных плотностей, а потом снова «спружинить» наружу, вступить в фазу расширения, не дойдя до катастрофической сингулярности.

Идея первичного атома или космического яйца возникла в начале 1930-х годов и оттачивалась и уточнялась еще лет двадцать. Однако даже в начале 1960-х годов это оставалось математической игрой, в которую играли отдельные специалисты, в основном для собственного удовольствия. Мысль о сверхплотном космическом яйце всего раз в тридцать больше Солнца, которое содержало в себе все на свете, а потом взорвалось и породило расширяющуюся Вселенную, соответствовала и уравнениям Эйнштейна, и наблюдениям. Только, похоже, никто по-настоящему не верил, что эти уравнения описывают Вселенную. Никто не огорчился бы, если бы оказалось, что гипотеза космического яйца в корне неверна.

О том, как относились к этой мысли в 1950-е, можно судить по условным названиям, которые давали ученые своей работе. На самом деле уравнения ОТО позволяют давать не одно, а несколько толкований поведения пространства-времени в целом. Мы уже знаем, что эти уравнения допускают либо расширение, либо сжатие, но не статическое состояние. Очевидно, что Вселенная, в которой мы живем, не может одновременно и расширяться, и сжиматься, так что два решения уравнений не могут быть верными для современной Вселенной. Поэтому эти решения называют моделями. Космологическая модель – это набор уравнений, описывающих, как может вести себя вселенная (не обязательно наша). Уравнения должны подчиняться известным законам физики, но не обязаны описывать реальное поведение настоящей (нашей) Вселенной. Оба решения уравнений Эйнштейна, и сжатие, и расширение, описывают модели вселенных, занятные математические игрушки, а модель расширения, вероятно, описывает реальную Вселенную. Однако в начале 1960-х годов большинство космологов предпочитали называть моделью и то решение, которое предполагает расширение.

Но в 1960-е все больше популярности набирала мысль о Большом Взрыве. Космологи приходили к убеждению, что их уравнения и в самом деле описывают происходящее в реальной Вселенной, поскольку у ОТО появлялось все больше экспериментальных подтверждений. Это вдохновило их на новые теоретические изыскания, те, в свою очередь, позволили дать новые прогнозы и потребовали новых наблюдений, и эта раскручивающаяся спираль стала причиной революции в наших представлениях о рождении Вселенной.

К 1976 году теория Большого Взрыва настолько прочно вошла в научный обиход, что американский физик Стивен Вайнберг написал научно-популярный бестселлер «Первые три минуты», где описал первые этапы Большого Взрыва и рассказал, как возникла наша Вселенная из сверхплотного состояния космического яйца. Хотя эта книга написана в 1970-е, в ней изложены представления о Большом Взрыве, царившие в 1960-х, и нам придется ненадолго остановиться на этих представлениях, прежде чем рассказывать нашу историю дальше.