Блюз черных дыр и другие мелодии космоса - Жанна Левин

Уилер также не был абсолютным противником работы Комиссии по расследованию антиамериканской деятельности, как не был и всецело против антикоммунистического угара, когда общественность ставила ученым в вину то, что они отмалчивались, живя в своем академическом мире отвлеченных идей. (Отцу Рая, кстати, было чего опасаться в те подцензурные времена. Он уничтожил все фотографии, на которых был запечатлен вместе с Лениным и Троцким, и, по словам Рая, “врал напропалую”. Он даже попросил сына переписать медицинские карты своих пациентов, используя код на основе греческого алфавита [а вместо а, в вместо b и т. д.]: кто-то из них, подобно самому Вайссу-старшему, мог увлекаться коммунистическими идеями, бывшими тогда в некотором смысле модными среди европейцев. Ведь любого человека, заподозренного в коммунистической деятельности, заставили бы выдать имена сообщников, включая и имя Фредерика Вайсса. Не исключено, что Уилер не слишком бы возражал против этого.)

Уилер счел для себя возможным вернуться к чистой науке, когда почувствовал, что его участие в работе на военных уже не так необходимо. Однако в дальнейшем опыт, приобретенный им в связанных с ядерной энергией исследованиях, сильно влиял на его научные интересы. Добытые тяжким трудом знания в области ядерной физики породили новые, ужасающие способы убивать людей. Бесстрастные, по определению лишенные всякой морали физические законы действовали и вне Земли. Понимание этих законов позволило ответить на ряд древних как мир вопросов. Например: почему Солнце светит? Опираясь на знания, которые позволили создать “Малыша” и “Толстяка”, ученые смогли разрешить эту загадку. Звезды сжигают в термоядерных реакциях легкие химические элементы и поэтому светятся. Так Солнце, подобно неустанно взрывающейся водородной бомбе, каждую секунду сжигает много миллионов тонн водородного топлива. Огромная выделяемая энергия поддерживает звезду в надутом состоянии и под большим внутренним давлением, оказывая сопротивление полному гравитационному коллапсу. И так продолжается очень долго. Однако через несколько миллиардов лет, когда ядерный синтез перестанет быть энергетически выгодным, то есть когда звезда, по сути, исчерпает топливо в виде легких элементов, жар в ее недрах ослабнет – и внутреннего давления, которое удерживало звезду от коллапса, станет недостаточно. Звезда начнет сжиматься под собственным весом. Но что же дальше? Именно этот вопрос, вопрос о конечном состоянии коллапсирующей звезды, Уилер считал наиболее важной физической проблемой своего времени.

Интерес Уилера к проблеме звездного коллапса, в свою очередь, пробудил у него интерес к теории относительности. Чтобы понять процессы коллапса затухающих звезд и суть их конечного состояния, требуется разбираться не только в ядерной физике, но и в теории гравитации, которая была и остается синонимом общей теории относительности, математического описания искривленного пространства-времени. Гравитация стремится сжать умирающую звезду, но ядерные силы оказывают этому сжатию сопротивление. Кто же из них победит?

Так случайно совпало, что в то время, когда нацисты в 1939 году вторглись в Польшу, Роберт Оппенгеймер и его студент Хартлэнд Снайдер опубликовали абсолютно новаторскую статью, где, исходя из идеальных условий, утверждали, что коллапс большой и плотной потухшей звезды ничем не ограничивается, а значит, в итоге звезда исчезнет вовсе. В войну все, что не связано непосредственно с выживанием, отодвигается на задний план, поэтому на их работу обратили внимание далеко не сразу. Когда же в конце 1950-х годов этой проблемой занялся Джон Уилер, то он подверг статью Оппенгеймера критике, решив, что ее упрощающие предположения нереалистичны и ведут к сомнительным заключениям. Уилер считал, что беспрепятственное сжатие звезды в точку невозможно. Однако позже он и его принстонские коллеги, вооруженные послевоенными знаниями о физике деления и синтеза атомных ядер, а также новыми электронно-вычислительными машинами, ответили на свои собственные критические замечания, завершив тем самым перечень возможных вариантов гибели звезд.

Подводя итог десятилетиям научных исследований, мы сегодня можем назвать три существующих конечных состояния потухших звезд. Звезды, подобные Солнцу, в конце своей жизни превращаются в белые карлики – прохладные сферы вырожденного вещества, сравнимые по размеру с Землей. Давления плотно упакованных электронов в белых карликах достаточно для того, чтобы противостоять дальнейшему гравитационному сжатию. Более массивные звезды завершают свой эволюционный путь в виде нейтронных звезд – еще более плотных сфер вырожденной ядерной материи диаметром около 20–30 км. Давления плотно упакованных нейтронов в них также хватает для того, чтобы препятствовать полному коллапсу. Но у самых массивных звезд нет возможности сопротивляться гравитационному сжатию: их беспрепятственный коллапс неизбежен.

В 1963 году в своей лекции о гравитационном коллапсе Уилер признал справедливость предположений, высказанных Оппенгеймером и Снайдером почти четвертью века ранее. Показательно, что Оппенгеймера в аудитории в те минуты не было. Возможно, он все еще чувствовал себя уязвленным из-за критики Уилера, а возможно, вовсе не стремился к примирению или не хотел чествовать докладчика за его научный вклад в решение проблемы. Как бы то ни было, он сидел снаружи, перед аудиторией, и разговаривал с друзьями. К тому времени у “разрушителя миров” были уже иные интересы, не связанные с этим его причудливым и в конечном счете наиболее значительным вкладом в теоретическую физику. В 1967 году, вскоре после смерти Оппенгеймера, Уилер во время своей лекции пытался подыскать удачный термин, который описывал бы конечное состояние тяжелых звезд, поскольку ему надоело повторять словосочетание “полностью коллапсировавший гравитационный объект”. И вдруг кто-то из слушателей выкрикнул: “А что насчет черной дыры?”.

(Как сказал Рай, “это далеко не полная история, но пусть так и останется”.)

Коллапсирующая звезда сначала преодолевает сопротивление электронного газа, а затем сопротивление атомных ядер. Когда вещество звезды сжимается до достаточно высокой плотности, искривление пространства-времени вокруг коллапсирующей массы становится настолько сильным, что даже свет оказывается захвачен на орбиту вокруг объекта. По мере дальнейшего сжатия свет уже не может вырваться наружу, словно пространство-время вокруг такого объекта расширяется быстрее, чем распространяется свет. Поверхность, представляющая собой рубеж невозврата (так называемый горизонт событий), определяется самой геометрией пространства-времени. С образованием черной дыры горизонт событий как бы отбрасывает темную тень. Черная дыра – это больше не звезда. Даже не материя. Раздавленное вещество исчезает совсем, оставляя в качестве своей тени горизонт событий. Черная дыра не представляет собой ничего, кроме собственной тени.

И Джон Уилер ввел в этот захватывающий мир черных дыр и квантовой механики Кипа Торна. Кип был представителем первого поколения физиков, взращенных на релятивизме. Ему посчастливилось начать свою научную карьеру в эпоху постановки важных астрофизических задач, которые ожидали, чтобы для их решения прибегли к теории относительности, и Кип использовал это удачное стечение обстоятельств самым что ни на есть замечательным образом.