Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

Мера измерения силы, с которой тяготение действует на тело, – это скорость, с которой должно лететь метаемое тело, чтобы вырваться за пределы притяжения. Для Земли эта скорость составляет 11,2 км/с. По сравнению со скоростью света – 300 000 км/с – это ничтожная скорость, но и ее достижение – задача большой сложности для инженеров-ракетчиков, вынужденных использовать химическое топливо, лишь миллиардная доля так называемой энергии массы покоя (mc 2Эйнштейна – см. главу 4) которого трансформируется в эффективную мощность. Скорость убегания с поверхности Солнца составляет 600 км/с – и это всего лишь пятая часть 1 % скорости света.

Теория Ньютона с очень небольшими поправками работает во всей Солнечной системе. Но когда тяготение становится намного сильнее, мы должны приготовиться к сюрпризам. Астрономы нашли такие места – это, к примеру, нейтронные звезды. Такие сверхплотные объекты получаются после взрыва сверхновых (что мы обсудим в следующей главе). Нейтронные звезды обычно в 1,4 раза тяжелее Солнца, но имеют диаметр всего около 20 км. На их поверхности сила тяготения в миллион миллионов раз выше, чем на Земле. Чтобы приподняться на миллиметр над поверхностью нейтронной звезды, нужно больше энергии, чем на то, чтобы вырваться из земного тяготения. Ручка, брошенная с высоты 1 м при таком притяжении, оказала бы воздействие, сравнимое с взрывом тонны тринитротолуола (хотя на самом деле огромная сила тяготения на поверхности нейтронной звезды, разумеется, мгновенно расплющила бы подобные объекты). Брошенному телу понадобилось бы набрать половину скорости света, чтобы покинуть гравитационное поле такой звезды. И наоборот, любой предмет, свободно падающий на нейтронную звезду с большой высоты, столкнулся бы с ее поверхностью на скорости, превышающей половину скорости света.

Теория Ньютона не работает с такой мощной гравитацией, какая возникает вокруг нейтронных звезд, здесь нужна ОТО Эйнштейна. Часы около поверхности такой звезды будут идти на 10–20 % медленнее. Свет, идущий с ее поверхности, будет сильно искривляться, поэтому, глядя издалека, вы увидите не просто полусферу, но и часть задней поверхности нейтронной звезды.

Тело в несколько раз меньше или в несколько раз тяжелее нейтронной звезды поглотит весь свет поблизости и станет черной дырой. Пространство вокруг нее будет «сворачиваться». Если Солнце сжать так, чтобы его радиус был равен 3 км, оно станет черной дырой. К счастью, Вселенная уже «провела» такие эксперименты за нас: известно, что в космосе имеются объекты, которые схлопнулись и отрезали себя от окружающего мира.

В нашей Галактике есть много миллионов черных дыр, масса которых примерно в десять раз больше солнечной. Эти черные дыры являются окончательным состоянием массивных звезд или результатом их столкновений. Когда такие объекты «изолированы» в пространстве, их очень трудно обнаружить. Это можно сделать, только наблюдая за гравитационным воздействием, которое они оказывают на другие тела или лучи света, проходящие близко от них. Легче найти те черные дыры, которые вместе с вращающейся вокруг них обычной звездой образуют двойные системы. Метод обнаружения здесь похож на тот, который используется, чтобы высчитать наличие планет по их влиянию на движение звезды, вокруг которой они вращаются. В случае с черными дырами задача упрощается, поскольку видимая звезда имеет массу меньше, чем у темного объекта (вместо того чтобы быть в тысячу или более раз тяжелее, как звезда по сравнению с планетой), и поэтому обращается по более широкой и быстрой орбите.

Астрономы всегда особенно интересуются самыми «предельными» явлениями в космосе, потому что, изучая их, мы с большей степенью вероятности узнаем что-нибудь качественно новое. Возможно, самым значительным из всех является удивительно мощное излучение, которое называется «гамма-всплеском». Эти явления, такие мощные, что на несколько секунд затмевают миллион галактик с их звездами, возможно, указывают на черные дыры в момент их образования.

Самые большие черные дыры находятся в центрах галактик. Мы обнаруживаем их присутствие, наблюдая интенсивное свечение окружающего их газа или обнаруживая очень быстрое движение звезд, проходящих неподалеку от них. Звезды, находящиеся очень близко от центра нашей собственной Галактики, обращаются вокруг него очень быстро, как будто испытывают воздействие силы тяготения от темной массы – черной дыры, которая эквивалентна по массе 2,5 млн Солнц [10] Современное значение ближе к 4 млн масс Солнца. – Прим. науч. ред. . Размер черной дыры пропорционален ее массе, соответственно, черная дыра в центре нашей Галактики имеет радиус 6 млн км. Некоторые из самых чудовищных черных дыр, находящихся в центрах других галактик, весят как несколько миллиардов Солнц, а по размеру огромны, как целая Солнечная система. Тем не менее по сравнению с галактиками, в центре которых они находятся, черные дыры очень невелики.

Какими бы необычными и непознаваемыми визуально ни были черные дыры, их на самом деле проще описать, чем любые другие небесные объекты. Структура Земли зависит от ее эволюции и состава; планеты такого же размера, обращающиеся вокруг других звезд, разумеется, будут во многом отличны от Земли. А Солнце, по существу являющееся огромным шаром постоянно испытывающего вихревое движение раскаленного газа, выглядело бы по-другому, если бы состояло из других атомов. Но черная дыра «теряет всю память» о том, как она сформировалась, и быстро приходит к «штатному» гладкому состоянию, которое описывается всего двумя величинами: сколько массы она смогла поглотить и как быстро вращается. В 1963 г., задолго до того, как появились доказательства существования черных дыр, – даже до того, как американский физик Джон Арчибальд Уилер предложил само название «черная дыра» [11] Уилер лишь популяризировал термин, предложенный журналисткой Энн Юинг. – Прим. науч. ред. , – теоретик из Новой Зеландии Рой Керр получил решение уравнений Эйнштейна для вращающегося объекта. Позже работы других ученых привели к потрясающему результату – все , что схлопывается (коллапсирует), превращается в черную дыру, которую точно описывает формула Керра. Черные дыры стандартизированы так же хорошо, как элементарные частицы. Теория Эйнштейна точно говорит нам, как они искажают пространство и время и какую форму имеет их «поверхность».

Относительно черных дыр наши представления о пространстве и времени терпят крах. Свет движется по прямому пути, но в сильно искривленном пространстве он может оказаться сложным завитком. Также около черных дыр время идет очень медленно (даже медленнее, чем около нейтронных звезд). Напротив, если вы сможете зависнуть около черной дыры или выйти на ее орбиту, вы увидите, как вся внешняя вселенная ускорится. Вокруг черной дыры существует четкая граница, где для находящегося на безопасном расстоянии наблюдателя стрелки часов (или падающий экспериментатор внутри границы) будут казаться застывшими, поскольку временно́е растяжение станет почти бесконечным.