Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Брайан Грин

Когда звезда израсходует свое ядерное топливо, поддерживать давление станет нечему, и звезда начнет коллапсировать из-за собственной гравитации. По мере уменьшения размеров звезды гравитационное поле на поверхности будет становиться сильнее, и скорость отрыва будет увеличиваться. К тому времени, как ее радиус сократится до 30 км, скорость отрыва увеличится до 300 000 км в секунду, скорости света. После этого любой свет, исходящий от звезды, не сможет уйти от нее, но будет притянут гравитационным полем. Согласно специальной теории относительности ничто не может двигаться быстрее света, так что если свет не может вырваться, то и ничто другое тоже не может.

Результатом будет черная дыра, участок пространства-времени, из которого нельзя вырваться. Граница черной дыры называется горизонтом событий. Она соответствует волновому фронту света, который не может уйти от звезды, но остается в пределах радиуса Шварцшильда: 2GM/c2, где G – Ньютонова постоянная гравитации, M – масса звезды, и с – скорость света. Для звезды массой примерно в десять масс Солнца радиус Шварцшильда составляет примерно 30 км.

Сейчас существуют надежно зарегистрированные свидетельства существования черных дыр в двойных звездных системах, таких как источник рентгеновского излучения Лебедь Х-1. Рентгеновское излучение испускает вещество, проваливающееся в черную дыру. В центре нашей Галактики также находится сверхмассивная черная дыра массой в 4,3 миллиона Солнц. Считается, что сверхмассивные черные дыры находятся в центрах большинства галактик.

Важные исследования в области черных дыр звездной массы были сделаны здесь, на Канарских островах. Например, первое наблюдательное свидетельство того, что взрывы сверхновых могут создавать черные дыры звездной массы, было получено здесь директором фестиваля Starmus Гариком Исраэляном и его командой[6].

По вселенной может быть рассыпано множество черных дыр гораздо меньшего размера, сформированных не за счет коллапса звезд, а за счет коллапса сильно сжатых зон в горячей плотной среде. Считается, что подобные зоны существовали вскоре после Большого взрыва, из которого появилась вселенная. Такие доисторические черные дыры особенно интересны для квантовых эффектов, про которые я расскажу ниже. Черная дыра массой в миллиард тонн, примерно как масса горы, будет иметь радиус 10-13 сантиметров, то есть размер протона или нейтрона. Она может двигаться по орбите вокруг Солнца или вокруг центра нашей Галактики.

Свет на самом деле не состоит из частиц, похожих на пушечные ядра, которые могли бы быть замедлены гравитацией и снова упасть на звезду. Знаменитый эксперимент, проведенный двумя американцами, Майкельсоном и Морли, показал, что вне зависимости от его источника, свет всегда распространяется со скоростью 186 миль в секунду. Как же тогда гравитация может замедлить свет и заставить его вернуться?

Это было невозможно, согласно принятым во времена Майкельсона и Морли представлениям о пространстве и времени. Но в 1915 году Эйнштейн выдвинул свою революционную общую теорию относительности. В ней пространство и время уже не были отдельными и независимыми друг от друга. Вместо этого они были только разными направлениями в едином объекте, пространстве-времени. Пространство-время Эйнштейна было не плоским, а искривленным из-за присутствия в нем вещества и энергии.

Чтобы понять это, представьте лист толстой резины, на который поместили груз, соответствующий звезде. Груз продавит резину и сделает лист вокруг звезды искривленным, а не плоским. Если теперь по этому листу катать стеклянные шарики, они будут двигаться по кривой, а не прямой траектории.

В 1919 году британская экспедиция в Западной Африке наблюдала свет далеких звезд, расположенных вблизи от диска Солнца, во время солнечного затмения. Исследователи заметили, что изображения этих звезд несколько сдвинуты относительно их обычных позиций. Это показывало, что путь света от этих звезд был изогнут пространством-временем, искривленным вблизи от Солнца. Общая теория относительности была подтверждена.

Теперь представьте, что на резиновый лист помещают все большие и большие и все более и более концентрированные грузы. Они будут продавливать лист все сильнее. В конечном итоге, при некотором критическом весе и размере они продавят в листе бездонную дыру, в которую частицы могут попадать, но выйти обратно ничто не может.

То, что происходит в пространстве-времени согласно общей теории относительности, весьма похоже. Звезда будет искривлять и искажать пространство-время вокруг себя тем больше, чем она массивнее и компактнее. Если массивная звезда, которая сожгла свое ядерное топливо, остынет и сожмется меньше критического размера, она совершенно буквально образует бездонную дыру в пространстве-времени, из которой не может вырваться свет. Название «черная дыра» было дано таким объектам американским физиком Джоном Уилером, который одним из первых понял их значение и фундаментальность вопросов, которые они поднимают. Название прижилось быстро. Оно намекало на нечто темное и загадочное. Но французы, будучи французами, увидели и более рискованное значение. Годами они сопротивлялись термину trou noir, заявляя, что он непристоен. Но это было как противостоять le weekend и прочим Franglais[7]. В конце концов им пришлось сдаться. Кто может сопротивляться такому выигрышному названию?

Находясь снаружи, невозможно сказать, что находится внутри черной дыры. Можно бросать туда телевизоры, кольца с брильянтами, даже своих худших врагов, черная дыра запомнит только общую массу и вращательный момент. Джон Уилер описывал это как то, что «у черной дыры нет волос». С точки зрения французов, это только подтверждало их опасения.

Черная дыра имеет границу, называемую горизонт событий. Это там, где гравитация еще достаточно сильна, чтобы притянуть свет обратно и не дать ему ускользнуть. Поскольку ничто не может двигаться быстрее света, все остальное тоже будет притянуто. Провалиться сквозь горизонт событий – это примерно как поплыть через Ниагарский водопад на каноэ. Если вы находитесь выше водопада, вы можете выбраться, если будете грести достаточно быстро, но если вы перевалили через край, вы пропали. Обратной дороги нет. Чем ближе к обрыву, тем быстрее течение. Это значит, что за нос каноэ оно тянет сильнее, чем за корму. Есть опасность, что каноэ будет разорвано на части.