Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Уравнения общей относительности очень сложны. Например, они включают десять уравнений, которые Эйнштейн вывел только для описания закона обратных квадратов. Из-за этой сложности рассчитать форму пространства-времени вблизи реально существующего тела очень тяжело. Но Шварцшильд сделал несколько упрощающих предположений, которые придали эйнштейновским уравнениям более простую и управляемую форму и позволили Шварцшильду решить их.

Решение Шварцшильда описывало форму искривлённого пространства-времени вблизи локализованной массы, например звезды. Эйнштейн был поражён. «Я не ожидал, что кто-то сумеет сформулировать настолько простое решение этой задачи», — писал он Шварцшильду.

В частности, Шварцшильд продемонстрировал, что, если достаточное количество массы сжать до небольшого объёма, пространство-время искривится настолько, что превратится в бездонный колодец. Его стены будут такими крутыми, что любой луч света, пытающийся выбраться из него, в конце концов лишится всей своей энергии и погибнет. А без света такой участок пространства-времени окажется чернее ночи.

Шварцшильд не придумал названия для своего открытия. Его предложит американский физик Джон Уилер только в 1967 году. Но сегодня вряд ли можно найти человека, который не знает выражения «чёрная дыра». [193] Джона Уилера часто считают создателем термина «чёрная дыра», но на самом деле он всего лишь популяризовал его. «Осенью 1967 года [я присутствовал] на конференции по пульсарам, — писал он. — В своей речи я рассказал, что следует рассматривать возможность нахождения в центре пульсара гравитационно сколлапсировавшего объекта. Но постоянно произносить “гравитационно сколлапсировавший объект” было трудно, и мне требовалось более короткое определение. “Может, назовём его чёрной дырой?” — спросил кто-то из аудитории. Я много месяцев пытался придумать нужный термин и думал о нём постоянно — в постели, в ванне, в машине, каждую свободную секунду. Но это неожиданное предложение показалось мне отличным вариантом. Когда… 29 декабря 1967 года я выступал с более формальной лекцией для “Сигма-Фи-Бета-Каппа”, я использовал этот вариант, а затем включил его в печатную версию лекции, опубликованную весной 1968 года». Wheeler J., Ford K. Geons, Black Holes & Quantum Foam. — New York: W. W. Norton, 2000. — P. 296. Именно её и описал Шварцшильд в своём решении. [194] Решение Карла Шварцшильда было применимо к «невращающейся» чёрной дыре. Но все небесные тела вращаются. Тем не менее расчёт искривления пространства-времени реальной (вращающейся) чёрной дырой был осуществлён новозеландским физиком Роем Керром лишь в 1963 году, почти через полвека после публикации общей теории относительности Эйнштейна.

Судьба Шварцшильда была трагической. Вместе с армией он оказался на территории России, где у него развился пемфигус , редкое и опасное аутоиммунное заболевание (болезнь, при которой иммунная система начинает атаковать здоровые ткани организма). При пемфигусе на коже и слизистой рта, носа и горла, а также на половых органах и анусе появляются болезненные волдыри. Причина возникновения этой болезни неизвестна, хотя считается, что её могут вызывать факторы наследственности и среды. Лекарства от неё тоже не существует, хотя современные препараты с кортикостероидами позволяют облегчить симптомы. Если в волдырь попадает инфекция, она быстро проникает в кровь и распространяется по всему телу. Именно это произошло со Шварцшильдом. В марте 1916 года его отправили с фронта в Берлин, но всего через два месяца, 11 мая, он умер. Ему было 42 года.

Чёрные дыры Шварцшильда имеют так называемый горизонт событий. Материя или свет, пересекающий его, больше не могут вырваться назад. Измерив горизонт событий, можно понять размер чёрной дыры. Для того чтобы в неё превратилось наше Солнце, ему нужно сжаться до сферы радиусом три километра. Для Земли «радиус Шварцшильда» составил бы всего два сантиметра. К счастью для нас, ни Земля, ни Солнце не имеют достаточной массы, чтобы однажды превратиться в чёрные дыры под влиянием собственной гравитации.

Но если очень массивная звезда сколлапсирует в пределах своего горизонта событий (то есть пропадёт из виду для всей остальной Вселенной), гравитация продолжит сжимать её до тех пор, пока от звезды не останется лишь крошечная точка. После исчезновения звезды на её месте окажется лишь бездонный колодец из искривлённого пространства-времени. «Чёрные дыры — это самые совершенные макроскопические объекты во Вселенной, ведь они состоят только из времени и пространства», — говорил лауреат Нобелевской премии из Индии Субраманьян Чандрасекар. [195] Вид чёрной дыры не зависит от того, из какой звезды она сформировалась. Все чёрные дыры имеют три основные характеристики: массу, скорость вращения и электрический заряд. Крупные объекты обычно обладают отрицательным и положительным зарядом в равном объёме, что делает их нейтральными, поэтому на практике можно сказать, что чёрные дыры характеризуются лишь массой и скоростью вращения. Как пишет американский физик Джон Уилер, «у чёрной дыры нет волос». Иными словами, наблюдая за её поверхностью, мы не сможем ничего выяснить о событиях, приведших к её появлению.

В центре чёрной дыры материя, из которой состояла звезда, сжимается до бесконечной плотности, а искривлённость пространства и времени и сила гравитации принимают бесконечно высокие значения. [196] Изначально Шварцшильд полагал, что сингулярность находится на границе чёрной дыры. Затем оказалось, что это была всего лишь ошибка использованной им системы координат. На самом деле сингулярность располагается в самом центре чёрной дыры. Как говорил американский драматург и писатель Стивен Райт, «чёрные дыры — это места, где Бог разделил на ноль». Появление такой сингулярности в любой теории означает, что она больше не имеет отношения к реальности.

Комментируя работу Шварцшильда о чёрных дырах, Эйнштейн сказал: «Если бы эти результаты были верны, это означало бы настоящую катастрофу». И ни Эйнштейн, ни даже сам Шварцшильд ни на секунду не верили в их подлинность. Ни одному из них не приходила в голову мысль, что уравнение для чёрных дыр может описывать реально существующие во Вселенной объекты.

Те немногие, которые поверили в это, тоже не особо волновались. Запасы энергии в любой звезде конечны, и когда энергия заканчивается, свечение звёзды погасает и звезда начинает коллапсировать под воздействием гравитации. Но наверняка должна существовать какая-то сила, которая останавливает этот процесс. Природа просто не может допустить существования такой жуткой вещи, как сингулярность.