Уравнение Бога. В поисках теории всего - Митио Каку

В 1783 г. астроном по имени Джон Мичелл задался обманчиво простым вопросом: что происходит, если скорость убегания равна скорости света? Если луч света испускается гигантской звездой, настолько массивной, что скорость убегания равна скорости света, то, возможно, даже собственный свет не сможет покинуть ее. Весь свет, испускаемый звездой, в конечном счете возвращается на нее. Мичелл назвал такие звезды темными – небесными телами, которые выглядят черными, потому что свет не может преодолеть действия их мощной гравитации. Тогда, в XVIII веке, ученые мало что знали о физике звезд, к тому же им было неизвестно верное значение скорости света, поэтому высказанная Мичеллом идея несколько столетий оставалась невостребованной.

В 1916 г., во время Первой мировой войны, немецкий физик Карл Шварцшильд служил артиллеристом на русском фронте. Сражаясь в самой гуще кровавой войны, он нашел время, чтобы прочесть и осмыслить знаменитую статью Эйнштейна 1915 г., в которой тот представил общую теорию относительности. Блестящее математическое озарение помогло Шварцшильду найти одно из точных решений Эйнштейновых уравнений. Вместо того чтобы решать уравнения для галактики или Вселенной, что было бы слишком сложно, он начал с самого простого из всех возможных объектов – точечной частицы. Этот объект, в свою очередь, должен приближенно представлять гравитационное поле сферической звезды, как его видно с большого расстояния. Затем можно было бы сравнить теорию Эйнштейна с данными эксперимента.

Статья Шварцшильда привела Эйнштейна в восторг. Эйнштейн понимал, что это решение его уравнений позволит провести более точные расчеты, касающиеся, например, искривления света звезд около Солнца и орбитального движения планеты Меркурий. Теперь вместо грубых аппроксимаций он мог получить на основе своей теории точные результаты. Это был огромный прорыв, который позже оказался важным для понимания черных дыр. (Вскоре после своего замечательного открытия Шварцшильд умер. Расстроенный Эйнштейн написал трогательный некролог.)

Но, несмотря на громадный шаг вперед, сделанный решением Шварцшильда, оно также вызвало к жизни ряд озадачивающих вопросов. С самого начала его решение обладало необычными свойствами, расширявшими границы наших представлений о пространстве и времени. Получалось, что любую сверхмассивную звезду окружает воображаемая сфера (которую автор назвал магической сферой, а сегодня называют горизонтом событий). Далеко за пределами этой сферы гравитационное поле напоминало поле обычной Ньютоновой звезды, так что решение Шварцшильда можно было использовать для аппроксимации ее гравитации. Но если бы вы неосторожно приблизились к звезде и прошли сквозь горизонт событий, то навсегда оказались бы в ловушке и были бы раздавлены. Горизонт событий – это точка невозврата: все, что попадает внутрь, никогда не возвращается.

Однако при приближении к горизонту событий должны происходить еще более странные вещи. Так, вы должны увидеть световые лучи, захваченные, возможно, миллиарды лет назад и все еще кружащиеся вокруг звезды. Гравитация будет действовать на ваши ноги заметно сильнее, чем на голову, так что вас растянет подобно спагетти. Мало того, эта спагеттификация станет настолько жесткой, что разорвет на части даже атомы вашего тела, которые в конечном итоге просто разрушатся.

Тому, кто будет наблюдать это невероятное событие с большого расстояния, покажется, что время внутри космического корабля вблизи горизонта событий постепенно замедляется. Мало того, для внешнего наблюдателя все будет выглядеть так, будто в корабле на горизонте событий время останавливается. Примечательно, что для астронавтов в корабле при прохождении горизонта событий все будет выглядеть нормально – ну, то есть нормально до тех пор, пока их не разорвет.

Эта концепция была настолько диковинной, что многие десятилетия рассматривалась исключительно как научная фантастика – некий странный побочный продукт уравнений Эйнштейна, на самом деле не существующий. Астроном Артур Эддингтон однажды написал, что «должен, по идее, существовать какой-нибудь закон природы, который не позволяет звезде вести себя таким абсурдным образом!».

Эйнштейн даже написал статью, в которой утверждал, что при нормальных условиях черные дыры образоваться не могут. В 1939 г. он показал, что гравитация не в состоянии сжать вращающийся газовый шар до размеров, соответствующих горизонту событий.

По иронии судьбы, в том же самом году Роберт Оппенгеймер и его студент Хартленд Снайдер показали, что черные дыры все же могут образовываться в результате естественных природных процессов, которых Эйнштейн не предвидел. Если взять для начала гигантскую звезду, превосходящую наше Солнце по массе в 10–50 раз, и посмотреть, что произойдет, когда она израсходует все свое ядерное топливо, мы увидим, что в конечном итоге она может взорваться, превратившись в сверхновую. Если звезду, оставшуюся после взрыва, гравитация сожмет до размеров горизонта событий, то может произойти ее коллапс в черную дыру. (Наше Солнце недостаточно массивно для взрыва сверхновой, а его горизонт событий составляет примерно шесть километров в поперечнике. Ни один известный природный процесс не в состоянии сжать Солнце до диаметра в шесть километров, поэтому наше светило никогда не станет черной дырой.)

Физики выяснили, что существует как минимум два типа черных дыр. Черная дыра первого типа – это остаток гигантской звезды после вышеописанных процессов. Черные дыры второго типа обнаружены в центрах галактик. Эти галактические черные дыры могут быть в миллионы или даже в миллиарды раз массивнее нашего Солнца. Многие астрономы считают, что в центре каждой галактики имеется черная дыра.

В последние несколько десятилетий астрономы обнаружили в космосе сотни потенциальных черных дыр. В центре Млечного Пути, нашей собственной галактики, располагается чудовищная черная дыра, масса которой в 2–4 миллиона раз превосходит массу Солнца. На нашем небе она находится в созвездии Стрельца. (К несчастью, эту область заслоняют пылевые облака, так что мы не можем видеть черную дыру в центре нашей галактики. Но если бы пылевые облака вдруг разошлись, то каждую ночь небо освещал бы великолепный сверкающий шар из звезд с черной дырой в центре, который, возможно, превосходил бы по светимости Луну. Это было бы поистине величественное зрелище.)

Последнее на данный момент интересное событие, имеющее отношение к черным дырам, произошло, когда квантовую теорию применили к гравитации. Расчеты стали источником целого ряда неожиданных явлений, которые в очередной раз раздвинули пределы нашего воображения. Оказалось, что наш проводник по этой неисследованной территории был полностью парализован.

Во время учебы в магистратуре Кембриджского университета Стивен Хокинг был обычным юношей, без особых устремлений и целей. Он делал все, что положено делать молодому физику, но без особого усердия. Он, без сомнения, обладал талантом, но не мог, казалось, ни на чем сосредоточиться. Но однажды ему поставили страшный диагноз – амиотрофический боковой склероз – и сказали, что жить осталось не больше двух лет. Хотя его разум не пострадает, тело быстро зачахнет, потеряв способность к функционированию, и в конце концов умрет. Молодой человек, подавленный и потрясенный до глубины души, понял, что до этого момента его жизнь растрачивалась впустую.