Сейчас. Физика времени - Ричард А. Мюллер

Глава 7 В бесконечность и далее Время, текущее поблизости от черных дыр, намного необычнее, чем большинство из нас думает…

Физики часто бывают ошарашены собственными уравнениями. Из них нередко трудно сразу сделать какие-то выводы, даже если они носят эпохальный характер. Чтобы помочь себе разобраться в своих же математических построениях, они обращают внимание на исключительные примеры и смотрят, что в итоге получается. А в нашей Вселенной нет более исключительных и экстремальных примеров, чем черные дыры. Их изучение вооружает нас очень важными идеями относительно особых аспектов времени.

Если вы кружите по орбите над небольшой черной дырой (скажем, массой с наше Солнце) на приличном расстоянии – например, 1500 километров, – то не почувствуете ничего особенного. Вы находитесь на круговой орбите над массивным объектом, увидеть который не можете. На орбите испытываете невесомость, как и все астронавты. Вас не засасывает внутрь дыры. Черные дыры, в отличие от изображаемых в научной фантастике, не втягивают в себя. На такой близкой орбите от Солнца за миллионную долю секунды вы были бы уже внутри светила, но до этого моментально сгорели бы. Однако черная дыра темна. (Микроскопически малые черные дыры испускают излучение, но большие не выпускают наружу ничего.)

Окружность вашей орбиты равна 2πr. Если ваш товарищ двигается по той же орбите, но с противоположной стороны, через четверть протяженности орбиты вы встретитесь. Но когда ваш товарищ в диаметрально противоположной точке, прямая линия между вами бесконечна. Рядом с черной дырой огромное пространство.

Если вы включите тормозные двигатели, замедляя или останавливая свое движение по орбите, то будете втянуты в черную дыру так же, как притянулись бы любым массивным объектом. (Космические корабли покидают орбиту именно таким образом: включают тормозные двигатели, а затем просто позволяют силам гравитации притянуть себя к Земле.) Прежде чем в вашей системе отсчета пройдут 10 минут собственного времени, то есть прежде чем состариться на 10 минут, вы достигнете поверхности черной дыры – по радиусу Шварцшильда (мы говорили о нем в главе 3). А теперь нечто поразительное, касающееся времени. Когда вы достигнете поверхности, то есть через 10 минут после спуска время измеряемой в системе отсчета орбитальной станции достигнет бесконечности[91].

Да, именно так. Падение в черную звезду занимает бесконечное время в системе отсчета стороннего наблюдателя. В вашей ускоряющейся СО этот процесс займет всего 10 минут. На одиннадцатой минуте время вовне приблизится к бесконечности и выйдет за ее пределы.

Но это абсурд! Возможно. Однако в классической релятивистской теории это так. Конечно, испытать подобный потенциальный парадокс невозможно, потому что время вне черной дыры бесконечно. А как только вы проникаете в нее, остаетесь там навсегда. Здесь нет измеряемого противоречия. Это пример того, что физики называют цензурированием. Абсурдность не может быть наблюдаемой, потому это не настоящая абсурдность.

Можете ли вы удовлетвориться ответом вроде «за пределами бесконечности, но с учетом цензурирования»? Подозреваю, что нет. Я нахожу такой ответ умопомрачительным. Но я нахожу умопомрачительным все, касающееся времени. Мы увидим абсурдные, но цензурированные заключения в теме квантовых волновых функций и запутанностей. Эти примеры бросают вызов нашему ощущению реальности и оставляют чувство неудовлетворенности. Как говорил Ницше: «Когда вы долго смотрите в бездну, бездна тоже начинает смотреть на вас».

Давайте вернемся к моему утверждению, что черная дыра не может вас «засосать» и что вы можете двигаться вокруг нее по орбите, как и вокруг любого другого массивного объекта. Предположим, что Меркурий вращается вокруг черной дыры с массой, равной массе Солнца. Как изменится его орбита? Согласно распространенному убеждению, черная дыра втянет в себя маленькую планету. Но если исходить из общей теории относительности, никаких изменений не произойдет. Конечно, Меркурий перестанет быть таким горячим, потому что интенсивное излучение Солнца сменится холодной тьмой черной дыры.

Меркурий обращается вокруг Солнца по орбите со средним радиусом 58 млн км. Представьте, что вы двигаетесь по орбите вокруг нашего светила с радиусом 1,6 млн км. Если не считать испепеляющей температуры и сопротивления солнечного ветра, вы должны облететь вокруг Солнца примерно за 10 часов. Теперь заменим Солнце черной дырой с такой же массой. Чтобы ощутить на себе какие-то эффекты, нужно подобраться к ней очень близко. Как и в случае с любой звездой, чем ближе вы окажетесь к ее поверхности, тем быстрее начнете вращаться вокруг нее, чтобы остаться на орбите[92]. Практически рядом с черной дырой вы не почувствуете никаких различий, пока расстояние до нее не станет настолько малым, что ваша орбитальная скорость приблизится к скорости света.

На Солнце максимальная сила гравитации действует на его поверхности, как и в случае с Землей. Стоит внедриться под его поверхность, как масса, притягивающая объекты, в глубине светила начинает меньше действовать, чем на поверхности. В самом центре Солнца гравитация равна нулю.

Однако в черной дыре поверхность близка к центру. Согласно уравнению Шварцшильда, которое я приводил ранее, радиус черной дыры с массой Солнца должен составлять примерно 3,2 км. На расстоянии 16 км от нее орбитальная скорость должна составлять ⅓ скорости света. Орбитальный (сидерический) период при этом будет равняться одной тысячной доле секунды. В этих условиях для вычислений мы должны использовать теорию относительности.