Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Брайан Грин

Рис. 1. а) Батут с камнем по центру и муравей, изучающий на ощупь его форму. b) Пространство вокруг черной дыры. Вид из гиперпространства с бóльшим числом измерений, не являющегося частью нашей вселенной.

Рис. 2. а) Я падаю в черную дыру, передавая вам на ходу микроволновые сигналы. b) Искривление времени и движение пространства вокруг черной дыры.

Посмотрите на рисунок 2а. Предположим, я падаю в черную дыру и передаю вам наружу микроволновые сигналы. Когда я достигну края черной дыры (он называется горизонтом), гравитационное поле вокруг меня станет настолько сильным, что мой сигнал больше не сможет его покинуть. Внутри горизонта сигналы будут вместе со мной затягиваться вниз, в сингулярность. Я плачу за открытие (что бы я ни увидел за горизонтом) страшную цену – я не могу опубликовать свои наблюдения. А еще я умираю, и вместе со мной – мои открытия.

Горизонт событий и его всеподавляющая гравитация на самом деле создаются экстремальным искривлением времени: вблизи горизонта скорость времени замедляется, его бег становится шагом, как показано на рисунке 2b. Если бы вы подлетели к горизонту черной дыры и провели рядом с ним несколько дней, а затем вернулись домой на Землю, вы бы обнаружили, что на Земле прошли миллионы лет. Вы состарились всего на несколько дней, но все ваши друзья и их внуки давно мертвы.

Согласно эйнштейновскому закону искажения времени «всё любит жить там, где старение проходит медленнее, и гравитация притягивает всё именно в такие места». На Земле время течет на четыре стомиллионных доли процента медленнее, чем в открытом космосе, и это (если верить Эйнштейну) достаточно, соответствует гравитации, которая всех нас здесь держит. Поскольку замедление времени становится огромным, когда человек приближается к горизонту черной дыры, это говорит о том, что гравитационное притяжение там тоже становится огромным. Ровно на горизонте время полностью останавливается, и притяжение там бесконечно.

Внутри горизонта время продолжает течь. Но, как ни странно, оно течет в «пространственном» направлении: вниз, к сингулярности в центре дыры. Вот почему нельзя покинуть черную дыру: чтобы это сделать, объект должен двигаться вверх, то есть путешествовать назад во времени, а это невозможно. Такое объяснение черноты черной дыры эквивалентно объяснению «бесконечного гравитационного притяжения». Обе эти модели завязаны на эйнштейновский закон искривления времени.

На рисунке 3 вы видите точную карту пространства-времени, закручивающегося вокруг быстро вращающейся черной дыры, предсказанную теорией относительности Эйнштейна. Форма этой двумерной поверхности отражает пространство черной дыры в экваториальной «плоскости» (вид из гиперпространства).

Градиентом обозначено замедление времени у горизонта событий. Горизонт обозначен черным внизу (конечно, если бы мы смотрели на трехмерную модель, это была бы сфера). Белые стрелки обозначают направление закручивания пространства-времени, вызванное вращением черной дыры.

Рис. 3. Карта искривленного пространства-времени у быстро вращающейся черной дыры.

Если две массивные звезды вращаются друг вокруг друга в двойной системе и обе звезды взрываются вовнутрь, образуя черные дыры, мы получаем черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга. По мере вращения они создают рябь в ткани пространства. Эта рябь распространяется наружу, в космос, как круги по воде от брошенного в воду камешка. Такая рябь называется гравитационными волнами. Эти волны расходятся по вселенной со скоростью света, неся детальное, хотя и закодированное изображение своего источника – двойной черной дыры. Гравитационные волны также переносят энергию.

Поскольку вращающиеся черные дыры теряют энергию, передавая ее гравитационным волнам, они постепенно сближаются, затем сталкиваются и сливаются, образуя одну большую черную дыру, как показано на рисунке 4. В момент столкновения черные дыры испускают невероятно сильные гравитационные волны. Светимость (мощность, излучаемая в единицу времени) таких волн в 10 000 раз больше, чем светимость всех звезд во вселенной вместе взятых. Светимость десяти тысяч вселенных, и ни лучика света! Только гравитационные волны.

Рис. 4. В представлении художника так выглядят две сходящиеся черные дыры: они сталкиваются и сливаются в одну.

Если черные дыры имеют небольшие массы, скажем, в 10 раз больше массы Солнца, то их столкновение и излучение огромных волн будет длиться совсем недолго: несколько миллисекунд. Если дыры сверхмассивные – например, от ядер двух галактик, которые тоже когда-то столкнулись и слились воедино, – столкновение и излучение волн длится дольше: несколько дней или даже год. Эти волны несут детальную, закодированную картину столкновения, картину, которую мы хотели бы извлечь и изучить. К этому я еще вернусь.

Торнадо (или водовороты, как угодно) скручивающегося пространства, прикрепленные к каждой черной дыре в двойной системе, ведут себя при столкновении совершенно поразительным образом. Чтобы объяснить этот процесс, стоит сначала точнее описать сами эти торнадо.

Рис. 5. Два человека над полюсами черной дыры.

Представьте себе двух человек, находящихся над полюсами черной дыры, как показано на рисунке 5. Ноги верхнего человека ближе к дыре, чем его голова, поэтому они затягиваются вихрем пространства дыры быстрее, чем его голова. В результате голова видит, как ноги скручиваются против часовой стрелки, а – заметьте! – ноги видят, как голову скручивает против часовой стрелки. Это как выжимать воду из мокрого полотенца: ваша левая рука видит правую, совершающую поворот против часовой стрелки, а ваша правая рука, глядя на левую, видит, что та вращается против часовой стрелки. В этом смысле пространство на северном полюсе дыры сворачивается против часовой стрелки.

Эти скручивания были недавно обнаружены при разборе уравнений Эйнштейна группой молодых ученых под моим руководством. Мы открыли, что это скручивание направляется (иными словами, контролируется) штуками, которые мы назвали «вихревыми линиями», одолжив это название из механики жидкости. Есть вихревые линии, движущиеся против часовой стрелки, собранные в единый вихрь, выходящий из северного полюса черной дыры (на рисунке показаны пунктиром) и вихревые линии, движущиеся по часовой стрелке, точно так же выходящие из южного полюса (на рисунке показаны сплошными линиями). Это похоже на схему магнитных линий, выходящих из полюсов Земли, но вместо того, чтобы поворачивать стрелку компаса, как это делают линии магнитного поля, вихревые линии контролируют само пространство, скручивая все на своем пути.