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

Он был скор на суждения о ценности физических идей и медленно их менял. Он мог сохранять веру в неправильное поспешное суждение в течение многих лет, отгораживая себя таким образом, от важных истин, как в случилось, когда он отверг идею о том, что крошечные черные дыры могут испаряться (глава 12). Но когда (как это обычно случалось) его поспешные суждения были верны, они позволяли ему продвигаться вперед с огромной скоростью, пересекая границы знания, быстрее, чем любому, с кем я когда-либо встречался.

Слева: Джон Арчибальд Уилер, около 1970 г. [Предоставлено Лабораторией Джозефа Генри, Университет Принстона]. Справа: Игорь Дмитриевич Новиков и Яков Борисович Зельдович в 1962 г. [Предоставлено С.Чандрасекаром]

Деннис Сиама в 1955 г. [Предоставлено Деннисом В. Сиама]

Контраст между Зельдовичом и Уилером был абсолютен: Зельдович постоянно подстегивал свою команду, направляя ее твердой рукой, заставляя проверять собственные идеи и идеи, рожденные в самой команде. Уилер же предложил своим подопечным философское окружение, ощущение того, что интересные идеи находятся вокруг нас, готовые к тому, чтобы их исследовали, но он редко настаивал на какой-то идее в конкретной форме, не давил на студентов и он абсолютно никогда не присоединялся к своим студентам в разработке их собственных идей. Главной целью Уилера было образование его подопечных, даже если это замедляло темп открытия. Зельдович, все еще пропитанный духом гонки за обладание супербомбой, брал самый быстрый возможный темп, не считаясь с ценой.

Зельдович будил своих коллег утром по телефону в безбожную рань, требуя внимания, требуя взаимодействия, требуя продвижения. Уилер казался нам, его подопечным, самым занятым в мире человеком; слишком занятым своими собственными проектами, чтобы требовать от нас внимания. Но все же он был легко доступен, чтобы ответить на вопрос, дать мудрый совет, оказать поддержку.

* * *

Деннис Сиама — третий Учитель этой эпохи, обладал собственным стилем. Он посвятил все шестидесятые и начало семидесятых годов делу создания оптимальных условий для успешной работы со студентами в Кембридже. Поскольку собственную работу и карьеру он поставил на второе место, он так и не получил в Кембридже престижного звания «Профессор» (это звание в Англии гораздо почетнее, чем в Америке). Не он, а его ученики получали награды и приобретали славу. К концу семидесятых годов двое из его бывших студентов, Стивен Хокинг и Мартин Рис, стали профессорами в Кембридже.

Сиама играл роль катализатора; он держал своих студентов в курсе всех важнейших мировых достижений в области физики. Как только где-либо публиковалось сообщение об интересном открытии, он предлагал кому-либо из студентов познакомиться с ним и сделать доклад для других. Если в Лондоне предполагалась интересная лекция, то он отправлялся туда на поезде вместе со студентами либо командировал в Лондон группу своих учеников. Он имел исключительно хорошее чутье на интересные идеи, на темы, которыми следовало бы заняться; на то, что следует почитать в начале нового исследования и к кому следует пойти за тем или иным советом.

Сиаму толкало вперед отчаянное желание узнать, как устроена Вселенная. Сам он объяснял это желание каким-то подспудным беспокойством. Вселенная выглядела такой сумасшедшей, странной и фантастической, что единственным путем примирения с ней был путь ее познания. А единственный способ ее познать лежал через его студентов. Заставляя своих студентов решать наиболее сложные задачи, он мог двигаться вперед быстрее, чем если бы решал их сам.

Слева: Виталий Лазаревич Гинзбург (фото 1962 г.), человек, который представил первое свидетельство того, что «у черной дыры нет волос» [Предоставлено Виталием Гинзбургом]Справа: Вернер Израэль (фото 1964 г.), человек, который первым доказал правильность этого утверждения [Предоставлено Вернером Израэлем]

Среди открытий Золотого века одним из самых значительных считается утверждение, что «у черных дыр нет волос». (Значение этой фразы постепенно прояснится на следующих страницах.) Некоторые открытия в науке делаются быстро, отдельными учеными; другие появляются медленно и являются результатом вклада многих исследователей. «Безволосость» черных дыр — это открытие второго типа. Оно появилось благодаря усилиям учеников трех гениев: Зельдовича, Уилера и Сиамы, а также многих других исследователей. На следующих страницах мы увидим, как множество исследователей шаг за шагом пытались сформулировать понятие «безволосости» черной дыры, доказать его и понять возможные последствия.

7.3. Некоторые примеры «концепции безволосости»: (а) При схлопывании замагниченной звезды образуется черная дыра, у которой нет магнитного поля, (б) При схлопывании квадратной звезды образуется не квадратная, а круглая черная дыра. (в) При схлопывании звезды с горбом на поверхности образуется черная дыра без горба

Первые намеки на то, что «у черной дыры нет волос», появились в 1964 г. у Виталия Лазаревича Гинзбурга, человека, который изобрел LiD топливо для советской водородной бомбы; подозрения, что его жена участвовала в заговоре против Сталина, освободило его от дальнейшей работы над бомбой (глава 6). Астрономы из Калифорнийского технологического института только что открыли квазары, загадочные взрывные объекты на краю Вселенной, а Гинзбург пытался выяснить источник их энергии (глава 9). Он предполагал, что это может быть, например, схлопывание замагниченной сверхмассивной звезды с образованием черной дыры. Силовые линии магнитного поля такой звезды имели бы такой же вид, как и силовые линии земного магнитного поля (верхняя часть рис. 7.3а). При схлопывании может произойти сильное сгущение силовых линий с последующим мощным взрывом и выделением огромной энергии. Так рассуждал Гинзбург. Таков возможный механизм квазаров.

Полный расчет схлопывания звезды для проверки этого утверждения был бы чрезвычайно трудным, поэтому Гинзбург придумал нечто оригинальное. Как Оппенгеймер в своем первом грубом исследовании схлопывания звезды (глава 6), Гинзбург рассмотрел последовательность статичных звезд, причем каждая последующая была компактнее предыдущей. Через каждую из этих звезд проходило одно и то же количество магнитных силовых линий. Гинзбург предположил, что такая последовательность статичных звезд должна отражать картину, происходящую при схлопывании одной звезды. Он вывел формулу, описывающую формы магнитных силовых линий для каждой звезды в своей последовательности. И его ожидал большой сюрприз. Когда размеры звезды приближаются к критическому значению, после достижения которого образуется черная дыра, ее гравитация притягивает магнитные силовые линии на поверхность и плотно их стягивает. После образования черной дыры все стянутые вместе силовые линии оказываются внутри ее горизонта событий. Ни одной силовой линии не будет выходить из черной дыры (рис 7.3а). Такой вывод не сулил ничего хорошего для гипотезы Гинзбурга о механизме излучения квазаров, но приводил к интересным перспективам в другой области: при схлопывании замагниченной звезды в черную дыру последняя вполне может родиться вообще без магнитного поля.

Примерно тогда же, когда Гинзбург сделал это открытие, у группы Зельдовича, ведущими в которой были Игорь Новиков и Андрей Дорошкевич, возник вопрос: поскольку при схлопывании круглой звезды возникает круглая черная дыра, будет ли из деформированной звезды возникать деформированная дыра? Как крайний случай, образуется ли из квадратной звезды квадратная черная дыра (рис. 7.3б)? Расчет схлопывания гипотетической квадратной звезды был бы чрезвычайно трудным делом, поэтому Дорошкевич, Новиков и Зельдович рассмотрели более простой пример: будет ли при схлопывании почти сферической звезды, имеющей на поверхности небольшую горку, образовываться черная дыра с гористым выступом на горизонте событий? Рассматривая почти сферические звезды с небольшими горками, группа Зельдовича смогла значительно упростить свои расчеты. Они использовали математические методы, называемые методами возмущений, которые несколько лет тому назад были введены Джоном Уилером и его сотрудником Туллио Редже. Эти методы возмущений, объяснение которых дано на Врезке 7.1, были разработаны для исследования небольшого «возмущения» сферической формы. Гравитационное искажение вследствие наличия небольшой горки на звезде, которую рассматривала группа Зельдовича, и являлось таким возмущением.