Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Уильям Хокинг

дырой, родилась более двухсот лет тому назад, хотя сам термин «черная дыра» был введен в 1967 году американским физиком Джоном Уилером. Это был гениальный ход: уже само имя гарантировало, что черные дыры станут непременным атрибутом научно-фантастической литературы. Для исследователей тоже был прок: объекты, которые раньше именовались как попало, получили звучное имя. А в науке очень важно дать хорошее имя тому, что вы собираетесь исследовать.

Насколько я знаю, первый человек, который заговорил о черных дырах, был Джон Митчелл, ученый из Кембриджа. Он написал статью об этом в 1783 году. Представьте, что вы стреляете из пушки вертикально вверх с поверхности Земли. Полет ядра, стремящегося вверх, будет замедляться силами гравитации. В конце концов оно прекратит полет и упадет обратно на Землю. Если же ядро отправится в полет со скоростью, превышающей некую критическую скорость, оно никогда не остановит своего полета и не упадет, а продолжит улетать прочь. Эта критическая скорость называется скоростью убегания. Для Земли эта скорость равна примерно одиннадцать, а для Солнца – сто шестьдесят километров в секунду. Обе эти скорости превышают возможную скорость полета пушечного ядра, но они намного меньше скорости света, которая составляет 300 000 кмс. Это означает, что гравитация не сильно влияет на свет: свет без труда покидает и Землю, и Солнце. Но Митчелл рассуждал так: возможно, существуют звезды, которые существенно массивнее и гораздо меньше по размерам, так что скорость убегания от них превышает скорость света. Мы не сможем увидеть такую звезду, потому что свет с ее поверхности не дойдет до нас – его вернет назад гравитационное поле звезды. Однако мы в состоянии обнаружить присутствие такой звезды по влиянию ее гравитационного поля на окружающее вещество.

Конечно, свет – это вам не пушечное ядро. Эксперимент, проведенный в 1897 году, показал, что свет движется всегда с постоянной скоростью. Каким же образом притяжение может затормозить свет? Стройная теория о влиянии гравитации на свет появилась только в 1915 году, когда Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности (ОТО). Однако возможности ее применения к старым звездам и другим массивным телам осознали только в 1960-е годы.

Согласно ОТО пространство и время совместно можно рассматривать как четырехмерное пространство, называемое пространством-временем. Это пространство не является плоским: оно искривлено, или изогнуто, находящимися в нем веществом и энергией. Мы замечаем эту кривизну, наблюдая отклонения света или радиоволн, которые проходят мимо Солнца в направлении к Земле. Когда свет проходит мимо Солнца, он очень мало отклоняется от прямого пути. Однако если бы Солнце сжалось до нескольких километров в поперечнике, отклонение было бы настолько большим, что свет не смог бы покинуть Солнце, а был бы притянут к нему его гравитационным полем. Согласно теории относительности ничто не может двигаться быстрее скорости света; поэтому появится такая область, которую никто и ничто не сможет покинуть. Эта область и называется черной дырой, а ее граница – горизонтом событий. Этот горизонт создается светом, который не в силах покинуть черную дыру и поэтому «парит» на этом горизонте.

Может показаться смешным, что Солнце могло бы сжаться до нескольких километров в диаметре. Неужели материя может так сильно сжиматься? Оказывается, может.

Солнце такое большое, потому что оно такое горячее. Оно превращает водород в гелий, как это происходит в водородной бомбе. Тепло, выделяемое при этом, создает давление, позволяющее Солнцу противостоять собственной гравитации, которая стремится его сжать.

Запас ядерного топлива на Солнце когда-нибудь закончится. Но не торопитесь заказывать билеты на другие звезды: Солнце будет радовать нас еще примерно пять миллиардов лет. Однако звезды массивнее Солнца сожгут свое горючее гораздо быстрее. Как только звездная топка погаснет, звезда сразу начнет остывать и сжиматься. Если ее масса не превышает двух масс Солнца, когда-нибудь она прекратит сжиматься и будет пребывать в стабильном состоянии. Одно из таких состояний называется белым карликом. Такой карлик имеет радиус несколько тысяч километров и плотность несколько сотен тонн на кубический сантиметр. Другое возможное состояние – нейтронная звезда. Радиус нейтронной звезды составляет порядка десяти километров, а плотность – миллионы тонн на кубический сантиметр.

В нашей Галактике по соседству мы можем наблюдать множество белых карликов. Нейтронные звезды удалось обнаружить только в 1967 году, когда Джоселин Белл и Энтони Хьюиш в Кембридже открыли объекты, названные пульсарами. Эти объекты излучали регулярные импульсы на радиочастотах. Вначале ученые подумали, что установили контакт с внеземной цивилизацией. Я помню, что конференц-зал, в котором они рассказывали о своем открытии, был украшен фигурками «маленьких зеленых человечков». Но в конце концов все пришли к менее романтическому выводу: обнаруженные объекты оказались вращающимися нейтронными звездами. Это было плохой новостью для авторов космических вестернов, но хорошей новостью для нас, ученых, которые верили в существование черных дыр. Если звезда может сжаться до радиуса в десять или двадцать километров, чтобы стать нейтронной звездой, то тогда от других звезд можно ожидать, что они сожмутся до черной дыры.

Из звезды с массой более двух солнечных масс не получится ни белого карлика, ни нейтронной звезды. Иногда звезда может взорваться и сбросить лишний вес. Но такое случается редко. Некоторые звезды сожмутся чрезвычайно, и их гравитационное поле будет искривлять свет настолько, что он будет возвращаться на звезду. Ни свет, ни что-либо другое не вырвется за пределы звездного притяжения. Звезда станет черной дырой.

Законы физики симметричны относительно направления времени. Поэтому если существуют черные дыры, в которые все проваливается, но из которых ничего не выбирается, должны быть и другие объекты, которые настроены только на «выход», а «вход» в них закрыт. Вполне можно назвать такие объекты белыми дырами. Можно пофантазировать и представить себе, как мы прыгаем в черную дыру в одном месте, а вылетаем из белой дыры в другом. Это был бы самый лучший способ путешествовать на дальние расстояния, о чем мы упоминали раньше. Все, что остается сделать, дабы отправиться в такое путешествие, – отыскать ближайшую черную дыру.

Вначале такие космические путешествия не выглядели как нечто невероятное. Существуют решения уравнений ОТО, которые предполагают возможность входа в черную дыру и последующего выхода из белой дыры. Однако позднее было показано, что все эти решения являются очень неустойчивыми: малейшее возмущение, например, от самого космического корабля, и «кротовая нора» разрушится (кротовая нора – переход, ведущий из черной дыры в белую). Космический корабль будет разорван в клочья бесконечно мощными силами. Путешествие в бочонке, летящем вниз с водопада Ниагара, лишь бледное подобие того, что вас может ожидать в кротовой норе[46].

Иллюзии разрушились. Черные дыры могут пригодиться