Карло Ровелли - Краткая теория времени [калибрятина]

Но если обрушение продолжилось бы и достигло планковской плотности, Солнце бы в итоге имело размер одного атома. Дальше сжатие невозможно. Планковская плотность – предельная. Звезды, которые достигают такой плотности, называются планковскими.

Если плотность черной дыры не является бесконечной, а имеет известную величину, то ее размер можно просчитать, так же как развитие процессов, которые там происходят. Иначе говоря, наш взгляд (теоретический) впервые касается доселе смутных объектов.

Что за процессы там происходят? Гравитационное давление действует подобно стене, от которой материя звезды «отскакивает». Это происходит очень быстро, подобно тому как быстро отскакивает мячик от стены. Поэтому звезда, как только обрушилась к своему центру, взрывается.

Но тогда как получается, что известные нам черные дыры могут существовать уже десятки тысяч или миллионы лет, судя по поведению материи рядом с ними?

Здесь входит в игру странное поведение самого времени, описанное общей теорией относительности. Протекание времени в каком-либо определенном месте Вселенной зависит от гравитационного поля, которое там господствует. Часы на поверхности Земли идут медленнее, чем часы на борту спутников, потому что гравитационное поле обладает большей силой на Земле, чем на ее орбите. На Солнце часы заметным образом отставали бы относительно времени внешнего наблюдателя. Астронавт, который рискнул бы высадиться на поверхность Солнца [13], не заметил бы никакой разницы, его часы продолжали бы идти как шли, но он считал бы, что часы его друга, оставшегося на Земле, пошли слишком быстро. А когда он вернулся бы на Землю, двое друзей обнаружили бы серьезное расхождение.

А теперь представьте себе, во что превращается время внутри черной дыры… Чем больше материя сжимается, тем больше увеличивается гравитационное поле, тем сильнее замедляется время, до такой точки, когда кажется, что оно почти остановилось. Пока у нас протекают века и тысячелетия, часы внутри черной дыры едва сдвигаются вперед на миллисекунду. Поэтому процесс, который, как нам кажется, занял бы миллионы лет, длится не более чем секунду на часах в черной дыре. За сжатием сразу же следует взрыв, но оба они происходят, как при замедленном просмотре, для наших глаз наблюдателей, находящихся вне столь интенсивного гравитационного поля.

Продолжительность этого процесса не одна и та же для всех черных дыр, она зависит от массы, которую имела звезда в начале (точнее, продолжительность пропорциональна массе в кубе). А чем сильнее гравитационное поле (в зависимости от массы), тем медленнее протекает время.

Если выражаться более точно, взрыв не происходит непосредственно сразу за сжатием, потому что звезда обладает слишком большой массой и сама себе мешает преодолеть собственный горизонт, мешает себе выйти из «дыры», которую сама же и проделала в гравитационном поле. Она должна сначала потерять часть своей массы путем «испарения» – процесса, открытого Стивеном Хокингом. По истечении определенного срока испарения (очень долгого для нас, но очень короткого для черной дыры) остаток планковской звезды становится макроскопическим объектом из микроскопического (чем меньше плотность, тем он больше) и горизонт исчезает. На этой стадии квантовое гравитационное давление может переместить то, что осталось от звезды, и распылить ее.

Это новое описание превращает черную дыру в такой же объект, как другие, объект, который эволюционирует, сменяя одно состояние на другое. Очень важно, что тогда черная дыра дает нам возможность проверить теорию наблюдениями. Взрыв черной дыры должен иметь особые признаки. Рассчитанные свойства отскока показывают, что вещество такой звезды должно превращаться в гамма-излучение, и можно даже указать длину волны этого излучения. Поскольку первые черные дыры возникли в начале существования Вселенной, их возраст сегодня 13,7 миллиардов (наших) лет. Посредством петлевой теории квантовой гравитации можно подсчитать массу черной дыры, которая взрывается через 13,7 миллиарда лет: 10 12кг [14]. Для черной дыры такой массы высчитывается длина волн в излучении, испускаемом во время взрыва, примерно 10–14 см, будь гамма-энергия сразу выявлена гамма-телескопами типа Fermi-LAT , к примеру.

Тридцать лет назад в небе была замечено распространяющееся во всех направлениях внезапное излучение с интенсивными короткими вспышками гамма-лучей, получившими название «гамма-всплесков» [15]и ставшими предметом многочисленных исследований. Установлено, что они бывают разных типов. Некоторые из них связаны с концом существования очень больших и тяжелых звезд и с их превращением в черные дыры. Остается выяснить, не связаны ли некоторые из них с концом существования самой черной дыры. Если мы сможем обнаружить следы взрыва черной дыры, то сможем и наблюдать и измерять прямой результат события, вызванного квантовой гравитацией. Это смелая мысль, и она может не оправдаться – если, к примеру, ранняя Вселенная не сформировала достаточно черных дыр, чтобы они взрывались сейчас. Но поиск начат, и мы ждем результатов.

С этим новым взглядом на черную дыру представление о времени становится головокружительным, перед глазами появляется нечто вроде приемного отверстия или «насоса времени», способного втянуть частицу в начале существования Вселенной и выплюнуть ее через 13 миллиардов лет, тогда как за этот срок в самом насосе на часах прошло лишь несколько секунд. Как принять идею сосуществования во Вселенной столь разных течений времени, столь разных времен?

6. Времени не существует

После длинного отступления о пространстве настал момент прицельно поговорить о времени. За десять лет до того как создать общую теорию относительности, Эйнштейн открыл, что пространство и время – не две различные сущности, а скорее два аспекта одного и того же единства. Это открытие называется специальной относительностью или специальной теорией относительности. Мы привыкли думать, что два события (к примеру, прибытие Христофора Колумба в Америку и смерть Джона Леннона) всегда сопоставлены во времени, принадлежат к одному его порядку, то есть одно произошло раньше, а другое позже. Мы привыкли думать, что время – вещь универсальная, и поэтому вопрос «А что происходит сейчас в другом уголке Вселенной?» имеет смысл. Но это не так.

Относительность времени

Наиболее яркая иллюстрация относительности времени – это так называемый парадокс близнецов, хотя в нем и нет ничего парадоксального. Если один из близнецов путешествует с большой скоростью и удаляется от другого, а потом возвращается, то при встрече они оказываются разного возраста. Тот, кто никогда не менял скорость, будет старше, точно так же как в случае двух путей между двумя городами короче тот, который нигде не поворачивает. Это не парадокс, это следствие того, как устроен наш мир. Время – это не абсолютное «содержащее», в котором что-то происходит с объектами; время есть у каждого объекта и зависит от его движения. Единственное парадоксальное во всем этом то, что у нас нет привычки наблюдать за подобными несовпадениями, потому что по нашим меркам они слишком малы. Нам они кажутся противоречащими непосредственной интуиции, но тем не менее именно так все и обстоит. Были проведены эксперименты, правда, не с близнецами, а с одинаковыми и очень точными часами, находящимися на скоростных самолетах. И всегда оказывалось, что мир работает так, как понимал Эйнштейн: на часах было разное время, когда они опять оказывались рядом.