Стивен Габсер - Маленькая книга о большой теории струн

Вероятно, в центре нашей Галактики находится чёрная дыра. Считается, что масса этой чёрной дыры составляет около четырёх миллионов масс Солнца. С точки зрения земного наблюдателя, центр Галактики находится в направлении созвездия Стрельца на расстоянии около 26 000 световых лет от нас. Реальные размеры чёрной дыры гораздо меньше, чем изображённая на рисунке область вокруг неё, свободная от звёзд

Если крюк и выдержит, верёвка наверняка либо порвётся, либо будет растягиваться до тех пор, пока скалолаз не треснется о сингулярность. Если это случится, возникнет, наверное, самая катастрофическая коллизия, какую только можно вообразить, но мы об этом никогда не узнаем, потому что никто, кроме самого скалолаза, не сможет этого наблюдать. Ведь ни один луч света не может покинуть внутренности чёрной дыры.

Главное, что следует уяснить, — гравитационные силы, действующие внутри чёрной дыры, абсолютно непреодолимы. После пересечения горизонта у нашего незадачливого скалолаза не больше шансов остановить своё падение, чем остановить время. И тем не менее ему не будет больно до тех пор, пока он не достигнет сингулярности, потому что весь путь он проделает в пустом пространстве. Скалолаз будет ощущать невесомость, так же как я ощущал её, падая с Криогеникса. Это важнейшее фундаментальное положение общей теории относительности: падающий в гравитационном поле наблюдатель ощущает в точности то же, что и наблюдатель, находящийся в пустом пространстве.

Вот ещё одна аналогия, которая поможет понять ситуацию. Представьте себе горное озеро, из которого вытекает стремительный поток, заканчивающийся водопадом. Рыбы, живущие в озере, знают, что не следует подплывать слишком близко к водопаду, потому что если их унесёт потоком, то им уже никогда не вернуться обратно в озеро. Неразумная рыба, позволившая потоку утащить себя из озера, не почувствует никакой разницы по сравнению с плаванием в озере (по крайней мере, не сразу), но у неё не будет иного выбора, кроме как падать вниз вместе с окружающей её водой. Озеро здесь выступает в качестве пространства снаружи горизонта, а водопад — в качестве внутреннего пространства чёрной дыры. Сингулярность же встретит рыбу в образе камня на дне водопада, достигнув которого рыба найдёт свой мгновенный и кровавый конец. Можно предположить и другой исход: водопад плавно переходит в горизонтальный поток, который вливается в другое озеро, где рыба продолжит сытую и счастливую жизнь. Точно так же и в центре чёрной дыры вместо сингулярности может оказаться туннель, ведущий в другую вселенную. Всё это кажется весьма надуманным, но учитывая, что мы ничего не знаем о природе сингулярности в центре чёрной дыры, полностью исключать такую возможность нельзя.

Астрофизики сделают важную поправку к моему утверждению о том, что скалолаз ничего не чувствует, падая в чёрную дыру. Эта поправка связана с приливными силами. Приливные силы называются так из-за того, что вызывают приливы и отливы. Луна притягивает к себе предметы, находящиеся на обращённой к ней стороне Земли, сильнее, чем на обратной.

Горизонт чёрной дыры — это точка невозврата. Звездолёт может подлететь сколь угодно близко к горизонту, развернуться и улететь обратно, но если звездолёт пересечёт горизонт, он уже никогда не сумеет вырваться наружу

Море поднимается на той стороне Земли, которая обращена к Луне. Но море также поднимается и на противоположной стороне, что может показаться нелогичным.

Проще всего объяснить это так: центр Земли притягивается Луной слабее, чем обращённая к Луне часть поверхности, а противоположная от Луны часть поверхности Земли притягивается слабее, чем центр. В результате Земля как бы растягивается лунным притяжением в направлении, соединяющем Землю и Луну.

Когда небесное тело, например звезда, приближается к чёрной дыре, она испытывает аналогичное воздействие: части звезды, находящиеся ближе к чёрной дыре, притягиваются ею сильнее, и звезду начинает растягивать в разные стороны. Приблизившаяся к горизонту чёрной дыры звезда в конечном итоге будет разорвана на куски. Разрывающие звезду силы складываются из приливных сил и сил, возникающих из-за вращения звезды вокруг чёрной дыры. Для простоты будем игнорировать вращение, а рассмотрим только падение звезды в чёрную дыру. Чтобы ещё больше упростить задачу, заменим звезду двумя свободно падающими наблюдателями, первоначально находящимися друг от друга на расстоянии, равном диаметру звезды. Траектории движения этих наблюдателей похожи на траектории движения ближайшей и наиболее удалённой от чёрной дыры частей поверхности звезды. Я буду называть наблюдателя, который находится ближе к чёрной дыре, ближним, а наблюдателя, который находится дальше, — дальним. Чёрная дыра притягивает ближнего наблюдателя сильнее, чем дальнего, потому что он находится на меньшем расстоянии от неё. Таким образом, ближний наблюдатель будет падать быстрее дальнего, в результате чего наблюдатели будут удаляться друг от друга по мере падения. С их точки зрения это будет выглядеть как действие некой силы, стремящейся растащить их. Очевидно, что приливные силы лишь отражают тот факт, что в каждый момент времени ближний наблюдатель притягивается чёрной дырой сильнее, чем дальний.

Приведу ещё одну аналогию. Представьте себе колонну автомобилей, медленно движущихся друг за другом. Когда первый автомобиль достигает места, где он может ускориться, он отрывается от следующих за ним. Второй автомобиль достигает того же места и ускоряется, но расстояние между ним и автомобилем, следующим впереди, продолжает увеличиваться. Примерно так же увеличивается расстояние между ближним и дальним наблюдателями, когда они начинают падать на чёрную дыру. Деформация звезды при падении в чёрную дыру — по существу то же самое явление, за исключением того, что для полностью реалистичного описания следовало бы дополнительно учитывать вращательное движение звезды вокруг чёрной дыры, а также замедление времени вблизи горизонта чёрной дыры.

Современные астрономы-наблюдатели ставят целью зафиксировать такие явления, как падения звезды в чёрную дыру или столкновения двух чёрных дыр. Ключевой идеей является попытка зарегистрировать всплеск гравитационного излучения, сопровождающий слияние двух массивных объектов. Гравитационное излучение — это не то, что вы можете наблюдать невооружённым глазом, поскольку глазами мы видим только свет. Гравитационное излучение — это нечто иное и более сложное. Гравитационная волна — это распространяющееся возмущение пространства-времени. Так же как и световая волна, гравитационная волна переносит энергию. Как и световая волна, гравитационная имеет определённую частоту. Свет состоит из фотонов — частиц, или квантов, света, а гравитационное излучение, как мы предполагаем, переносится квантами, называемыми гравитонами. Они подчиняются тому же соотношению между частотой и энергией, E = hv , что и фотоны. Как и фотоны, они движутся со скоростью света и не имеют массы.