Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Плавание началось при плохой погоде, и корабль шёл на вполовину меньшей скорости, чем нужно. Но у Адена появилось солнце, а когда судно проходило через Суэцкий канал, Чандрасекар даже смог выйти из каюты, в которой находился почти всё время из-за морской болезни.

Представляю, как странно он выглядел, выходя на палубу с огромной стопкой книг по квантовой теории и астрофизике. Вспотев, еле добравшись до шезлонгов, он сваливает книги на один из них и сам в изнеможении падает на другой. Соотечественники, прогуливающиеся мимо, бросают на него удивлённые взгляды. За всё плавание он ни разу не пытался заговорить с ними и знает, что его считают нелюдимым, а может, и заносчивым. Но ему нет до этого дела. Наконец-то у него есть время, чтобы спокойно подумать. За бортом проплывают пески Синайского полуострова, ветер пустыни обжигает ему лицо, а он размышляет о белых карликах. Голова Чандрасекара занята одним вопросом: являются ли электроны в белом карлике релятивистскими? Закопавшись с головой в книги и бумаги, он создаёт формулу, которая объединит звёздную материю с квантовым поведением электронов при крайне высокой плотности. Он играет всеми известными ему значениями, пока наконец правильная комбинация не даёт ему ответ. Он проверяет его снова и снова, но сомнений нет. Электроны внутри белого карлика должны двигаться со скоростью, превышающей половину скорости света. На таких скоростях должны возникать явления, предусмотренные специальной теорией относительности. Говоря научным языком, эти электроны должны быть релятивистскими.

Мы говорим о невероятных скоростях: более 150 000 километров в секунду. Но для Чандрасекара самым важным было не это. Квантовой теории оказалось недостаточно для понимания белых карликов. Чтобы теория была правильной, в неё нужно было включить специальную теорию относительности.

Ночью всё небо было усыпано звёздами, но никому из пассажиров не приходило в голову, что странный молодой человек, увлечённый своими записями настолько, что иногда забывал поесть, прямо сейчас рассчитывает, что происходит внутри этих звёзд. Его тело оставалось на палубе корабля, но его дух витал сейчас где-то в космосе среди умирающих солнц.

У Чандрасекара ушло совсем немного времени на то, чтобы разработать релятивистскую теорию белых карликов. Так же быстро он открыл и ещё одно явление, неожиданное и необычное, если не сказать пугающее.

Чем большей массой обладает белый карлик, тем сильнее гравитация сжимает электроны внутри него и тем быстрее они движутся. Однако теория относительности Эйнштейна устанавливает предел скорости их движения — скорость света. Когда электроны достигают космического предела скорости, они становятся всё более и более массивными и набирать скорость им оказывается всё труднее и труднее. Здесь-то и возникает проблема. Именно постоянное движение электронов препятствует тому, что гравитация сожмёт звезду в одну точку. Если же под давлением гравитации электроны постепенно снижают свою скорость, то и сопротивление гравитации уменьшается. Молодой индийский математик, лежащий на шезлонге на палубе корабля и глядящий в небо, видел в нём надвигающуюся катастрофу, словно огни поезда, мчащегося прямо на него.

Белый карлик, в котором электроны сдерживают напор гравитации, похож на бейсбольный мяч, сжатый рукой игрока. Но когда порог массы оказывается преодолён, всё изменяется. Вместо мяча в ладони бейсболиста оказывается шарик зефира.

Чандрасекар проводил свои расчёты снова и снова, проверяя и перепроверяя их, ища в них ошибку. Но её не было. Если к концу жизни звезды её масса превышает массу Солнца более чем в 1,4 раза, давления от вырождения электронов оказывается недостаточно. Под воздействием гравитации происходит катастрофическое сжатие, и никакая сила во Вселенной не может его остановить. Ужасающей сингулярности нельзя избежать.

Ещё через два года, в 1932 году, английский физик Джеймс Чедвик обнаружил частицу, равную по массе положительно заряженному протону, но не имеющую электрического заряда. Открытый им нейтрон дополнил структуру атома. Отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг очень плотного ядра, которое состоит из протонов и нейтронов и составляет 99,9% атомной массы. Исключение составляет атом водорода, самого лёгкого элемента, ядро которого содержит лишь один протон.

Открытие Чедвика имело огромные последствия для понимания процессов в звёздах, масса которых превышает «предел Чандрасекара», то есть 1,4 солнечной массы. Да, их внутренности действительно превращаются в мягкий зефир, а гравитация сжимает их до бесконечно малого состояния. Но это не всё, что происходит в подобных звёздах. В какой-то момент электроны оказываются вжатыми в ядра, где они вступают в реакцию с протонами и образуют нейтроны.

Нейтроны, как и электроны, являются фермионами, а нейтронный газ, так же как и электронный, даёт звезде достаточно сил для сопротивления гравитации. Но нейтроны гораздо меньше атомов, поэтому вместо белого карлика размером с планету Земля появляется клубок нейтронов размером с Эверест. Материал, из которого состоит этот нейтрон, будет таким плотным, что кубик его размером с кусок сахара будет весить столько же, сколько всё человечество, вместе взятое.

В 1940-х годах британский астроном Фред Хойл предположил, что единственным возможным источником энергии для появления сверхновой (звёздной вспышки, такой яркой, что она может затмить свет галактики из 100 миллиардов звёзд) является гравитационная энергия, высвобождающаяся в тот момент, когда обычная звезда превращается в нейтронную. Но обнаружить нейтронные звёзды удалось лишь в 1967 году, когда выпускница Кембриджа Джоселин Белл открыла первый пульсар. [203] Несмотря на то что за работу над пульсарами были вручены три Нобелевские премии по физике, ни одну из них не получила первооткрывательница пульсаров Джоселин Белл.

Несмотря на то что «давление вырождения электронов» стабилизирует нейтронные звёзды и не даёт им сколлапсировать под воздействием гравитации, у таких звёзд имеется та же ахиллесова пята, что и у белых карликов. Это релятивистские звёзды — частицы, из которых они состоят, движутся почти со скоростью света. Соответственно, после преодоления какого-то предела массы даже вещество нейтронной звезды начинает размягчаться.

Физика нейтронов, которые удерживают вместе ядерные силы, гораздо более сложна, чем физика электронов, которые взаимодействуют за счёт электромагнитных сил. Поэтому максимальная масса нейтронной звезды определена не так точно, как предел Чандрасекара. Впервые её рассчитал российский физик Лев Ландау в 1932 году, и считается, что она в три раза превышает массу Солнца. Если звезда проходит этот порог, то никакая сила во Вселенной не может спасти её от коллапса и превращения в сингулярность.