Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Хокинг

На самом деле свет не совсем корректно сравнивать с пушечным ядром. Согласно эксперименту, проведенному в 1897 году, свет всегда движется с постоянной скоростью. Тогда как же гравитация может его замедлить? Стройной теории, как гравитация влияет на свет, не было до 1915 года, когда Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности. И даже после этого выводы из его теории для старых звезд и других массивных тел не были сделаны до шестидесятых годов.

Согласно общей теории относительности, время и пространство вместе можно рассматривать как единое четырехмерное пространство, получившее название пространство-время. Это пространство не плоское, оно искажается, или искривляется, материей и заключенной в ней энергией. Мы наблюдаем это искривление по отклонению света и радиоволн, проходящих по пути к нам мимо Солнца. Когда свет проходит вблизи Солнца, отклонение очень мало. Однако если бы Солнце сжалось до размеров всего нескольких миль в поперечнике, отклонение было бы столь велико, что свет не смог бы улететь, а был бы притянут гравитационным полем. Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, поэтому образуется область, откуда не может вырваться ничто. Такая область называется черной дырой, а ее границы – горизонтом событий. Его образует свет, едва не вырвавшийся из черной дыры, но оставшийся парить на краю.

Предположение, что Солнце может сжаться до диаметра в несколько миль, кажется смешным. Трудно допустить, что материя способна сжаться до такой степени. Но оказывается – способна.

Солнце имеет такие размеры, потому что оно горячее. Оно пережигает водород в гелий, как управляемая водородная бомба. Тепло, выделяемое в результате этого процесса, создает давление, позволяющее Солнцу противостоять собственной гравитации, которая стремится сжать его, сделать меньше.

Однако в конце концов у Солнца кончится ядерное топливо. Этого не случится еще примерно пять миллиардов лет, так что можно не спешить заказывать билет на другую звезду. Тем не менее звезды более массивные, чем Солнце, пережгут свой водород гораздо быстрее. Когда топливо у них кончится, они начнут остывать и сжиматься. Если их масса по крайней мере вдвое превышает массу Солнца, они в конце концов прекратят сжиматься, и состояние их стабилизируется. Одни звезды в таком состоянии называются белыми карликами. Белый карлик имеет радиус в несколько тысяч миль и плотность в сотни тонн на кубический дюйм. Другие звезды в таком состоянии называются нейтронными звездами. Они имеют радиус около 10 миль и плотность в миллион тонн на кубический дюйм.

Мы наблюдаем большое число белых карликов в нашей Галактике, в непосредственной близости от нас. Нейтронные же звезды не наблюдались до 1967 года, пока Джойселин Белл и Энтони Хьюиш из Кембриджа не открыли объекты, названные пульсарами, которые испускали радиоволны регулярными импульсами. Сначала исследователи подумали, уж не установили ли они контакт с иной цивилизацией, – я даже помню, что аудитория, где они объявили о своем открытии, была разукрашена фигурками «зеленых человечков». Однако под конец они сами и все остальные пришли к менее романтическому заключению, что эти объекты – вращающиеся нейтронные звезды. Такое заключение оказалось плохой новостью для создателей космических вестернов, но хорошей для нас, тех немногих ученых, кто верил тогда в черные дыры. Если звезды могут сжиматься до таких малых размеров, как 10 или 20 миль в поперечнике, и становиться нейтронными звездами, можно предположить, что другие смогли сжаться еще больше и превратиться в черные дыры.

Звезда с массой примерно вдвое больше массы Солнца становится белым карликом или нейтронной звездой. В некоторых случаях звезда может взорваться и выбросить достаточно материи, чтобы ее масса стала меньше предельной. Но это случается не всегда. Некоторые звезды станут очень маленькими, и их гравитационное поле так искривит свет, что он упадет обратно на звезду. И больше ни свет, ни что-либо другое не сможет вырваться оттуда. Такие звезды станут черными дырами.

Физические законы симметричны во времени. Поэтому если существуют объекты, называемые черными дырами, в которые все может падать, но ничто не может вырваться, должны быть и другие объекты, из которых все может вылететь, но ничто не может в них упасть. Можно назвать их белыми дырами. Можно также порассуждать о том, что если прыгнуть в черную дыру в одном месте, то выйдешь из белой дыры в другом. Это был бы идеальный метод для вышеупомянутых дальних космических путешествий. Все, что вам понадобится, – это отыскать поблизости черную дыру.

На первый взгляд такая форма космических путешествий кажется возможной. В общей теории относительности Эйнштейна существуют решения, согласно которым можно упасть в черную дыру и выйти из белой дыры. Однако более поздняя работа показала, что все эти решения очень нестабильны: малейшее возмущение, такое как присутствие космического корабля, уничтожит «отверстие» – проход, ведущий из черной дыры в белую. Космический корабль был бы разорван бесконечно большими силами. Это вроде того, как путешествовать по Ниагаре в бочке.

После этого надежды почти не осталось. Черные дыры можно было бы использовать разве что для избавления от мусора или даже от некоторых друзей. Они были «страной, откуда не возвращаются». Однако все, что я сказал до сих пор, основывалось на расчетах, использующих общую теорию относительности Эйнштейна. Эта теория прекрасно согласуется со всеми нашими наблюдениями. Но мы знаем, что она не может быть совершенно права, поскольку не охватывает принцип неопределенности квантовой механики. Принцип неопределенности гласит, что частицы не могут одновременно иметь и четко определенного положения, и четко определенной скорости. Чем точнее измеряешь положение частицы, тем менее точно измеряешь скорость, и наоборот.

В 1973 году я начал исследования, пытаясь выяснить, какое значение имеет принцип неопределенности для черных дыр. К моему, да и ко всеобщему великому удивлению, обнаружилось, что вследствие этого принципа черные дыры должны быть не совсем черными. Они постоянно выделяют излучение и частицы. Когда я доложил о своих результатах на конференции под Оксфордом, они вызвали общее недоверие. Председатель сказал, что это нонсенс, и написал об этом статью. Однако когда другие повторили мои расчеты, они обнаружили тот же самый эффект. Так что под конец даже председатель признал мою правоту.

Как может излучение вырваться из гравитационного поля черной дыры? Есть много путей понять это. И хотя они кажутся очень разными, на самом деле они эквивалентны. Один путь – осознать, что принцип неопределенности позволяет частицам на короткой дистанции двигаться быстрее света. Это, в свою очередь, позволяет им и излучению прорваться через горизонт событий и вырваться из черной дыры. Следовательно, из черной дыры что-то может исходить. Однако то, что выходит, будет сильно отличаться от того, что туда упало. Той же самой будет только энергия.

Поскольку черная дыра испускает частицы и излучение, она должна терять массу. От этого черная дыра должна становиться меньше и эмитировать частицы с большей частотой. В конце концов она дойдет до нулевой массы и совсем исчезнет. Что же тогда случится с объектами, упавшими в черную дыру, включая, возможно, и космические корабли? Согласно некоторым моим недавним работам, ответ таков: они перейдут в собственную новорожденную вселенную. Маленькая замкнутая вселенная возникает из нашей области Вселенной. Эта вселенная может снова присоединиться к нашей области пространства-времени, при этом она покажется нам другой черной дырой, которая появилась, а потом испарилась. Частицы, упавшие в одну черную дыру, покажутся частицами, выпущенными из другой, и наоборот.