Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

С. Хокинг . Черные дыры и младенцы-вселенные

Когда говорят о творческом наследии Хокинга, первым делом упоминают о его гипотезе квантового испарения черных дыр.

Свой рассказ о бездонных провалах Вселенной Хокинг всегда начинал с истории становления Общей теории относительности (ОТО). Дело в том, что Давид Гильберт вывел уравнения гравитационного поля почти одновременно с Эйнштейном, который опередил его всего лишь на пару недель. Поэтому, хотя Гильберт исходил из идей Эйнштейна, главные уравнения общей теории относительности называют уравнениями Гильберта — Эйнштейна. Сам Гильберт всегда подчеркивал приоритет Эйнштейна в создании ОТО. Уравнения Гильберта — Эйнштейна устанавливают количественную связь сил всемирного тяготения с кривизной пространства. Оказалось, что там, где есть поле тяготения, пространство всегда искривлено. И наоборот, пространственная кривизна проявляется в виде сил гравитации. Материальные тела как бы прогибают пространство и катятся по образовавшимся впадинам, минуя выпуклости. И вот что замечательно: из уравнений следует, что искривлено не только пространство, но и… время! Можно сказать, что темп его течения зависит от конкретных физических условий, и он разный в различных областях пространства. В перепадах гравитационных полей время может замедляться, почти замирать или резко ускоряться.

В конце тридцатых годов прошлого века знаменитый впоследствии своим участием в Атомном проекте физик Роберт Оппенгеймер выдвинул гипотезу о том, что ядро массивной звезды будет безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого описываются поверхностью Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь застывшей звездой коллапсара. Но поскольку такой объект не должен излучать электромагнитные волны, то и обнаружить его в космосе будет невероятно трудно. Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, и происходящие внутри застывшей звезды физические процессы не могут влиять на ее окружение. В то же время вещество и излучение, падающие снаружи на коллапсар, свободно проникают внутрь через его горизонт.

Строение черной дыры

Можно сказать, что гравитационный коллапсар все поглощает и почти ничего не выпускает. Собственно говоря, в этом и состоит смысл термина «черная дыра».

Внутри черной дыры располагается нечто грандиозное и загадочное, называемое сингулярностью. Само по себе понятие сингулярность очень трудно сопоставить с реалиями нашей жизни. Слово singularis в переводе с латыни означает «единственный» или «особенный» (отсюда в музыке «сингл» — одна песня).

Сингулярности возникают, когда звезды находятся в конце жизненного пути, когда ослабевают их внутренние силы. Тогда тяжесть внешней оболочки затухающего светила выигрывает борьбу с потоком ядерного излучения, и звезда начинает стремительно обрушиваться внутрь самой себя. Это звездное «схлопывание» называют гравитационным коллапсом, от латинского collapsus — упавший. В этом случае на месте звезды возникает «гравитационный коллапсар», или черная дыра, иногда ее называют более поэтично — застывшая (замерзшая, темная) звезда.

Плотность сингулярности настолько велика, что в ней нарушаются все физические уравнения. Хокинг называл сингулярные решения, когда они встречались в его моделях Космоса, «проклятием бесконечностей». Избавиться от этого физико-математического недоразумения очень трудно. Эта грандиозная задача не решена до сих пор, Хокинг полагал ее делом науки далекого будущего.

По идее черная дыра должна полностью оправдывать свое название, ведь свет вместе с засасываемой в воронку массой будет закручиваться в замкнутые спирали и навсегда пропадать для внешнего наблюдателя. При этом излучение никак не может вырваться за пределы некоторого горизонта событий. Поэтому одинокую застывшую звезду практически невозможно обнаружить на небосклоне. Другое дело, если рядом с коллапсаром оказываются газопылевые облака, звезды и планеты. Тогда черная дыра начинает прожорливо поглощать все попадающее в ее гравитационные щупальца. Единственное, что при этом остается, — рентгеновское излучение, возникающее при падении космического вещества в бездонный водоворот воронки коллапсара.

Никто еще не видел черную дыру, но астрономы уже давно говорят о застывших звездах как реальных небесных телах. Экзотические коллапсары стали еще более популярными после того, как в семидесятых годах ушедшего столетия видный теоретик Кип Торн опубликовал научно-фантастическую гипотезу о существовании вселенской сети из белых и черных дыр. Белые дыры представлялись вывернутыми наизнанку черными и должны наблюдаться как вспышки космического излучения. Торн предлагал рассмотреть коллапсары, приводящие к «короткому замыканию» пространства и времени. По подпространственным каналам, тянущимся от этих дыр, как по червоточинам, могли бы путешествовать звездолеты будущего, добираясь до самых дальних уголков Метагалактики.

Хокинг одним из первых стал рассматривать историю нашего Мира с началом в крайне загадочной точке пространства-времени под названием «космологическая сингулярность». Эта точка сингулярности соответствует воображаемому начальному моменту расширения наблюдаемой Вселенной — Метагалактики. В этой точке начальное состояние материи характеризовалось совершенно непонятной плотностью энергии, стремящейся к бесконечности. Естественно, бесконечность — понятие математическое, в нашем случае оно просто ограничивает схемы развития Вселенной, которые ученые называют космологическими сценариями. Что происходит в области космологической сингулярности (да и существует ли она в реальности?), не знает никто, но логично предположить, что там становятся неприменимы многие законы привычного для нас Мира, описываемые теорией относительности и квантовой физикой.

Что же может таиться в космологической сингулярности и как ее исследовать?

Для ответа на этот вопрос предлагалось немало самых удивительных гипотез рождения Мироздания. Трудно даже перечислить всех физиков, астрономов и космологов, предложивших здесь свои оригинальные идеи. Среди них выделяется оригинальностью подход Стивена Хокинга и Роджера Пенроуза. Фактически они попробовали исключить космологическую сингулярность, считая, что в нулевой момент времени происходит некий «фазовый» переход пространства-времени, и предыдущая вселенная превращается в наш Мир.