В последнее время внимание астрономов привлекло одно из самых странных в мире открытий. В соответствии с общей теорией относительности в космосе должны существовать объекты, которые обладают столь сильными гравитационными полями, что планеты, звёзды, астероиды или любые другие тела, затянутые в них, просто разрушаются. Ещё более странно то, что, попав в такое поле, никто и ничто не может оттуда выбраться и перестаёт существовать в нашей Вселенной. Такие объекты называют чёрными дырами.

В последние годы проблема чёрных дыр вызывает огромный интерес, хотя сама идея не нова, ей уже около 200 лет. Английский астроном Джон Митчелл, ректор Торнхилла (Йоркшир), ещё в 1784 году доказал, что если масса звезды будет достаточно велика, то свет не сможет покинуть её, т.е. для нас она будет невидима. Через несколько лет к такому же выводу пришёл французский учёный Пьер Симон Лаплас.

Чтобы понять их рассуждения, рассмотрим сначала, что называют скоростью убегания. Представьте себе, что с Земли запускают несколько космических кораблей, причём скорость каждого следующего больше скорости предыдущего. Первые из запущенных ракет будут описывать дугу и падать на Землю, но рано или поздно какая-то из них выйдет на круговую орбиту вокруг Земли. Одна из следующих преодолеет притяжение и улетит в пространство. Её скорость и называется скоростью убегания, причём это понятие относится не только к ракетам, но и ко всем остальным телам, например к естественным спутникам, частицам и т.п. Для Земли скорость убегания составляет примерно 40 000 км/ч. Более массивные объекты имеют бо?льшие значения скорости; чем больше масса, тем больше скорость, а это означает, что рано или поздно для какой-то массы эта скорость будет больше скорости света. Если объектом с такой массой окажется звезда, то её свет просто не сможет покинуть поверхность. Такой именно объект имели в виду Митчелл и Лаплас. В определённом смысле его можно считать чёрной дырой, хотя и не такой, о которой мы будем говорить.

Митчелл пришёл к идее своей «чёрной дыры» на основе теории Ньютона, но если попытаться исследовать проблему глубже, то окажется, что применение этой теории ничего не даёт. Чтобы подробно рассмотреть проблему, нам придётся обратиться к общей теории относительности. Первым, кто понял, что общая теория относительности предсказывает существование странных объектов, был Карл Шварцшильд. Как известно, он раньше других нашёл решение уравнений Эйнштейна, но что-то в этом решении его не устраивало. Масса, как предсказывал Эйнштейн, искривляла пространство, но искривление становилось бесконечным при конечном, а не точечном радиусе. В сущности, пространство свёртывалось, отрезая небольшой участок от остальной Вселенной.

«Кротовая нора» в пространстве; она называется также мостиком Эйнштейна-Розена

«Кротовая нора», соединяющая два удалённых участка пространства

Шварцшильд сообщил о своём успехе Эйнштейну, который порадовался тому, что решение найдено, хотя странный результат его тоже озадачил. Вскоре внимание Эйнштейна привлекла проблема объединения гравитационного и электромагнитного полей, и, работая над ней, он обнаружил кое-что ещё более обескураживающее. Многие учёные склонялись к тому, что фундаментальные частицы (например, электроны, протоны) связаны с математическими сингулярностями (математическая сингулярность появляется, если математическое выражение становится бесконечным). Эйнштейн как раз занимался вместе с Натаном Розеном этими сингулярностями, когда сделал поразительное открытие – существует не один, а два варианта решений его уравнений. Первый показывает, что пространство, приводящее к сингулярности, образует длинную узкую горловину; как ни странно, второй вариант тоже соответствует «горлышку», но прикреплённому к противоположному концу первого. Раз оно ведёт к чёрной дыре, то продвинувшись по горловине достаточно далеко (например, к самой чёрной дыре и за неё), мы заметим, что постепенно она начнёт расширяться. Но куда она откроется? Единственный возможный ответ – в другую вселенную. Эйнштейну это не нравилось, и сегодня, когда речь заходит о других вселенных, многие учёные чувствуют себя неуютно. Эти «горлышки» стали именовать мостиками Эйнштейна-Розена; теперь их иногда называют пространственно-временны?ми туннелями. Позднее было показано, что они не обязательно ведут в другие вселенные, а могут просто выходить в какой-то отдалённый район нашей Вселенной. Это как бы «межзвёздный метрополитен».

Открыв эти мостики, Эйнштейн задался вопросом, нельзя ли пользоваться ими для путешествий в другие вселенные. К его облегчению оказалось, что для этого потребуется сверхсветовая скорость, а в соответствии со специальной теорией относительности вещество не может двигаться быстрее света.

Оппенгеймер и непрерывный коллапс

Примерно в то же время учёные начали рассматривать возможность превращения сколлапсировавшей звезды в чёрную дыру. В 1939 году, закончив совместно с Джорджем Волковым исследования нейтронных звёзд, Роберт Оппенгеймер занялся звёздами столь массивными, что превратиться в нейтронные они не могут. Работая вместе со своим студентом Хартлендом Снайдером, он обнаружил, что когда в такой звезде прекращается термоядерная реакция, происходит коллапс, который продолжается вечно. Этот странный результат смутил и Оппенгеймера, и его студента, но, к сожалению, дальше в своих исследованиях они не пошли.

Роберт Оппенгеймер (1904-1967)

Оппенгеймер родился в Нью-Йорке в 1904 году в довольно обеспеченной семье, где держали слуг. Это сказалось на его характере, так что временами он бывал слишком резким и капризным. Но даже в детстве эти черты нисколько не умаляли его выдающихся умственных способностей. По свидетельству друзей, он был красивым юношей с копной чёрных волос и проницательным взглядом голубых глаз – такие нравятся девушкам. Но в молодости девушки мало интересовали его, он был слишком занят учёбой. В классе он всегда был первым – должно быть, для него это был вопрос чести. Жажда знаний была так велика, что времени не оставалось даже на спорт, который он, впрочем, всегда недолюбливал.

Научные пристрастия Оппенгеймера определились рано. Роберту было лет шесть, когда дед подарил ему коллекцию минералов, и вскоре мальчик стал рьяным коллекционером. В школе он начал изучать физику и химию, и эти предметы его околдовали, чему, возможно, способствовало влияние одного из учителей, Августа Клока, которого Роберт очень любил. Учитель английского тоже имел на него большое влияние. Оппенгеймер в числе других был частым гостем в его доме.

Дружба с этими людьми благотворно повлияла на юношу, хотя в школе его по-прежнему считали заносчивым. Он любил выставлять свои знания напоказ, и временами это приносило ему неприятности – он частенько становился мишенью для насмешек. Однажды он написал родителям из летнего лагеря, что познает там суровую «правду жизни» и очень этому рад. За это письмо его заперли голого на всю ночь в холодном подвале. Получив письмо, родители всполошились и помчались в лагерь; сальные анекдоты («жизненная правда») были раз и навсегда запрещены.

Те, кто знали его в молодости, обычно вспоминают Оппенгеймера как хрупкого и несколько неуклюжего подростка. Однако после поездки в долину Пеко в Нью-Мехико Роберт очень изменился. Он увлёкся пешим туризмом, полюбил спать на земле и научился подолгу обходиться без еды. Позднее он проводил в тех местах немало времени.

В 1922 году Оппенгеймер поступил в Гарвардский университет. Он ещё не решил, кем стать, но интерес к химии помог выбрать химический факультет. Четыре курса он закончил за три года. Все однокашники признавали, что Оппенгеймер на голову выше их по способностям.

За три года в Гарварде он ни разу не ходил на свидания. Впрочем, невинные развлечения не были ему чужды. Однажды зимой Роберт с двумя приятелями шёл по берегу озера, как вдруг они стали подбивать его искупаться нагишом. «Только вместе с вами», – ответил Роберт, и вскоре вся троица, раздевшись догола, нырнула в ледяную воду.

Учился Опппенгеймер только на «отлично», хотя иногда, крайне редко, получал оценку пониже. До последнего курса он никак не мог решить, чему себя посвятить; в это время Перси Бриджмен начал читать курс физики. Роберту понравились и лекции, и сам преподаватель, о котором он позднее сказал, что это был самый блестящий из всех гарвардских профессоров. Оппенгеймер решил, что вместо химии займётся физикой, и после выпуска обратился в Кембриджский университет в Англии. Он хотел работать у Резерфорда, в те времена ведущего физика. Однако прекрасное рекомендательное письмо Бриджмена не произвело на Резерфорда впечатления, и он не взял Оппенгеймера к себе, а отправил в лабораторию Дж. П. Томсона.

Томсон отвёл ему закуток в своей лаборатории и поручил изготовлять тонкие бериллиевые плёнки. Отсутствие опыта обернулось для Роберта полным крахом: работа ему не нравилась и не ладилась. Нелюбовь к работе сочеталась с нелюбовью к жилью, которое позднее он окрестил «чёртовой дырой». Надежды не оправдались, и вскоре Роберт впал в депрессию. Он крепился, но друзья стали замечать неладное. Двухнедельная поездка с приятелями на Корсику помогла ему немного оправиться. Они бродили по горам, забыв все невзгоды. А после встречи с Бором, который приехал в лабораторию Резерфорда, его настроение и вовсе изменилось. Бор и его работа произвели на Оппенгеймера такое впечатление, что он тут же решил стать теоретиком.

Вскоре Макс Борн пригласил Оппенгеймера побывать в Гёттингенском университете, и тот решил ненадолго съездить в Германию, но интеллектуальная атмосфера и взаимоотношения в университете так ему понравились, что он остался в Гёттингене и через пару лет защитил там диссертацию. В Гёттингене Оппенгеймер очень изменился, от депрессии не осталось и следа, и он с головой ушёл в работу. Годы, проведённые им в Германии (1926-1927), кстати, были очень плодотворными для развития физики – квантовая механика только разрабатывалась, и в ней практически каждую неделю происходили важные открытия.

Оппенгеймер оказался в самой гуще событий, для него это было прекрасное время. Он работал с Борном, применяя новую теорию для объяснения соударений частиц; вместе они создали то, что теперь называется приближением Борна-Оппенгеймера. Вскоре в Гёттинген приехал его друг Поль Дирак, и они проводили вдвоём много времени, обсуждая новые идеи.

В 1928 году Оппенгеймер вернулся в Соединённые Штаты. Он достиг вершин: участвовал в развитии квантовой теории, приобрёл известность и поэтому получил массу предложений. Десять американских и несколько европейских университетов предлагали ему место преподавателя. Даже «альма матер» – Гарвард – ждал его приезда. По зрелом размышлении он решил принять два предложения: одно из Беркли, другое из Пасадены – Калифорнийского технологического института. Особенно привлекал его университет в Беркли, известный превосходным физическим факультетом, но в теоретическом отношении он походил на пустыню. Кроме того, там ещё никто не слышал о квантовой теории.

Поначалу преподавание в Беркли ему не давалось. Судя по воспоминаниям его первых учеников, Оппенгеймер невнятной скороговоркой произносил текст лекции, зажав в одной руке сигарету, в другой – кусок мела, так что студенты часто держали пари 88 в надежде, что он сунет мел в рот или начнёт писать на доске сигаретой. Но этого так и не случилось.

Очень скоро Оппенгеймер понял, что студенты за ним не успевают, сбавил темп и начал лучше излагать материал. Он очень любил общаться со студентами после занятий, мог часами объяснять что-то и хвалил студентов, даже если они того не заслуживали. Но на экзаменах спуску не давал, и многие его боялись. Для выпускников – у него их набиралось по крайней мере человек двенадцать – он был кумиром и примером для подражания. Оппенгеймер приглашал их в кафе, угощал новыми блюдами и винами и проводил с ними много времени. Их шутя называли «свитой Оппи». Это была элита, лучшие американские студенты, многие из которых впоследствии прославились.

То было самое плодотворное время в жизни Оппенгеймера. Он много публиковался, и работы у него были серьёзные, хотя и не настолько выдающиеся, чтобы претендовать на Нобелевскую премию. Кто-то из студентов сказал, что, несмотря на острый и проницательный ум, он никогда первым не добивался результатов, потому что не развивал своих идей.

В 40-е годы в его жизни начался новый этап. В 1938 году немецкие физики Ган и Штрассман открыли процесс деления ядра, и вскоре стало очевидно, что на основе этой реакции можно сделать мощную бомбу. США находились в состоянии войны с Германией, и, узнав, что там занимаются такими разработками, американцы последовали примеру немцев. Оппенгеймер участвовал в большинстве предварительных обсуждений. На одном из первых он представил расчёты по количеству расщепляемого материала, который требуется для создания бомбы, и в 1940 году его назначили руководителем проекта. Вначале ему пришлось искать место для секретной лаборатории. Зная горные районы Нью-Мехико, он остановил свой выбор на Лос-Аламосе. Как известно, атомная бомба была создана и применена.

Основным вкладом Оппенгеймера в астрофизику было открытие постоянно коллапсирующей звезды. Интересно, что это его единственный экскурс в данную область. Бо?льшая часть работ 1938-1939 годов, когда он опубликовал свою статью по астрофизике, посвящена квантовой теории и ядерной физике. Странный результат поразил учёного. Вот что Оппенгеймер писал коллеге в 1939 году: «Мы занимались статическими и нестатическими решениями для очень больших масс, истощивших источники ядерной энергии. Это могут быть старые звёзды, от которых в результате коллапса осталось только нейтронное ядро. Результаты получились очень странные…»

Открытая Оппенгеймером и Снайдером звезда некоторое время привлекала внимание учёных, но постепенно интерес к ней угас. Многие астрономы считали, что эти поразительные результаты для современной астрономии не имеют значения, ведь такие экзотические объекты вряд ли существуют в природе. Без сомнения, Оппенгеймер продолжил бы работу в этом направлении, но тут началась война, и он переключился на атомную бомбу. К проблеме коллапсирующих звёзд он больше не возвращался. В 50-х годах, когда ей во всём мире занималась горсточка учёных, дело продвигалось плохо. Но в начале 60-х годов положение изменилось. Были открыты странные объекты, напоминающие звёзды (теперь они называются квазарами). Оказалось, что они выделяют колоссальное количество энергии. Каков механизм этого процесса? Нет ли тут связи с чёрными дырами? Открытие вызвало некоторый интерес, но, так как нейтронные звёзды ещё не были обнаружены, чёрные дыры никто всерьёз не принял.

Затем в 1967 году, когда Джослин Белл впервые зафиксировала пульсирующий сигнал, и уже через год астрономы точно знали, что обнаружена первая нейтронная звезда. Тогда они обратили внимание на чёрные дыры: об их существовании теоретически было известно давно, но неясно было, существуют ли они в действительности. Как только учёные занялись чёрными дырами, им удалось добиться больших успехов. В Соединённых Штатах над этой проблемой работали Джон Уилер, Кип Торн, Ремо Руффини и другие, в Советском Союзе – Я. Б. Зельдович и И. Д. Новиков, в Англии – Роджер Пенроуз, Брендон Картер и Стивен Хокинг. Через несколько лет теория чёрных дыр была разработана достаточно хорошо.

Основным инструментом в изучении чёрных дыр служит общая теория относительности, хотя следует заметить, что чёрные дыры не являются её «продуктом». Если когда-то в будущем выяснится, что общая теория относительности неверна, это не будет означать, что чёрных дыр не существует. Они существуют во всех серьёзных теориях гравитации. Например, теория Дикке и Бранса, которую сейчас считают основной соперницей общей теории относительности, также предсказывает их существование.

Издали нельзя сказать, что в чёрной дыре есть что-то необычное, разве что её странный вид. Гравитационное поле у неё такое же, как было до коллапса. Если вокруг массивной звезды вращается планета, а звезда внезапно сколлапсирует и превратится в чёрную дыру, планета останется на той же орбите. Там она может вращаться ещё миллиарды лет. Правда, в конце концов под действием определённых сил планета медленно приблизится к чёрной дыре и за критической точкой будет втянута внутрь и смята.

Но если гравитационное поле после коллапса остаётся таким же, как до него, откуда столько разговоров о какой-то невероятной силе гравитации? Действительно, поле вокруг звезды не меняется, но не следует забывать, что первоначально звезда имела, скажем, миллион километров в диаметре, а чёрная дыра – около десяти километров. Это означает, что можно ближе подойти к источнику поля, и по мере приближения к нему интенсивность поля возрастает.

Чёрная дыра не излучает света, и всё же, если приближаться к ней на ракете, станет ясно, что она где-то рядом. Мы почувствуем её притяжение и даже сможем увидеть её в телескоп. Она покажется нам чёрным кругом на фоне звёзд, из самой дыры свет не излучается. Вблизи неё следует соблюдать осторожность – стоит кораблю подойти слишком близко, как его затянет в чёрную дыру и спастись уже не удастся.

Коллапс звезды и её превращение в чёрную дыру

Чтобы понять, к каким последствиям приведёт появление чёрной дыры, для начала рассмотрим коллапс достаточно большой звезды, которая способна образовать такую дыру. Предположим, что эта звезда не вращается. По мере «старения» она расходует свою энергию и превращается в красного гиганта, но в конце концов её топливо кончается и звезда становится неустойчивой. Термоядерная «печь» обеспечивала направленное вовне давление, которое уравновешивало силу гравитационного сжатия, но теперь его нет. Гигантская сила сжатия скоро становится неодолимой. Если звезда невелика (меньше одной массы Солнца), коллапс растягивается на миллионы лет, но для массивных звёзд он происходит практически мгновенно. Ядро звезды начинает стремительно сжиматься, и меньше чем за тысячную долю секунды звезда превращается в чёрную дыру.

Представим себе, что нам удалось «растянуть» коллапс во времени и теперь мы наблюдаем результат замедленной съёмки. Вскоре после начала сжатия происходит всплеск рентгеновского и гамма-излучения. Коллапс продолжается, и фотонам становится всё труднее противостоять растущему притяжению. Фотоны, которые покидают поверхность под углом, имеют искривлённую траекторию (как следует из общей теории относительности). Те же, которые улетают по траекториям, параллельным поверхности, остаются на орбите вокруг звезды, и через долю секунды ни один фотон уже не может вырваться – звезда прошла то, что называется горизонтом событий. Мы уже не можем непосредственно наблюдать её; на том месте, где была звезда, видна только чёрная сфера. Однако вещество звезды продолжает коллапсировать и за горизонтом событий; более того, коллапс продолжается вечно, и в конце концов вещество сжимается до нулевого объёма в центре звезды. Этот центр называется сингулярностью.

Возможно, так выглядит чёрная дыра в космосе. Скопление звёзд около неё – оптическая иллюзия, вызванная сильным искривлением пространства в окрестности дыры

Наблюдал ли кто-нибудь коллапс звезды так, как мы его описали? Ответ однозначен – нет. Звезда сжимается слишком быстро. Мы могли бы видеть только в некой точке пространства огромную звезду, которая затем внезапно исчезнет (если нам повезёт и мы увидим коллапс). Но это очень маловероятно – за десятки лет лишь несколько звёзд по соседству с нами превратились в чёрные дыры.

Вернёмся к коллапсу и рассмотрим его повнимательней. Если бы мы смогли увидеть его в замедленном варианте, то заметили бы, как звезда сожмётся и покраснеет. Покраснение вызывается следующим из общей теории относительности замедлением времени. Фотоны похожи на крошечные очень точно идущие часы; если время замедляется, частота колебаний уменьшается, отчего фотоны «краснеют».

Чёрная дыра «в разрезе». Показаны горизонт событий и сингулярность в центре

По мере приближения звезды к горизонту событий испускаемый ею свет попадает в «ловушку», создавая красное гало, которое держится некоторое время. Но постепенно красное свечение угаснет, и перед нами окажется только тёмная сфера – чёрная дыра.

Внутри чёрной дыры

До сих пор мы описывали коллапс так, как видел бы его наблюдатель, находящийся далеко от звезды. Для него звезда уменьшалась бы в размере до тех пор, пока не стала бы чёрной дырой и не прекратила сжиматься, т.е. как бы замёрзла. Более пристальный взгляд позволяет заметить, что, подходя к критическому размеру, звезда становится всё меньше, но достичь его не может. А как коллапс выглядит для наблюдателя, который находится на поверхности сжимающейся звезды? Увидит ли он то же самое? Оказывается, нет. Для него всё будет по-другому. По его часам звезда сожмётся за конечное время, за долю секунды он проскочит через горизонт событий и будет раздавлен в центре звезды, где сосредоточится вся её масса. Но с точки зрения удалённого наблюдателя тот, кто находился на поверхности звезды, так и останется там на долгие годы после начала коллапса.

Такой необычный на первый взгляд результат является следствием странного поведения времени: оно идёт с разной скоростью, которая зависит от того, насколько близко от чёрной дыры находится наблюдатель. Предположим, что есть два наблюдателя, A и B, которые разместились на некотором расстоянии от чёрной дыры каждый со своими часами. После синхронизации часов один из наблюдателей, скажем B, помахав на прощанье рукой, устремляется к чёрной дыре. Тот, кто остался на месте (A), смотрит, как он постепенно приближается к чёрной дыре. С помощью телескопа он видит часы B и замечает, что по мере приближения к чёрной дыре они идут всё медленнее. Наконец они почти, но всё же не совсем, останавливаются. Самому B кажется, что он никак не может долететь до поверхности чёрной дыры.

Что же видит наблюдатель B, летящий к чёрной дыре? Для него звезда выглядит «замёрзшей»; он быстро приближается к чёрной дыре; глядя на часы, он видит, что они идут нормально. Если же он оглядывается, то видит, что часы A спешат, причём, чем ближе он подлетает к дыре, тем больше.

Приближаясь к чёрной дыре, он замечает ещё кое-что: его начинает растягивать и раздирать на части. Происходит это под действием так называемых приливных сил, которые действуют, когда на небольшом расстоянии происходит резкое изменение поля тяготения. Если ноги окажутся ближе к поверхности чёрной дыры, чем голова, их будет притягивать к ней с большей силой, и тело начнёт растягиваться. То же явление, только в меньшей степени, наблюдается по мере приближения к нейтронной звезде. Когда наш наблюдатель окажется у самой поверхности чёрной дыры, его тело будет походить на натянутую струну. Позднее мы увидим, что если чёрная дыра достаточно массивна, приливные силы малы. Предположим, что в данном случае это так, и закончим наш рассказ.

За конечное (весьма короткое) по его часам время падающий наблюдатель пройдёт через горизонт событий и попадёт в «отдалённую местность» внутри. Скрывшись за горизонтом, он исчезнет для внешнего мира. Он никогда не сможет вернуться, никогда не сможет дать о себе знать. Именно этим объясняется название «горизонт событий»: он является пределом (горизонтом) событий в нашей Вселенной.

Попав в чёрную дыру, наш наблюдатель не сможет сообщить о том, что видит; он всё время будет приближаться к её центру. Если он попытается вернуться к горизонту событий, то обнаружит, что горизонт удаляется от него со скоростью света, а он, естественно, не может двигаться так быстро. В центре находится то, что осталось от звезды после коллапса, – сингулярность.

По мере приближения к сингулярности наблюдатель заметит, что пространство и время поменялись ролями. По нашу сторону горизонта событий мы можем управлять пространством, но не временем: время течёт одинаково независимо от наших действий. Но за горизонтом, как ни странно, можно управлять временем, но не пространством, – нас затягивает сингулярность, хотим мы этого или нет. Оказавшись с ней рядом, мы поймём, что нас ждет та же судьба, что и звезду – нас сожмёт до нулевого объёма.

Другие типы чёрных дыр

Чёрная дыра, о которой шла речь выше, относится к невращающимся. Решение уравнения Эйнштейна, соответствующее такой чёрной дыре, было найдено Шварцшильдом, поэтому она называется шварцшильдовской. Однако большинство звёзд, если не все, вращается, и, следовательно, вращаются образовавшиеся из них чёрные дыры. Решение для таких случаев нашёл в 1963 году Рой Керр из Техасского университета. Решение это сложнее предложенного Шварцшильдом, и соответственно сложнее поведение чёрной дыры.

Как только наблюдатель приблизится к чёрной дыре Керра, он начнёт вращаться в том же направлении, что и эта дыра. И чем ближе он к чёрной дыре, тем выше будет скорость вращения. На определённом расстоянии от оси вращения он обнаружит, что вращается со скоростью, близкой к световой. Та поверхность, на которой это произойдёт, называется статическим пределом. Если вы решитесь проникнуть за него, то обнаружите, что в такой чёрной дыре есть свой горизонт событий, и так же, как в случае со шварцшильдовской чёрной дырой, форма у него сферическая. С другой стороны, поверхность, соответствующая статическому пределу, сплющена и соприкасается с горизонтом событий только у полюсов. Область между этими поверхностями называется эргосферой.

Попав за горизонт событий, мы обнаружим сингулярность, хотя и отличную от предыдущей – тут она имеет форму кольца. Есть и другое важное отличие. Эйнштейн показал, что в случае шварцшильдовской чёрной дыры, для того чтобы пройти через связанную с ней кротовую нору, необходимо иметь скорость больше световой. В случае, рассмотренном Керром, скорость может быть меньше световой.

Рассмотрим подробнее коллапс вращающейся звезды. Прежде всего, нам известно, что если звезда вращается, то по мере сжатия она будет вращаться всё быстрее в соответствии с законом сохранения момента импульса. Это хорошо знают фигуристы: начав вращение с раскинутыми руками, они прижимают их к груди, увеличивая свою скорость. У коллапсирующей звезды, даже при небольшой скорости вращения (такой, как, например, у Солнца), к концу коллапса скорость возрастает настолько, что, не успев стать чёрной дырой, такая звезда разлетится. Для того чтобы превратиться в чёрную дыру, звезда должна уменьшить скорость вращения, и, очевидно, со многими именно так и происходит. Поэтому логично предположить, что большинство массивных звёзд превращаются в чёрные дыры Керра.

Чёрная дыра Керра

Предсказаны ещё два типа чёрных дыр. Возможно, в природе их и нет, но теоретически они очень важны. Когда звезда превращается в чёрную дыру, почти все её характеристики растворяются в сингулярности. Мы никогда точно не узнаем ни её температуру, ни состав: они утрачиваются при превращении звезды в чёрную дыру. Остаются только три характеристики: масса, момент вращения и заряд. Это и определяет существование четырёх типов чёрных дыр. Кроме чёрных дыр Шварцшильда и Керра существуют чёрные дыры Рейснера-Нордстрема (невращающиеся заряженные) и чёрные дыры Керра – Ньюмена (вращающиеся заряженные).

В 1971 году английский теоретик Роджер Пенроуз доказал, что из чёрных дыр, обладающих спином и (или) зарядом, можно извлекать энергию. Если в эргосферу запустить, к примеру, шарик, то он разорвётся. При этом часть его попадёт за горизонт событий, тогда как другая окажется во внешнем пространстве, причём энергия этой части будет больше, чем у всего шарика, первоначально попавшего в эргосферу. Таким образом, из чёрной дыры будет извлечена некая энергия. В случае чёрной дыры Керра эта потеря энергии выразится в замедлении вращения.

В поисках чёрных дыр

До сих пор мы рассматривали чёрные дыры в теоретическом аспекте. А существуют ли они на самом деле? Этот вопрос начал занимать астрономов в середине 60-х годов. Многие не верили в их реальность, и до сих пор кое-кто сомневается в этом. В конце концов общая теория относительности – всего лишь теория, хотя многие учёные считают её превосходной и уверены в правильности её предсказаний. Возможно, впрочем, что когда-нибудь на её место придёт новая теория, в которой чёрных дыр такого типа не будет, а значит, нужно подобрать кандидата на эту роль. Но где его искать? И, главное, стоит ли этим заниматься? Что если в нашей Галактике их окажется слишком мало, и нам так и не удастся найти хоть одну? Начнём с конца: сколько чёрных дыр может быть в нашей Галактике?

Важным фактором является, конечно, время. Достаточно ли времени прошло для образования большого числа чёрных дыр? Мы знаем, что продолжительность жизни нашего Солнца составляет около 10 миллиардов лет, а сейчас ему около 4,5 миллиардов. Но чёрные дыры получаются из звёзд, намного более массивных и развивающихся гораздо быстрее, чем наше Солнце. Большинство массивных звёзд заканчивает свой жизненный цикл меньше чем за миллиард лет. Значит, время на нашей стороне.

Затем следует определить число массивных звёзд в нашей Галактике. Конечная масса, равная трём солнечным, – вот всё, что нужно для превращения звезды в чёрную дыру. Но большинство звёзд теряет часть массы как до, так и в процессе коллапса, и, значит, чёрная дыра с массой, равной трём солнечным, появилась при коллапсе звезды, начальная масса которой была существенно больше этого значения, например, раз в восемь больше массы Солнца. К счастью, даже такие значения не являются чрезмерными для нашей Галактики. В нашей Галактике около 200 миллиардов звёзд, а её возраст насчитывает 15-16 миллиардов лет. Сколько в ней может быть чёрных дыр? У нас нет точных данных, чтобы оценить их число, и потому оценка может быть только приблизительной. Предположим для начала, что каждые 100 лет образуется одна чёрная дыра. Такое предположение основано на наших представлениях о распределении звёзд в Галактике и об их жизненном цикле. С помощью этих данных можно подсчитать общее число чёрных дыр: получится несколько сот тысяч; возможно, мы ошибёмся на несколько порядков, но всё-таки есть надежда, что поиски не лишены смысла.

Затем возникает вопрос: что мы ищем? Так как большинство чёрных дыр имеет всего несколько километров в диаметре, их вряд ли можно увидеть. Совершенно очевидно, что придётся ориентироваться на косвенные признаки. Лучше всего заняться поисками газа, который засасывается чёрной дырой. При этом газ должен так нагреться, что станет испускать рентгеновское излучение, которое можно заметить и с Земли.

Полость Роша вокруг звезды

Рассмотрим такую ситуацию подробней. Представим себе, что мы имеем дело с двойной звёздной системой, где одна из звёзд только что превратилась в чёрную дыру. Когда в неё каким-то образом затягивается газ с другой звезды, появляется рентгеновское излучение. Как это происходит? Для ответа на этот вопрос нужно рассмотреть так называемую полость Роша. Вокруг чёрной дыры находится несколько воображаемых сфер, где поле тяготения одинаково во всех точках. Называются такие сферы потенциальными. Если речь идёт о двойной системе, то сфера вокруг каждой звезды искажается, так как поле тяготения одной звезды воздействует на другую. В том месте, где сила, вызываемая полем, одинакова во всех точках пространства, возникает особая фигура в форме восьмерки. Это и есть полость Роша. Она существует во всех двойных системах, даже в системе Луна-Земля. Точка соприкосновения этих сфер особенно важна и называется внутренней точкой Лагранжа (L). Если вещество звезды A попадёт в эту точку, его затянет в B, и соответственно, то же произойдёт с веществом звезды B.

Представим себе, что B превращается в чёрную дыру. Это означает, что если газ от A пройдёт через точку Лагранжа, он тут же попадёт в чёрную дыру. Произойти это может двумя способами. Один из них: стоит подождать достаточно долго, как звезда A начнёт расширяться, превратится в красного гиганта, и её внешние слои пройдут через точку Лагранжа. Существует и другая возможность: если звезда A – большая голубая звезда с сильным солнечным ветром, то частицы, из которых состоит этот ветер, также будут втянуты в чёрную дыру, если пройдут через точку Лагранжа.

Вычисления показывают, что всё вещество, которое проходит через точку Лагранжа, будет закручиваться по спирали по направлению к B, образуя диск аккреции. Отдельные частицы газа в этом диске будут вести себя, как планеты в нашей Солнечной системе, в том смысле, что те, которые окажутся ближе к чёрной дыре, будут двигаться быстрее, чем те, которые дальше от неё (так же, как Меркурий обращается быстрее, чем Земля). Это создаёт довольно высокое трение между слоями, отчего газ нагревается. К тому моменту, когда он попадёт в чёрную дыру, его температура составит миллиарды градусов, что приведёт к возникновению сильного рентгеновского излучения.

Итак, наши поиски свидетельствуют о том, что основные кандидаты на роль чёрных дыр – двойные звёзды, но, так как размеры чёрных дыр крайне малы, их присутствие в системе будет незаметно. Сможем ли мы обнаружить такие системы? Астрономам они знакомы, их называют спектрально-двойными. Хотя в телескоп видна только одна звезда, учёные знают, что на самом деле их две. Это видно по спектральным линиям, которые смещаются, потому что длина волны испускаемого такой звездой света меняется из-за орбитального движения (это явление называется эффектом Доплера).

Прежде чем обсуждать источники рентгеновского излучения такого типа, сделаем краткий обзор истории развития рентгеновской астрономии. Земная атмосфера не пропускает рентгеновского излучения, а для того чтобы выйти за её пределы, нужны ракеты, зонды и спутники. Первая ракета, оборудованная приборами для обнаружения рентгеновского излучения, была запущена в 1962 году. Сразу же было обнаружено несколько рентгеновских источников; один из них – в созвездии Скорпиона. Позднее удалось показать, что этим источником является яркая голубая звезда, но не было доказательств, что она входит в двойную систему. В последующие годы во время новых полётов обнаружили и другие источники. Два особо интересных находятся в созвездиях Центавра и Геркулеса. Оба имеют высокую частоту пульсации и, по-видимому, входят в двойную систему, но ни один из них так и не удалось отождествить с чёрной дырой.

Запуск спутника для регистрации рентгеновского излучения UHURU (что на суахили означает «свобода»), произведённый в Кении в День независимости в декабре 1970 года, способствовал быстрому развитию рентгеновской астрономии. Вскоре был опубликован первый каталог источников рентгеновского излучения, обнаруженных этим спутником; в нём содержалось 100 наименований, 55 из которых представляли особый интерес (с неидентифицированным источником рентгеновского излучения). Вскоре всё внимание сконцентрировалось на одном из них, известном под названием Лебедь XI. Он часто пульсировал, но пульсация не походила на импульсы источников в созвездиях Геркулеса и Центавра: они были непериодическими. Краткий период пульсации показывал, что источник мал – размером с чёрную дыру. Наконец, в 1971 году был обнаружен оптический компонент системы (который нельзя увидеть невооружённым глазом). Система представляет собой спектрально-двойную с периодом вращения 5,6 суток, причём второй компонент (источник рентгеновского излучения) не виден. Главная звезда – голубой гигант, зарегистрированный в каталоге Генри Дрейпера под номером HD226868.

А какова масса этих источников? Раз можно определить спектральный класс главной звезды, то можно примерно подсчитать и её массу. Оказалось, что она примерно в 22 раза больше массы нашего Солнца. Зная это и сделав некоторые допущения, можно определить массу звезды-спутника: она равна примерно восьми массам Солнца и вполне может оказаться чёрной дырой. Короче говоря, мы имеем источник рентгеновского излучения, который относится к невидимому и, следовательно, малому объекту, в восемь раз массивнее Солнца, и вполне подходит на роль чёрной дыры. Поскольку главная звезда является голубым гигантом, то предполагается, что в чёрную дыру затягивается солнечный ветер, а не наружный слой самой звезды.

Другие кандидаты на роль чёрных дыр

Бесспорно, самым подходящим, но не единственным кандидатом является Лебедь XI. Сходный источник (Циркуль XI) в созвездии Циркуля также привлекает в последнее время внимание астрономов. Это спектрально-двойная система с периодом обращения 16,6 дня. В отличие от источника Лебедь XI, его излучение временами пропадает, причиной чего может служить покрытие источника рентгеновского излучения основной звездой. Временные изменения сигнала столь же краткие, как и у Лебедя XI, что указывает на схожесть размеров. Основной в системе является слабая красная звезда; некоторые астрономы считают, что её цвет и низкая светимость объясняются тем, что она окружена пылевым облаком, которое и задерживает свет. Главная трудность, связанная с Циркулем XI, заключается в том, что его масса неизвестна. В этом отношении Циркуль XI – не столь удачный кандидат, как Лебедь XI.

Другой кандидат находится на расстоянии примерно 5000 световых лет в направлении созвездия Скорпиона. Масса его известна, что выгодно отличает его от других претендентов. Масса главной звезды составляет от 20 до 30 масс Солнца, и это говорит о том, что звезда-спутник (кандидат на роль чёрной дыры) имеет массу от 7 до 11 солнечных. Но, как и в случае с Циркулем XI, тут есть одна трудность: временны?е изменения сигнала недостаточно коротки, чтобы предположить, что размеры источника соответствуют чёрной дыре.

Квазар ЗC273 в созвездии Девы

Все упомянутые выше претенденты на роль чёрных дыр являются спектрально-двойными, но есть ещё один, который не входит в такую систему, речь идёт о Кассиопее A. Этот источник рентгеновского излучения считают остатками сверхновой, взорвавшейся около 1668 года. Как ни странно, свидетельств о появлении в это время сверхновой не сохранилось. Советский астрофизик И. С. Шкловский, изучавший этот источник, пришёл к выводу, что его масса когда-то была выброшена в расширяющуюся оболочку вокруг сверхновой, а оставшийся центральный объект теперь имеет массу около 10 масс Солнца. Шкловский считает, что вместо взрыва сверхновой вполне могло произойти схлопывание, в результате которого образовалась чёрная дыра. По мнению Шкловского, существуют веские аргументы в пользу такого предположения.

Одни из самых удивительных кандидатов на роль чёрных дыр появились не в результате коллапса звёзд (во всяком случае, их нельзя считать его прямым следствием), а скорее относятся к группам звёзд или галактик. Гигантская эллиптическая галактика M 87, которая находится от нас на расстоянии 60 световых лет в скоплении галактик в созвездии Девы, является одновременно сильным источником радио- и рентгеновского излучения.

Газовый диск в ядре активной галактики М87

На фотографиях она выглядит как объект, выбрасывающий вещество на расстояние 4000 световых лет. В выбросе наблюдается значительная турбулентность, в которой заметны несколько вихрей. Сильней всего радиоизлучение в ядре галактики и в выбросе вещества. Наблюдения показали, что ближе к ядру звезды движутся с огромной скоростью (примерно 400 км/с), и есть доказательства того, что в этом районе происходит приток газа. Отсюда следует, что в ядре скопилось большое число звёзд и значит, ядро должно быть очень ярким. Однако это не так, хотя оно и весьма массивно; возможно, его масса в 5 миллиардов раз больше массы Солнца. Многие астрономы считают, что этот массивный объект является чёрной дырой. Гигантский диск аккреции вокруг него состоит из звёзд и газа, и по мере того, как они затягиваются в чёрную дыру, она излучает волны рентгеновского диапазона.

Гигантская эллиптическая галактика M 87 и ее шаровые скопления

Пояснения: В динамическом центре близкого скопления галактик в Деве на расстоянии около 50 млн. световых лет лежит галактика Мессье 87 (NGC 4486). Хотя границы эллиптических галактик трудно поддаются определению, по всем стандартам М 87 – огромная галактика. Она в 20 раз превосходит среднюю галактику типа Млечного Пути по размерам и в 40 раз – по массе, насчитывая несколько тысяч миллиардов звезд. Она является к тому же и мощным радиоисточником. С этой гигантской галактикой связано большое число шаровых звездных скоплений, видимых на фотографии в виде слегка размытых объектов, разбросанных по пространству галактики. Подобно всем эллиптическим галактикам, М 87 состоит в основном из старых звезд и практически лишена вещества, необходимого для образования новых звезд.

M 87 не единственная галактика такого типа, есть ещё квазары и другие галактики с выбросом вещества. Некоторые учёные считают, что во всех радиогалактиках и, может быть, даже в обычных, таких, как наша, ядро представляет собой чёрную дыру. Известно, к примеру, что ядро нашей Галактики представляет собой очень сильный источник радиоизлучения, но мы до сих пор не знаем, чем оно вызвано.

Реальная оценка необыкновенных возможностей

Раньше мы говорили о возможности прохождения материи сквозь пространственно-временной туннель (мостик Эйнштейна-Розена), связанный с чёрной дырой Керра. Подразумевается, что через такой туннель может пройти и космонавт, а это открывает весьма соблазнительные возможности. Прежде чем думать о подробностях такого путешествия, надо спросить себя, что же на самом деле представляет собой горловина, приставленная к другому концу чёрной дыры (та, которую открыли Эйнштейн и Розен). Очевидно, что она не может быть прямо связана с чёрной дырой, так как чёрные дыры только поглощают вещество; космонавту придётся выйти через другую горловину, и тогда чёрная дыра должна будет выбросить это вещество.

Астрономы называют такую горловину белой дырой. Белые дыры представляют собой чёрные дыры с обратным ходом времени, и, следовательно, можно ожидать, что из них будет извергаться материя. Но существуют ли они в природе? Похоже, есть свидетельства того, что из ядер сейфертовских галактик происходит выброс вещества; кроме того, по-видимому, то же происходит и с квазарами. Итак, хотя бы на первый взгляд, белые дыры имеют шансы на существование.

Если они есть на самом деле, то наш космонавт сможет попасть в горловину чёрной дыры, аккуратно обойти стороной сингулярность (потому что иначе он исчезнет) и выйти через горловину белой дыры. Кажется, всё это нетрудно проделать – особенно до тех пор, пока не задумываешься о деталях. Во-первых, существуют приливные силы, о которых мы говорили ранее, – они будут стремиться разорвать космонавта ещё до того, как он попадёт за горизонт событий. Можно ли что-то предпринять в такой ситуации? Оказывается, можно, во всяком случае в теории. Приливные силы на обычной чёрной дыре (размером несколько километров), образовавшейся в результате коллапса звезды, очень велики, и потому в радиусе их действия космонавта непременно разорвёт на куски. Однако в более массивной чёрной дыре эти силы не столь велики, более того, чем массивнее чёрная дыра, тем они слабее. Если же чёрная дыра окажется очень массивной (в миллионы раз массивнее Солнца), они будут такими слабыми, что за горизонтом событий их действие будет неощутимым.

Нам придётся преодолевать не только приливные силы, у чёрных дыр Керра скорость вращения очень высока, и когда наша ракета приблизится к такой чёрной дыре, она начнёт вращаться вместе с ней. Кроме того, если неподалёку окажется вещество, то уровень радиации может быть очень высоким. Возможно, мы смогли бы преодолеть все эти трудности, но существует ещё одно соображение, о котором мы совсем забыли: где мы окажемся, если пройдём сквозь туннель? Если верить Эйнштейну, единственный ответ – «в другой Вселенной»; однако не так давно было показано, что существует и иная возможность – мы можем оказаться в дальней точке нашей Вселенной. Пожалуй, такой вариант привлекательней первого. Можно вообразить, что по туннелю мы попадаем в некую отдалённую точку нашей Вселенной, а вот по поводу других вселенных нам ничего не известно; вообще непонятно, что это такое, и большинство астрономов отказываются даже обсуждать такую возможность.

Тем не менее идея туннеля как некоего пространственно-временно?го «метро» понравилась многим учёным. Они считают, что такой туннель может оказаться нашей дорогой к звёздам. Если нам, к примеру, нужно попасть на Альфу Центавра, то следует лишь найти ближайший вход, проехать по такому туннелю и выйти где-нибудь неподалёку от нужной точки. Но тут есть свои трудности. Например, мы можем быть уверены, что выйдем из туннеля там, где нужно, только идя проторенным путём. Когда мы пойдём через него в первый раз, будет сложно определить наше положение относительно Солнца. Другая трудность связана с тем, что движение возможно только в одну сторону, и попав к месту назначения, трудно будет вернуться назад. Предположим, что в данный момент нас это не волнует, и попытаемся представить себе, как будет выглядеть такое путешествие. У самого входа в горловину нас начнёт крутить, но точно направив корабль, мы сможем замедлить его ход. Впрочем, потом мы поймём, что никакие наши усилия не позволят удержать корабль неподвижно, потому что мы находимся внутри так называемого статического предела. Мы будем быстро вращаться в эргосфере. Продолжая продвигаться вглубь, мы пройдём горизонт событий. Оказавшись за ним, обнаружим, что наш корабль стал неуправляемым, его быстро несёт по направлению к сингулярности и остановить его нет никакой возможности. Казалось бы, путешествие должно закончиться печально. Этому впечатлению будет способствовать и то, что пространство и время за горизонтом событий поменяются местами. В нашем мире мы можем управлять пространством, т.е. передвигаться куда хотим. Что же касается времени, то над ним мы не властны, оно течёт само по себе независимо от нашей воли. А вот внутри чёрной дыры, где время и пространство поменялись ролями, можно управлять временем, но не пространством. Иными словами, расстояние между нами и сингулярностью, несмотря на наши усилия, неотвратимо уменьшается. К счастью, учёные показали, что за обычным горизонтом событий есть ещё один, и когда мы попадём за него, время и пространство снова поменяются местами, и мы сможем избежать сингулярности.

Предположим, что нам это удалось. Пройдя сквозь горловину белой дыры, мы выйдем в какой-то отдалённой точке нашей Вселенной. Взглянув на часы, мы заметим, что путешествие заняло несколько секунд. Однако, если бы можно было сравнить наше время с тем, которое прошло на Земле, оказалось бы, что нас забросило на миллионы лет или в будущее, или в прошлое. Выходит, что пространственно-временные туннели – это ещё и машины времени!

Много лет назад о машинах времени размышлял Г. Уэллс. Конечно, машины, рисовавшиеся его воображению, совсем не похожи на те, что связаны с чёрными дырами. Но хотя эти «машины времени» предсказаны солидной теорией, их использование, как нетрудно заметить, приводит к осложнениям. Причём осложнения эти столь серьёзны, что могут заставить нас отказаться от самой идеи туннелей. Одним из фундаментальных принципов физики является принцип причинности, который гласит, что у каждого следствия есть причина, и она должна предшествовать следствию. Если же пространственно-временные туннели существуют, этот принцип нарушается.

Будь это единственным камнем преткновения, мы могли бы его обойти, но их, к сожалению, гораздо больше. Давайте вернёмся к белой дыре; ранее я говорил о том, что это чёрная дыра с обратным ходом времени, и раз в будущем чёрные дыры всегда будут существовать, значит, в прошлом должны всегда (т.е. с момента зарождения Вселенной) существовать белые дыры. Однако белые дыры, связанные с коллапсом чёрных дыр, не могут существовать так долго. Возможно, звезда сколлапсировала всего несколько лет назад. Существует, впрочем, тип чёрной дыры, о котором мы поговорим позднее, так называемые реликтовые чёрные дыры. Они образовались во время Большого взрыва, когда возникла Вселенная. Если предположить, что такие чёрные дыры существуют, то есть и белая дыра (связанная с чёрной дырой), которая существовала всегда.

Но и это не избавляет нас от всех затруднений. Д. Ирдли из Йельского университета показал, что если даже после Большого взрыва появились бы белые дыры, то вокруг них возникло бы столь мощное излучение, что вскоре они превратились бы в чёрные дыры. Поэтому, возможно, в нашей Вселенной и нет белых дыр, т.е. в пространственно-временных туннелях есть входы, но нет выходов. Войдя в такой туннель, мы не сможем из него выйти. Кроме того, Дж. Уилер и другие показали, что эти туннели весьма нестабильны. Возможно, они быстро пульсируют, закрываясь и открываясь, так что мы не сможем пройти сквозь них.

Я, впрочем, уверен, что писателям-фантастам все мои соображения не помеха. Они по-прежнему будут писать рассказы о путешествиях во времени, но что касается их осуществимости даже в самом далёком будущем, то вряд ли они будут возможны. Впрочем, в науке иногда случаются и непредвиденные повороты.

Когда подводит теория

Пожалуй, мы довольно порассуждали о чёрных дырах; у нашей книги совсем другая цель: нас интересует полная, всеобъемлющая единая теория поля. Впрочем, теория эта, как мы потом увидим, тесно связана с чёрными дырами. А пока посмотрим, когда отказывает теория относительности. Мы установили, что она годится для объяснения процессов в нейтронных звёздах и предсказывает существование чёрных дыр.

Давайте разберёмся в том, что же всё-таки общая теория относительности говорит о чёрных дырах. Как уже отмечалось, когда достаточно массивная звезда коллапсирует, она образует горизонт событий, который представляется нам чёрной сферой. Вещество звезды продолжает сжиматься и в конце концов образует сингулярность в центре горизонта событий. Учёные рассматривают сингулярность как место с бесконечно большой плотностью, лишённое размеров, и тем не менее там как-то помещается сама звезда и всё, что попадает туда позднее. Сократившись до нулевого объёма, звезда теряет почти все свои признаки. Впрочем, описывая сингулярность таким образом, надо соблюдать осторожность, ведь в действительности это просто место, где наша теория не работает, или, другими словами, место, где условия таковы, что мы не можем адекватно описать происходящее, а если пытаемся, то получается несуразица. В данном случае несуразица – это бесконечная плотность и масса, не имеющая размеров. Мы говорим, что это следствие нашего невежества, и считаем, что таков логический (или нелогичный) конец коллапса.

Черная дыра в центре галактики (рисунок)

Так как мы применяли общую теорию относительности, то вот ответ на наш вопрос: общая теория относительности не работает, т.е. не даёт осмысленного результата для сингулярности в чёрной дыре. Собственно, отказывает она даже немного раньше, чем появляется сингулярность. Если попытаться использовать её для объяснения событий, выходящих за рамки применимости теории, то получаются такие же абсурдные результаты, как и в начале XX века, когда учёные пытались объяснить строение атома с помощью теории Максвелла. Из его теории следовало, что существование атомов невозможно. Электроны, вращаясь вокруг ядра, должны были бы расходовать энергию атома, и очень скоро упали бы на ядро, а значит, вещество не существовало бы в привычном нам виде. Следовательно, что-то не так с используемой теорией или же она применяется там, где не может работать. Прошло несколько лет, и стало ясно, что классическая теория неприложима к атомам. Использовав квантовую теорию, учёные смогли дать всему комплексу атомных явлений удовлетворительное объяснение.

Похоже, что и теория относительности в применении к чёрным дырам, даёт бессмысленные результаты. Однако несколько лет назад Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали теорему, согласно которой за горизонтом событий всегда присутствует сингулярность (не обязательно та, о которой мы говорили). Строго говоря, они показали, что там возникает «конец», или «граница» пространства-времени. До сих пор толком не понятно, что это значит.

Чтобы понять, в чём состоит затруднение, вернёмся к нашим коллапсирующим звёздам. Вещество звезды продолжает коллапсировать даже после того, как попадает за горизонт событий, и постепенно сжимается настолько, что начинают проявляться квантовые эффекты. К сожалению, у нас нет квантового варианта общей теории относительности, и можно только гадать о том, что произойдёт, когда вещество попадёт в эту область. Учёные предполагают, что квантовое тяготение может оказать воздействие на саму природу пространства. Пространство может приобрести непривычный для нас облик, перекрутиться, исказиться невероятным образом и даже разорваться на части. Трудно представить себе такой разрыв. Непонятно, что будет находиться между отдельными кусками пространства? Если же не рассматривать такие возможности, можно представить себе, что возникает множество «кротовых нор». На этой стадии топология пространства, вполне вероятно, будет очень сложна – что-то вроде смеси из пространства и непространства.

Итак, здесь общая теория относительности отказывает, и для объяснения таких явлений нужна новая теория. В следующей главе мы увидим, что та же проблема возникает в связи с ранней Вселенной.

Открытие испарения чёрных дыр

До сих пор мы говорили о чёрных дырах, образовавшихся в результате коллапса массивных звёзд. Но есть чёрные дыры другого типа. Чтобы понять, как они возникают, вспомним ранние стадии Большого взрыва. Около 18 миллиардов лет назад вся масса Вселенной заключалась в бесконечно массивном исходном ядре – сингулярности Вселенной. Внезапно эта сингулярность потеряла устойчивость и взорвалась, в результате чего образовалась Вселенная.

Одним из важных вопросов, связанных с этим взрывом, является такой: был ли взрыв абсолютно однородным или в нём возникли флуктуации плотности? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно оглядеться. Та галактика, в которой мы живём, и те, что нас окружают, свидетельствуют о том, что взрыв не мог быть однородным, потому что иначе галактик не было бы вовсе. Вселенная состояла бы из однородного расширяющегося газа. Если же предположить, что в процессе взрыва возникли неоднородности, то вполне вероятно, что часть вещества сжалась, образовав сгустки, тогда как другая часть вещества расширялась. Такие сгустки могли сжаться до размеров чёрных дыр, но в отличие от чёрных дыр, образовавшихся при коллапсе, их радиус не обязательно равен нескольким километрам. Некоторые из них могут быть совсем маленькими, куда меньше протона, другие – огромными, с массой порядка массы галактики. Чтобы отличать такие чёрные дыры от тех, что образовались при коллапсе звёзд, их называют реликтовыми чёрными дырами.

В течение долгих лет они вызывают интерес учёных: одни считают, что маленькие чёрные дыры могли сталкиваться с Землёй, другие полагают, что они – ядра странных тяжёлых атомов. Вычисления показывают, что если бы такая маленькая чёрная дыра столкнулась с Землёй, то прошла бы насквозь и произошло бы только два небольших взрыва – один при входе в Землю, другой при выходе с другой стороны. Впрочем, у нас нет доказательств, что это когда-либо случалось.

Одно из самых замечательных открытий, сделанное в физике чёрных дыр в последние несколько лет, связано с такими маленькими чёрными дырами. Джейкоб Бекенштейн, изучая в 1972 году термодинамику чёрных дыр, обратил внимание на то, что их поверхностная температура больше абсолютного нуля (абсолютный нуль, или 0 K – самая низкая температура во Вселенной). Но результат казался бессмысленным: всё, что оказывается рядом с чёрной дырой, затягивается в неё, и ничего не может вылететь оттуда. Следовательно, она не может ничего испускать, в том числе и излучение, и должна иметь температуру 0 K. Бекенштейн решил не принимать во внимание этот результат и считать его ошибкой в расчётах. Однако Стивен Хокинг из Кембриджского университета проверил расчёты и нашёл, что всё верно: температура чёрной дыры выше 0 K. В отличие от Бекенштейна Хокинг применил квантовую теорию и показал, как растёт температура. «Парадокс не поддавался объяснению, пока в 1974 году я не занялся изучением поведения вещества в окрестности чёрной дыры, применив квантовую механику. К своему изумлению я обнаружил, что чёрные дыры должны постоянно испускать частицы. Я приложил массу усилий, чтобы избавиться от этого ненужного эффекта. В реальности такого процесса меня убедило то, что спектр излучения полностью совпадал со спектром тепловых нейтронов», – писал он.

Хотя ранее Хокинг уже внёс значительный вклад в физику чёрных дыр, знаменитостью в научном мире его сделал именно эффект испарения чёрных дыр. Родился он в 1942 году, детство провёл в Лондоне и Сент-Олбансе. Отец Хокинга был врачом, специалистом по тропическим болезням. Но не биология, а физика заинтересовала Стивена, и он решил стать учёным, хотя и не пошёл по стопам отца. Позднее, впрочем, он творил, что если бы в те времена молекулярная биология достигла сегодняшнего уровня, он, возможно, занялся бы ею.

Несмотря на любовь к науке, в школе Хокинг не блистал, был средним учеником, редко делал конспекты и иногда даже засыпал на занятиях. Закончив школу, Хокинг подал заявление с просьбой принять его на физико-математический факультет Оксфордского университета. Экзамен по физике он сдал с лёгкостью, с математикой дело обстояло не так хорошо, но всё же в студенты его зачислили. Его лень не уменьшилась, и он часто пропускал лекции, считая их несущественными, хотя много занимался с «тьюторами» – прикреплёнными преподавателями, и позднее говорил, что именно под их руководством получил большую часть своих знаний.

После окончания университета Хокинг решил отправиться в Кембридж, чтобы поработать у Фреда Хойла, известного физика, занимающегося космологией. Однако в Кембридже он попал к Деннису Шаме. Через некоторое время после поступления в аспирантуру Хокинг заметил, что ему трудно говорить и ходить. Вскоре был поставлен диагноз – рассеянный склероз. Поначалу болезнь быстро прогрессировала. У Хокинга началась депрессия. Он мало работал, потому что задавался вопросом, зачем заниматься наукой, ведь он может умереть раньше, чем защитит диссертацию. Но постепенно его состояние стабилизировалось. Это обстоятельство и женитьба на Джейн Уайлд вернули ему надежду, и он полностью погрузился в науку.

Хотя сегодня Хокинг прикован к инвалидному креслу и говорит с трудом, так что его понимают только близкие, он занят главными физическими проблемами. Он сделал несколько важных открытий и имеет четыре почётных докторских степени. Некоторые учёные считают, что его вклад в науку соизмерим с вкладом Эйнштейна. И всего этого он добился, несмотря на то, что не может двигать руками. Страницы книги листает за него автоматическое устройство, в которое нужно только вложить книгу. Учёный, правда, предпочитает пользоваться фотокопией журнала или книги, которую раскладывают перед ним на столе.

Пользоваться карандашом для вычислений он не может, поэтому их приходится делать мысленно, т.е. многое держать в памяти. Хокинг, впрочем, предпочитает представлять свои задачи в виде геометрических диаграмм, а не работать с математическими уравнениями. Подробные вычисления он оставляет своим сотрудникам.

Хокинг показал, что поверхностная температура чёрных дыр определяется странным типом испарения частиц, которое начинается сразу же над поверхностью. Учёным трудно было принять такую точку зрения, потому что чёрная дыра сама по себе не состоит из каких-либо частиц, ведь всё вещество сжалось и образовало сингулярность. Откуда же взяться частицам?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте поговорим о вакууме. Принято считать, что в вакууме нет никаких частиц, хотя учёным давно известно, что это не так. Пространство напоминает улей, в котором постоянно в больших количествах рождаются частицы. Но для этого нужна значительная энергия. Откуда она берётся? Раньше мы уже говорили о том, что микромиру присуща некоторая «размытость», в том числе это относится и к энергии. Оказывается, что согласно квантовой теории закон сохранения не выполняется, если энергия «занимается» и «отдаётся» за очень короткое время. В вакууме дело обстоит именно так. Пары частиц (частица и античастица) рождаются и тут же аннигилируют. Происходит это так быстро, что мы не успеваем их непосредственно наблюдать; такие частицы носят название виртуальных.

Предположим, однако, что сразу после рождения частицы были быстро разделены; тогда они стали бы наблюдаемы. Проделать это можно при помощи достаточно сильного электрического поля. Известно, что в таком поле электрон отклоняется в одном направлении, а позитрон – в противоположном. Если пара такого типа образуется в конденсаторе (представляющем собой две пластины с противоположными по знаку зарядами, между которыми имеется электрическое поле), там, где поле достаточно мощное, должно быть большое число частиц противоположного знака, что и наблюдается на самом деле. В чёрной дыре происходит такое же разделение частиц. Сразу же за горизонтом событий действуют мощные приливные силы. Когда в этой области рождаются виртуальные частицы, они под действием приливных сил тут же разделяются и, следовательно, становятся реальными. Большинство из них упадёт на чёрную дыру, но некоторым удастся улететь в пространство, и со стороны будет казаться, что чёрная дыра испускает частицы. Поскольку многие частицы и античастицы аннигилируют, чёрная дыра будет являться источником весьма мощного излучения.

Но откуда берётся эта энергия? Она поступает из самой чёрной дыры. По мере отдачи в пространство массы и энергии будут уменьшаться соответствующие параметры чёрной дыры, т.е. она будет становиться меньше. Как показал Хокинг, при уменьшении размера интенсивность испускания излучения и частиц возрастает, иначе говоря, чёрная дыра становится всё горячей.

Проделав несложные вычисления, можно убедиться, что такой процесс испарения практически не сказывается на больших чёрных дырах (диаметром несколько километров). У них температура поверхности лишь на несколько миллионных долей градуса выше абсолютного нуля, и поэтому они испаряются очень медленно. Однако у чёрной дыры с массой 1020 г температура поверхности будет уже 3 миллиона градусов. Интересно, что такая чёрная дыра будет не больше атома, а излучать станет так же, как белая дыра. Хокинг даже доказал, что чёрную мини-дыру будет невозможно отличить от белой мини-дыры; и та и другая «фонтанируют» одинаково.

Такое испарение у крошечных чёрных дыр должно протекать неторопливо; несмотря на свой размер, они обладают таким запасом энергии, что израсходовать её в виде излучения можно лишь за миллионы лет. Если бы такую дыру удалось как-то «изловить», она стала бы чрезвычайно полезным источником энергии. В последние моменты её жизни скорость выделения энергии так возрастает, что это похоже на взрыв. Подсчитано, что чёрные дыры, имевшие при образовании массу 1015 г, должны взрываться именно сейчас. Хотя по мощности такой взрыв эквивалентен взрыву бомбы в миллион мегатонн, по астрономическим масштабам это довольно скромно, и подобное событие трудно обнаружить, если только оно не происходит достаточно близко, т.е. в Солнечной системе.

Когда речь заходит о взрыве чёрных дыр, естественно, тут же возникает вопрос: а что останется после взрыва? Горизонт событий, конечно, исчезнет, однако есть основания полагать, что сингулярность в центре останется, но теперь она будет «голой». Существуют ли во Вселенной такие голые сингулярности, наверняка не известно, однако если они есть, это сулит нам серьёзные неприятности – в «кротовых норах» они могут нарушать принцип причинности.

Связь между общей теорией относительности и квантовой механикой

Один из наиболее важных аспектов открытия Хокингом излучения и рождения частиц на чёрных дырах – то, как происходит этот процесс. Чёрная дыра ведёт себя как нагретый объект, находящийся в равновесии с окружающей средой. Хокинг показал, что спектр излучения чёрных дыр описывается формулой, которую получил Планк для излучения нагретых тел. Если учесть, что формула Планка относится к области квантовой механики, а чёрные дыры описываются общей теорией относительности, то таким образом впервые устанавливается связь между основными теориями. Пока ещё всё значение этой связи ясно не до конца, но сама по себе она весьма привлекательна, и возможно, в конце концов удастся установить взаимосвязь между этими теориями, а может быть, и добиться их объединения.

Резюмируя, можно сказать, что для нас чёрные дыры очень важны как средство достижения поставленной цели – создания единой теории. Именно здесь отказывает общая теория относительности и намечается возможная связь с квантовой теорией. Однако чёрные дыры важны и с другой точки зрения. В следующей главе мы увидим, что Вселенная родилась примерно 18 миллиардов лет назад в результате колоссального взрыва. Предполагается, что центром взрыва явилась сингулярность того же типа, что и в чёрной дыре. Мы увидим, что между явлениями в ранней Вселенной и процессами, протекающими при испарении чёрных дыр, имеется неожиданное сходство.