Гипотеза белых дыр. Об устройстве Вселенной, гравитации и теории относительности - Карло Ровелли

ему нелегко – об этом свидетельствует ряд статей с разными вариантами формул, причем все – неправильные. Быть Эйнштейном означало иметь мужество публиковать ошибочные результаты.

Наконец, в 1915 году уравнения приобрели истинный вид. Тот самый, что в последующие десятилетия заставил физиков пересмотреть представления о природе пространства и времени, позволил понять, что часы в горах идут быстрее, чем на равнине, что Вселенная расширяется, что существуют гравитационные волны и т. д. Уравнения, которые мы сейчас используем для исследования космоса, пожалуй, самые прекрасные из физических уравнений.

На этих страницах мы установим с ними тесные, но сложные отношения: уравнения Эйнштейна послужат нам проводниками, подобно Вергилию для Данте, потому что обобщают все лучшее, что мы знаем о пространстве, времени и гравитации. Это инструмент, с помощью которого мы достигаем понимания. Они говорят нам, чего следует ожидать на границе черной дыры и внутри нее, показывают, что представляют собой белые дыры, служат путеводной звездой в этом странствии через диковинные ландшафты. Но весь смысл истории, которую собираюсь рассказать я, состоит в том, чтобы пойти и взглянуть, что же происходит там, где эти уравнения перестают работать. Там, где придется от них отказаться. Такова наука.

На полпути нам придется расстаться с опорой и поддержкой в лице этих уравнений и поддаться очарованию более сладостного. Так же, как, в сущности, поступает Данте, который на половине пути покидает Вергилия и отдает себя во власть более пленительной спутницы.

Вернемся к Шварцшильду. Сформулированное им в письме Эйнштейну решение теперь приводится во всех университетских учебниках. Оно описывает происходящее с пространством и временем в окрестности массивного объекта – например, Земли или Солнца. Под действием тяготения пространство и время искривляются (я сейчас постараюсь объяснить, что это означает). Именно из-за этого искривления пространства и времени тела падают на Землю, а планеты обращаются вокруг Солнца – оно и есть причина силы тяготения.

Шварцшильд исследовал, как тела под действием тяготения движутся вокруг массивных объектов вроде Земли или Солнца. Пытаясь ответить на этот же вопрос, Ньютон тремя столетиями раньше открыл дорогу к современной науке. И вот теперь Эйнштейн и Шварцшильд поправили Ньютона, уточнив предсказанный им характер движения тел вблизи массивных объектов.

Но решение, найденное Шварцшильдом, не просто дает небольшую поправку к движению планет – оно также привносит нечто принципиально новое и весьма странное. Если масса очень сильно сконцентрирована, то вокруг нее образуется своеобразная «скорлупа» – сферическая поверхность, на которой все ведет себя крайне странно: например, часы, которые всегда замедляются вблизи массивных объектов, здесь попросту останавливаются. Время «замораживается». Перестает течь. А пространство растягивается в направлении этой концентрированной массы, словно всасываясь в длинную воронку – так, что на этой диковинной поверхности растяжение превращается в дыру: расположенные непосредственно внутри за ней точки оказываются бесконечно далекими.

Остановившееся время, разорванное пространство… Все это производит впечатление бессвязного бреда. Эйнштейн резонно заключает, что такие вещи не имеют смысла – этой нелепой поверхности в реальности не существует.

Вообще-то из расчетов следует, что для получения такой скорлупы надо сжать массу до невероятно малых размеров. Например, для формирования соответствующей поверхности вокруг Земли всю нашу планету придется упаковать в шарик для пинг-понга. Абсурд! Эйнштейн решает, что подобные рассуждения не представляют интереса: невозможно сконцентрировать массу до такой степени, чтобы образовалась эта странная скорлупа.

Время покажет, что Эйнштейн ошибался. Он недостаточно верил в собственные уравнения. Ему не хватило мужества принять неожиданные следствия собственной теории. Настолько сконцентрированные массы существуют, и теперь мы это знаем. На небе их миллиарды. Это черные дыры.

Астрономы обнаружили как объекты такого рода размером в несколько километров, так и исполинские черные дыры размером с целую Солнечную систему. Не исключено, что существуют и маленькие, как шарик для пинг-понга, и даже совсем крохотные, с волосок, черные дыры, но их еще никто не наблюдал. Пока.

Большинство известных черных дыр порождены звездами, в которых прекратилось горение. Это крупные звезды, настолько массивные, что, если бы не горение в их недрах, они были бы раздавлены собственным весом. Звезды сжигают водород, из которого состоят, превращая его в гелий. Выделяемое при этом тепло порождает давление, которое уравновешивает силу тяжести и не дает звезде сокрушить саму себя. В таком режиме звезда живет миллиарды лет.

Но ничто не вечно. В конце концов водород оказывается израсходованным, превратившись в гелий и прочий негорючий «пепел»: звезда делается похожей на автомобиль без бензина. Температура падает, вес берет верх. Звезда сжимается под действием собственного тяготения. Сила тяжести большой звезды чудовищна, и ни одна самая прочная порода не может выдержать такое давление. Ничто не способно предотвратить «обрушение» звезды, и вот она сжимается, обрушиваясь внутрь собственного горизонта. Образуется черная дыра.

•

В 1928 году, еще до того, как все это становится понятно, телефонная компания «Белл» нанимает 23‐летнего физика Карла Янского для исследования радиопомех. Янский собирает простейшую антенну размером 30 метров – странного вида конструкцию из металлических трубок, установленных на колеса, которая может вращаться в произвольном направлении. Коллеги называли ее «каруселью Янского». Вот как она выглядела:

С помощью этой антенны Янский регистрирует всевозможные радиосигналы: молнии от проходящих гроз, шумы от радиоантенн и т. д.

Среди прочих он обнаруживает любопытный устойчивый сигнал – своего рода свист, регистрируемый при каждом повороте «карусели».

Направление антенны

Сестра Янского вспоминает, что отец, воспитывая их, любил повторять: «Исследуйте всё!» Янский потратил на исследование этого свиста больше года. Его интенсивность возрастает и уменьшается с периодом 24 часа, и поначалу Янский думал, что он исходит от Солнца, поскольку оно тоже проходит над антенной раз в 24 часа. Но дьявол, как всегда, в деталях: более точное исследование показало, что период изменения интенсивности свиста немного короче и составляет 23 часа 56 минут. То есть максимум сигнала понемногу сдвигается на все более раннее время, как если бы наблюдатель сверялся со слегка отстающими часами. Странно. Это не может быть Солнце…

Наконец, коллега-астроном замечает, что 23 часа 56 минут – это период вращения звезд вокруг нас. (Звезды на небе совершают один полный оборот чуть быстрее Солнца, потому что Земля и Солнце кружатся вокруг друг друга с периодом в один год.) Следовательно, таинственный радиосигнал может исходить только от звезд! Направление определить нетрудно: сигнал приходит оттуда, куда направлена антенна при максимуме интенсивности. Перелистав звездный атлас, астрономы понимают, что сигнал исходит из центра нашей Галактики…

Новость настолько сенсационная, что «Нью-Йорк Таймс» пишет о ней в