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

Как же я могу уверенно гарантировать все это? Прежде всего я никогда не видел черной дыры. Их не видел никто. Астрономы нашли только косвенные доказательства существования черных дыр[47], но нет никаких данных наблюдения их детальных свойств, о которых сообщалось выше. Как же я могу быть столь смелым, чтобы так много всего гарантировать? По одной простой причине. Так же как законы физики предсказывают вид океанских приливов на Земле, время и высоту каждого сильного и каждого слабого прилива, так же эти законы, если мы их правильно понимаем, предсказывают свойства черных дыр, причем предсказывают однозначно. Из ньютоновского описания законов физики с помощью математических расчетов можно получать последовательность земных приливов для 1999 или 2010 г., подобным же образом из общей теории относительности Эйнштейна можно получить с помощью математических расчетов все, что касается свойств черных дыр на горизонте и снаружи его.

А почему я верю, что описание фундаментальных законов физики с помощью общей теории относительности Эйнштейна является очень точным? В конце концов, мы ведь знаем, что ньютоновское описание вблизи черной дыры не является точным.

Успешные описания фундаментальных законов уже содержат в себе вполне определенные указания на те случаи, когда они перестают работать[48]. Ньютоновское описание само говорит нам, что, вероятно, оно не работает вблизи черной дыры (хотя то, что это следует из ньютоновского описания, мы поняли только в XX веке). Подобным же образом общая теория относительности Эйнштейна содержит уверенность в самой себе для областей вне черной дыры, на горизонте дыры и внутри дыры на всем расстоянии почти (но не совсем) до сингулярности в ее центре. Это одно обстоятельство, которое придает мне уверенность в предсказаниях общей теории относительности. Другим фактом является то, что хотя предсказания общей теории относительности о черных дырах пока еще не были непосредственно проверены, было множество высокоточных проверок проявлений других ее особенностей на Земле, в Солнечной системе и в двойных системах, содержащих компактные экзотические звезды, называемые пульсарами. Общая теория относительности прошла через все испытания с развевающимися знаменами.

В течение последних тридцати лет я участвовал в изысканиях теоретической физики, которые и дали наше современное представление о черных дырах, а также в исследованиях по проверке предсказаний астрономическими наблюдениями. И пусть мой личный вклад был скромен, но вместе с моими коллегами физиками и астрономами я наслаждался атмосферой поиска и изумлялся зарождающемуся новому пониманию. Эта книга — попытка передать это мое чувство восхищения и изумления читателям, которые не являются специалистами в физике и астрономии.

1

РЕАЛЬНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

глава, в которой Эйнштейн разрушает абсолютное пространство и время Ньютона

Профессору Вильгельму Оствальду, 13 апреля 1901

Лейпцигский университет,

Лейпциг, Германия

Высокочтимый господин Профессор!

Пожалуйста, простите отца, который позволил себе обратиться к Вам, высокочтимый господин Профессор, в интересах своего сына.

Я начну с того, что моему сыну Альберту 22 года, что он учился в Цюрихском политехническом колледже 4 года и сдал этим летом дипломные экзамены по физике и математике на «отлично». С тех пор он безуспешно пытается получить должность ассистента, что позволило бы ему продолжить его образование в области теоретической и экспериментальной физики. Такую возможность, честно говоря, он заслуживает благодаря своим способностям. Смею заверить Вас, что он — необыкновенно трудолюбивый, прилежный и упорный, страстно любит свою науку.

Таким образом, мой сын чувствует себя совершенно несчастным и с каждым днем укрепляется в мысли, что лишен возможности заниматься любимым делом и никому не нужен. К тому же его тяготит мысль, что он обременяет нас, людей скромного достатка.

Поскольку именно Вас, высокочтимый господин Профессор, мой сын, по-видимому, уважает и почитает больше, чем любого другого преподавателя, занимающегося сейчас физикой, именно к Вам я решаюсь обратиться, покорнейше прося прочесть его статью, опубликованную в Annalen für Physick, и написать ему, по возможности, несколько слов одобрения, чтобы вдохновить его жить и работать далее.

Если, кроме того, Вы сможете предоставить ему должность ассистента этой или следующей осенью, моя благодарность не будет знать границ.

Я еще раз прошу Вас простить меня за то, что я дерзнул написать Вам, смею только заметить, что мой сын ничего не знает о моем поступке.

Остаюсь искренне Ваш, высокочтимый господин Профессор,

Герман Эйнштейн

Это действительно был для Альберта Эйнштейна период депрессии. Он не имел работы в течение восьми месяцев, с тех пор как окончил Цюрихский политехнический колледж в 21 год, и чувствовал себя неудачником.

В политехническом колледже (обычно называемом «ЕТН», по первым буквам немецкого названия) Эйнштейн обучался у нескольких физиков и математиков, имевших мировую известность, но не слишком ладил с ними. На рубеже веков научный мир состоял в основном из Профессоров (с большой буквы), требовавших и предполагавших почтения к себе, чему Эйнштейн не особенно следовал. Он с детства восставал против авторитетов, постоянно задавая неудобные вопросы и ничего не принимая на веру без самостоятельной проверки. «Бездумное поклонение авторитетам есть злейший враг истины», — утверждал он. Наиболее известный из двух его профессоров в ЕТН Генрих Вебер жаловался с раздражением: «Ты умный мальчик, Эйнштейн, очень умный мальчик, но у тебя один большой недостаток: ты не даешь возможности ничего тебе рассказать». Другой его преподаватель, профессор физики Жан Перне, даже спрашивал Альберта, не лучше ли ему вместо физики заняться изучением медицины, права или филологии. «Ты можешь поступать, как хочешь, — говорил Перне. — Я лишь предупреждаю тебя в твоих же собственных интересах».

Ситуацию усугубляло не слишком серьезное отношение Эйнштейна к лекциям. «Они просто должны запихать все это в наши головы перед экзаменами, хотим мы того или нет», — говорил он позднее. Его профессор математики, Герман Минковский, о котором мы много будем говорить в главе 2, был настолько недоволен отношением Эйнштейна к занятиям, что называл его лентяем.

Но лентяем Эйнштейн не был. Он просто подходил к лекциям избирательно: некоторые курсы посещал полностью, другие игнорировал, предпочитая заниматься самостоятельно, выбирая предметы по своему усмотрению и размышляя. Размышления увлекали его, приносили радость и удовлетворение; он сам учил себя «новой» физике, той физике, о которой Герман Вебер вообще не упоминал в своих лекциях.

«Старая» физика — та, о которой Эйнштейн мог узнать от Вебера, представляла собой большую совокупность знаний, которую я буду называть ньютоновской физикой, не потому, что вся она принадлежала Исааку Ньютону (это, конечно, не так), а потому, что именно Ньютон заложил в XVII столетии ее фундамент.

В конце XIX века все разнообразие явлений физической Вселенной прекрасно объяснялось простым набором ньютоновских физических законов. Например, все явления, связанные с гравитацией, можно было объяснить с помощью ньютоновских законов движения и тяготения:

• Любое тело движется равномерно и прямолинейно, если на него не действуют силы.

• Если на тело действует сила, его скорость меняется с ускорением, пропорциональным этой силе и обратно пропорциональным массе тела.

• Между любыми двумя телами во Вселенной действует гравитационная сила, которая пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Применяя математические выкладки[49] к этим трем законам, физики XIX столетия могли объяснить орбиты планет вокруг Солнца, орбиты спутников вокруг планет, максимумы и минимумы океанских приливов, падение камней. Они даже могли определить массу Солнца и Земли. Аналогично, используя набор законов электромагнетизма, физики могли объяснить молнию, магниты, радиоволны, а также распространение, преломление и отражение света.

Удача и слава сопутствовали тем, кто сумел использовать законы ньютоновской физики в технике. Манипулируя законами термодинамики, Джеймс Ватт показал, как простейший паровой двигатель, изобретенный ранее, превратить в практичное устройство, получившее его имя. Внимательно изучая работы Джозефа Генри о законах электричества и магнетизма, Сэмюель Морзе создал коммерческую версию телеграфа.