Терри Пратчетт - Наука Плоского Мира III: Часы Дарвина

Они опередили свое время на целое столетие.

Первый шаг в сторону релятивистского решения этой задачи был сделан в 1915 году, когда Карл Шварцшильд получил решение уравнений Эйнштейна для гравитационного поля, образованного массивной сферой в вакууме. На неком критическом расстоянии от центра сферы его решение вело себя довольно странным образом — теперь это расстояние называется радиусом Шварцшильда. Если вам интересно, то он равен удвоенному произведению массы звезды и гравитационной постоянной, деленной на квадрат скорости света.

В случае Солнца и Земли радиус Шварцшильда составляет 1,2 мили (2 км) и 0,4 дюйма (1 см) соответственно — их границы находятся на недоступной для нас глубине, где они не смогут привести к каким-нибудь неприятностям. Поэтому значимость этого странного математического поведения. и даже его смысл оставались неясными.

Что произойдет со звездой, которая — из-за своей огромной плотности — окажется внутри собственного радиуса Шварцшильда?

В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер смогли доказать, что такая звезда сожмется под действием своего гравитационного притяжения. Точнее, произойдет коллапс целой области пространства-времени, и возникнет регион, из которого не сможет вырваться ни материя, ни даже свет. Так в физике появилось потрясающее новое понятие. Свое имя оно получило в 1967 году, когда Джон Арчибальд Уилер придумал термин черная дыра.

Как черная дыра развивается с течением времени? Когда первоначальный комок материи уменьшается до радиуса Шварцшильда, он продолжает сжиматься до тех пор, пока вся его масса — за конечное время — не схлопнется в одну точку, которая называется сингулярностью. При этом наблюдать сингулярность снаружи невозможно: она находится внутри радиуса Шварцшильда, который служит «горизонтом событий», отделяющим наблюдаемую — то есть излучающую свет — часть пространства от ненаблюдаемой области, удерживающей свет внутри себя.

Если бы мы наблюдали за коллапсом черной дыры со стороны, то увидели бы, как размер звезды приближается к ее радиусу Шварцшильда, но никогда его не достигает. По мере сжатия скорость коллапса, с точки зрения стороннего наблюдателя, стремится к скорости света, поэтому в силу релятивистского замедления времени коллапс покажется такому наблюдателю бесконечно долгим процессом. Свет, излучаемый звездой, будет все больше и больше смещаться в красную часть спектра. Такой объект стоило бы назвать «красной дырой».

Черные дыры идеально подходят для конструирования пространства-времени. Черную дыру можно «вклеить» в любую вселенную, обладающую асимптотически плоскими областями — включая и нашу собственную [46] Так математики выражают мысль о том, что черную дыру можно вставить куда угодно. (Иначе говоря, она, как горилла за рулем, может ехать куда захочет.) . Благодаря этому, в нашей Вселенной топология черных дыр вполне возможна с физической точки зрения. Еще более вероятной она становится в силу описанного сценария гравитационного коллапса — для начала нужно просто найти достаточно большое скопление материи наподобие нейтронной звезды и центра галактики. Технологически развитое общество могло бы создавать собственные черные дыры.

Однако в черных дырах нет замкнутых времениподобных кривых, так что с путешествиями во времени они нам не помогут. Пока что. Но мы уже приближаемся к цели. Следующий шаг опирается на обратимость уравнений Эйнштейна во времени: у каждого решения есть пара, которая отличается от оригинала только тем, что время движется в обратном направлении. Черная дыра, обращенная во времени, называется белой дырой. Если горизонт событий черной дыры — это барьер, который не выпускает частицы наружу, то горизонт событий белой дыры — это барьер, который не пропускает частицы внутрь; при этом новая частица может появиться из него в любой момент. Иначе говоря, снаружи белая дыра выглядела бы как внезапный взрыв материи в масштабе целой звезды, расходящийся от обращенного во времени горизонт событий.

Белые дыры могут показаться довольно странным явлением. Разумно предположить, что первоначальное скопление материи при достаточной плотности начнет сжиматься и превратится в черную дыру; но почему сингулярность, расположенная внутри белой дыры, которая оставалась неизменной с самого начала времен, должна ни с того, ни с сего извергнуть из себя звезду? Возможно, дело в том, что внутри белой дыры время движется вспять, а значит, причинно-следственные связи направлены из будущего в прошлое? Давайте просто согласимся с тем, что белые дыры возможны с математической точки зрения и отметим, что они тоже асимптотически плоские. Таким образом, если бы мы знали, как создать белую дыру, то могли бы аккуратно вклеить ее в нашу Вселенную по аналогии с черной.

Но это еще не все: белую дыру можно приклеить к черной. Для этого нужно вырезать области пространства-времени, ограниченные их горизонтами событий, а затем совместить эти горизонты друг с другом. В результате получается нечто вроде трубы. Через такую трубу материя может двигаться только в одном направлении, заходя с со стороны черной дыры, а выходя со стороны белой. Это своего рода клапан для материи. А поскольку физические частицы способны преодолеть этот клапан, движение внутри него описывается времениподобной линией.

Оба конца такой трубы можно встроить в любую асимптотически плоскую область произвольного пространства-времени. Например, можно соединить нашу Вселенную с какой-нибудь другой; или же соединить туннелем две точки нашей Вселенной, при условии, что они расположены вдали от скоплений материи. В результате мы получим червоточину. Расстояние внутри самой червоточины довольно мало, в то время как в нормальном пространстве-времени расстояние между ее концами ограничено только нашим желанием.

Червоточина — это короткий путь сквозь Вселенную.

Правда, это не перемещение во времени, а перенос материи в пространстве.

Но это не имеет значения, потому что мы почти у цели.

Ключ к перемещению во времени с помощью червоточин кроется в пресловутом парадоксе близнецов, который физик Поль Ланжевен описал в 1911 году. Напомним, что в соответствии с теорией относительности ход времени замедляется по мере увеличения скорости движения и прекращается совсем, когда она достигает скорости света. Этот эффект называется релятивистским замедлением времени. Приведем цитату из первой части «Науки Плоского Мира»:

Предположим, что Розенкранц и Гильденштерн родились в один и тот же день.

Розенкранц все время остается на Земле, а Гильденштерн отправляется в путешествие с околосветовой скоростью и возвращается обратно. Из-за эффекта замедления времени для Гильденштерна прошел, скажем, один год, в то время как для Розенкранца — 40 лет. В итоге Гильденштерн будет на 39 лет моложе своего брата-близнеца.