Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

КИП ТОРН

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

и складки времени

Дерзкое наследие Эйнштейна

Перевод с английского под редакцией чл.-корр. РАН В. Б. Брагинского

ББК 22.632 Т 59

УДК 16.5.6

КИП С. ТОРН. Черные дыры и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна. Перевод с англ, под ред. чл.-корр. РАН В.Б. Брагинского. — М.: Издательство физико-математической литературы, 2007. — 616 с. — ISBN 9875-94052-144-4.

Предлагаемая монография является популярным изложением новейших достижений в области астрофизики и гравитации, которые тесно связаны с фундаментальными предсказаниями А. Эйнштейна. Читатель найдет в книге много интересного о вкладе ученых разных стран в эту область науки, а также в близких к ней областях.

Эта книга переведена с английского на французский, немецкий, японский, китайский, польский, греческий языки. Несколько глав ее были ранее переведены на русский и опубликованы в журнале «Природа».

Книга рассчитана на широкий круг читателей, включая школьников старших классов.

ISBN 9875-94052-144-4

© Перевод на русский язык, Издательство физико-математической литературы, 2007

BLACK HOLES

AND

TIME WARPS

Einstein’s Outrageous Legacy

KIP S. THORNE

THE FEYNMAN PROFESSOR OF THEORETICAL PHYSICS CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY

A volume of

THE COMMONWEALTH FUND BOOK PROGRAM under the editorship of Lewis Thomas, M.D.

W e W • NORTON & COMPANY

London

New York

Copyright (© 1994 by Kip S. Thorne All rights reserved

Printed in the United States of America

The text of this book is composed in Walbaum, with the display set in Walbaum display.

Composition and manufacturing by the Haddon Craftsmen, Inc.

Book design by Jacques Chazaud.

Illustrations by Matthew Zimet.

Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Thome, Kip S.

From black holes to time warps : Einstein’s outrageous legacy / Kip S. Thorne.

p. cm.

Includes bibliographical references.

1. Physics—Philosophy. 2. Relativity (Physics) 3. Astrophysics. 4. Black holes (Astronomy)

I. Title.

QC6.T526 1993

530. l'l—dc20 93-2014

ISBN 0-393-31276-3

W. W. Norton & Company, Inc., 500 Fifth Avenue, New York, N.Y. 10110 W. W. Norton & Company Ltd., 10 Coptic Street, London WClA 1PU

34567890

От редактора перевода

Вниманию читателей предлагается книга «Черные дыры и складки времени: дерзкое наследие Эйнштейна» (Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy. — New York City: W.W. Norton Publishers, 1994), написанная профессором Калифорнийского технологического института К.С.Торном, выдающимся американским физиком-теоретиком. Ему принадлежат фундаментальные исследования в области релятивистской астрофизики и гравитации, квантовых измерений и теории гравитационных антенн. Он член Национальной академии наук США, иностранный член Российской Академии наук, а также ряда других академий, почетный доктор Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова. Основная цель книги Торна заключается в том, чтобы в популярной форме рассказать о появлении и развитии новых идей в той области физики, которую обычно называют релятивистской гравитацией.

При написании книги оказалось, что во многих случаях эта задача может быть решена лишь в виде параллельного рассказа о том, что сделали в этой области ученые США и нашей страны. Поэтому Торн включил в нее много комментариев и живых деталей, касающихся драматической истории XX века, на фоне которой разворачивалась драма физических идей. В частности, многие ученые, оказавшие влияние на развитие гравитационной физики, являлись активными участниками американского и советского атомных и термоядерных проектов. Значительная часть этих исторических отступлений почерпнута Торном из личных контактов и специально проведенных при подготовке книги интервью со многими выдающимися физиками. Видимо, другим названием книги могло бы быть «История открытий и история их авторов».

Мне кажется, что предлагаемая книга должна заинтересовать читателей, если, конечно, они, как и автор этих строк, считают, что популяризация научных достижений и идей — один из важнейших для человечества методов борьбы с разными видами обскурантизма и астроложества.

В. Б. Брагинский, Член-корреспондент РАН Москва

ОГЛАВЛЕНИЕ

Абсолютное пространство и время Ньютона и эфир (54). Относительные пространство и время Эйнштейна и абсолютная скорость света (65)

ГЛАВА 2. Искривление пространства и времени

глава, в которой Герман Минковский объединяет пространство и время, а Эйнштейн их искривляет ..................... 83

Абсолютное пространство-время Минковского (83). Закон тяготения Ньютона и попытка Эйнштейна связать его с теорией относительности (89). Приливные силы и кривизна пространства-времени (100)

ГЛАВА 3. Черные дыры открыты и отвергнуты

глава, в которой законы искривленного пространства Эйнштейна предсказывают черные дыры, а сам Эйнштейн их отвергает...... 117

ГЛАВА 4. Загадка белых карликов

глава, в которой Эддингтон и Чандрасекар ведут баталии вокруг

смерти массивных звезд должны ли они, погибая, схлопнуться,

образуя черные дыры, или их спасет квантовая механика?....... 136

Квантовая механика и строение белых карликов (137). Предельная масса (145). Схватка (154)

ГЛАВА 5. Схлопывание неизбежно

глава, в которой даже ядерные силы, казалось бы самые мощные

из всех видов сил, не могут противостоять мощи гравитации .... 160

Цвикки (160). Ландау (175). Оппенгеймер (183). Уилер (194)

ГЛАВА 6. Схлопывается во что?

206

глава, в которой весь арсенал теоретической физики не помогает уйти от вывода — схлопывание порождает черные дыры ......

Рождение черных дыр: первый взгляд (208). Ядерная интерлюдия (217). Рождение черных дыр: все более глубокое понимание (233)

ГЛАВА 7. Золотой век

глава, в которой выясняется, что черные дыры вращаются и пульсируют, запасают и высвобождают энергию, но не имеют волос.......................................... 256

Наставники: Уилер, Зельдович, Сиама (259). У черных дыр нет «волос» (271). Черные дыры вращаются и пульсируют (284)

ГЛАВА 8. Поиск

глава, в которой продолжен, воплощен и (возможно) привел к успеху метод поиска на небе черных дыр ................. 298

Метод (298). Поиск (307)

ГЛАВА 9. Наитие

глава, в которой астрономы оказываются вынужденными

признать, что в ядрах галактик могут находиться

непредсказанные черные дыры, в миллионы раз массивнее

Солнца......................................... 321

Радиогалактики (321). Квазары (334). Гигантские черные дыры (345)

ГЛАВА 10. Рябь кривизны

глава, в которой гравитационные волны несут к Земле закодированные симфонии столкновений черных дыр, а физики изобретают инструменты, чтобы следить за этими волнами и расшифровывать эти симфонии....................... 357

Симфонии (357). Болванки (366). LIGO (379)

ГЛАВА 11. Что такое реальность?

глава, в которой пространство-время искривлено по воскресеньям и плоское по понедельникам; горизонты по воскресеньям сделаны из вакуума и по понедельникам из зарядов, но воскресные эксперименты согласуются с понедельничными во всех деталях..... 400

ГЛАВА 12. Испарение черных дыр

глава, в которой горизонт черной дыры, окутанный атмосферой излучения и горячих частиц, медленно испаряется, а черная дыра сжимается и затем взрывается ........................ 415

Рост черных дыр (415). Энтропия (425). Излучение черной дыры (431). Черная дыра сжимается и взрывается (438)

ГЛАВА 13. Внутри черных дыр

глава, в которой физики борются с уравнением Эйнштейна и пытаются понять, что скрыто внутри черных дыр: путь в другую Вселенную'? Сингулярность с бесконечными приливными гравитационными силами? Конец пространства и времени и рождение квантовой пены? 452

Сингулярности и другие вселенные (452). Революция Пенроуза (463). Наилучшие предположения (477)

ГЛАВА 14. Червоточины и машины времени

глава, в которой автор пытается проникнуть в суть физических законов и задается вопросом: могут ли высокоразвитые цивилизации построить в гиперпространстве тоннели для быстрого межзвездного сообщения и машины для путешествий во времени?............ 488

Червоточиты и экзотическое вещество (488). Машины времени (503). Парадокс матереубийцы (514). Защита хронологии? (522)

ЭПИЛОГ

Обзор наследия Эйнштейна, прошлое и будущее теории,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Эта книга о революции в наших представлениях о пространстве и времени и о замечательных следствиях этой революции, некоторые из которых неизвестны до сих пор. В то же время это потрясающее свидетельство человека, который находится в самой гуще событий, о борьбе и редких успехах в поисках понимания того, что является наиболее таинственным объектом во Вселенной — о черных дырах.

Когда-то считалось очевидным, что поверхность Земли плоская: она либо бесконечная, либо имеет край, за который вы можете упасть, если будете настолько неосторожны, что отправитесь в дальнее путешествие к этому краю. Успешное возвращение Магеллана и других кругосветных путешественников, в конце концов, убедило людей, что поверхность Земли замыкается на себя, образуя сферу1.