Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Уильям Хокинг

звезд распространялся бы по прямой линии, если бы не кривизна пространства-времени, которая заставляет световые лучи изгибать свои траектории вблизи Солнца. Логично было бы предположить, что нам не дано увидеть звезды на небе, находящиеся за Солнцем. Но во время затмения, когда основная часть солнечного света блокируется Луной, мы можем наблюдать такие звезды. Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности во время Первой мировой войны, когда обстоятельства не слишком способствовали проведению научных экспериментов. Но сразу после нее состоялась британская экспедиция в Бразилию и Африку для наблюдения солнечного затмения 1919 года. Результаты ее подтвердили предсказания ОТО: пространство-время не плоское, оно искривлено материей и энергией, содержащимися в нем.

Это был величайший триумф Эйнштейна. Его открытие полностью изменило наши представления о пространстве-времени. Пространство и время перестали казаться нам пассивным фоном, на котором происходили те или иные события. Мы больше не могли относиться к ним как к некоей беспредельной и бесконечной субстанции, независимой от событий, имеющих место во Вселенной. Нет, теперь пространство и время стали динамическими величинами, влияющими на ход событий и, в свою очередь, подверженными влиянию событий, текущих в пространстве-времени.

Важнейшим свойством массы и энергии является то, что они всегда положительны[33]. Поэтому тела всегда притягиваются друг к другу за счет сил гравитации. Например, гравитация Земли притягивает нас к планете, где бы мы ни находились, здесь или на противоположной стороне земного шара. По этой причине жители Австралии не падают и не улетают в космическое пространство. По этой же причине гравитация Солнца удерживает планеты на круговых орбитах, благодаря чему Земля не улетает прочь в темные глубины межзвездного пространства. Согласно ОТО тот факт, что масса всегда положительна, означает, что пространство-время изогнуто само на себя. Представьте себе, например, поверхность Земли. Если бы масса была отрицательна, пространство-время было бы изогнуто по-другому, например, напоминало бы по форме седло. Такая положительная кривизна пространства-времени, отражающая свойство гравитации притягивать объекты, самим Эйнштейном рассматривалась как серьезная проблема. Ведь в его время Вселенная считалась стационарной. Но если пространство, и особенно время, изогнуты сами на себя, как могла бы Вселенная на протяжении вечности существовать в ее нынешнем состоянии?

Уравнения ОТО предсказывали, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Чтобы избавиться от противоречия, Эйнштейн ввел в свои уравнения дополнительную постоянную, связывающую массу и энергию во Вселенной с кривизной пространства-времени. Это космологическая постоянная[34], или лямбда-член, имеет отталкивающий гравитационный эффект. Таким образом достигался баланс между притяжением материи и отталкиванием за счет космологической постоянной. Другими словами, отрицательная кривизна пространства-времени, возникающая благодаря действию космологической постоянной, уравновешивала положительную кривизну пространства-времени, порождаемую массой и энергией во Вселенной. Так можно было создать модель Вселенной, остающейся незыблемой бесконечно долго. Если бы Эйнштейн не ввел постоянную в свои уравнения, он бы смог предсказать расширение или сжатие Вселенной. Как бы то ни было, никому и в голову не приходило, что Вселенная меняется, пока в 1929 году Эдвин Хаббл не совершил свое открытие. Он обнаружил, что далекие галактики удаляются от нас. Итак, Вселенная расширяется. Позднее Эйнштейн назвал космологическую постоянную величайшей ошибкой своей жизни.

С учетом или без учета космологической постоянной, тот факт, что материя вызывает искривление пространства-времени, оставался большой проблемой, хотя многие этого не осознавали. На самом деле из этого вытекало, что материя способна так изогнуть некую область во Вселенной, что она окажется полностью отрезанной от остальной Вселенной. Возникнет так называемая черная дыра. Разные объекты могут падать внутрь черной дыры, но никакие объекты или сигналы не смогут выбраться наружу. Для этого им пришлось бы лететь быстрее скорости света, что запрещено теорией относительности. Материя внутри черной дыры окажется в ловушке и будет коллапсировать (сжиматься) до состояния с очень высокой плотностью.

Эйнштейна очень смущали последствия, к которым может привести коллапс, и он отказывался признавать его возможность. Но в 1939 году Роберт Оппенгеймер показал, что старая звезда с массой более двух масс Солнца неизбежно будет коллапсировать после того, как исчерпает все запасы своего ядерного топлива. Затем разразилась война, Оппенгеймер оказался вовлеченным в проект создания атомной бомбы и утерял интерес к гравитационному коллапсу. Других же ученых больше интересовала физика, которая имела непосредственную связь с земной жизнью, а не с космосом. Физиков не волновали теоретические рассуждения на тему о том, что может произойти в глубинах Вселенной, поскольку это не поддавалось экспериментальной проверке. Однако в 1960-х годах благодаря достижениям наблюдательной астрономии интерес к гравитационному коллапсу и к явлениям, происходившим на ранних этапах возникновения Вселенной, возродился[35]. Какие именно сюрпризы может преподнести общая теория относительности в этих чрезвычайных ситуациях, оставалось неясным, пока мы с Роджером Пенроузом не доказали ряд теорем. Из наших теорем следовало, что искривление пространства-времени подразумевает наличие сингулярностей, таких мест во Вселенной, где пространство-время начинается или заканчивается. В частности, пространство-время имело начало в Большом взрыве, примерно пятнадцать миллиардов лет назад, и имеет конец для любой коллапсирующей звезды со всем ее окружением, втянутым в черную дыру, которая на месте этой звезды остается.

По сути, выяснилось, что если общая теория относительности Эйнштейна верна, она неизбежно приводит к появлению сингулярностей. Этот вывод вызвал переполох среди физиков. Сами уравнения ОТО, связывающие кривизну пространства-времени с распределением массы и энергии, не содержат сингулярности. Это означает, что ОТО не может предсказать, к чему сингулярность приведет. В частности, ОТО не может объяснить, как возникла Вселенная в Большом взрыве. Таким образом, ОТО не может считаться полной теорией. Нужны дополнительные возможности, которые позволили бы объяснить рождение Вселенной и процессы, происходящие во время коллапса материи под действием ее собственной гравитации.

Эти дополнительные возможности сумела предоставить квантовая механика. В 1905 году появилась статья Эйнштейна по специальной теории относительности. В этом же самом году Эйнштейн написал работу, посвященную такому явлению, как фотоэлектрический эффект. Наблюдения показывали, что определенные металлические поверхности испускали заряженные частицы при падении на них света. Озадачивало то, что при уменьшении интенсивности падающего света количество излучаемых частиц уменьшалось, но скорости частиц не изменялись. Эйнштейн показал, что это можно объяснить, если предположить, что свет распространяется в виде пакетов определенного размера, а не непрерывно, как считалось ранее. Идея о распространении света в виде пакетов, называемых квантами, была высказана несколькими годами ранее немецким физиком Максом Планком. Это похоже на покупку сахарного песка в супермаркете: россыпью он не продается, можно добыть лишь килограммовый пакет. Планк использовал идею квантов, чтобы объяснить, почему раскаленный докрасна кусок металла не испускает из себя бесконечное количество тепла. Но он относился к