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

Эта цитата требует пояснений. «Наблюдение Шутца» приведено для красного словца, но теорема Прайса «все, что может быть излучено, излучается» представляла собой серьезное доказательство утверждения Роджера Пенроуза, сделанного им в 1969 г.

Теорему Прайса можно проиллюстрировать с помощью схлопывания гористой звезды. На рис. 7.4 изображено такое схлопывание. В левой части рисунка дана пространственно-временная диаграмма (см. также рис. 6.7 главы 6). В правой части показана эволюция формы звезды и горизонта событий в последовательные моменты времени, снизу вверх («моментальные кадры»).

При схлопывании звезды (два нижних кадра на рис. 7.4) ее гора становится больше и, соответственно, растет «гористое» искажение пространственно-временной кривизны вокруг звезды. Затем, когда звезда ныряет под свою критическую поверхность и создает вокруг себя горизонт событий (средний кадр), искаженная пространственно-временная кривизна деформирует этот горизонт, на котором возникает гористый выступ. Последний, однако, не может существовать долго. Звездная гора, которая породила его, находится теперь внутри черной

7.4. Пространственно-временная диаграмма (слева) и последовательность моментальных кадров (справа), показывающая схлопывание гористой звезды с образованием черной дыры

дыры, поэтому горизонт событий не может больше чувствовать ее влияния. Выступ на горизонте событий не поддерживается больше этой горой. Горизонт отделывается от этого выступа единственным доступным способом: он преобразует его в «складки» кривизны пространства-времени (гравитационные волны — глава 10), которые распространяются во всех направлениях (два верхних кадра). Некоторые «складки» попадают в черную дыру, другие вылетают в окружающую Вселенную и, отлетая, оставляют черную дыру совершенной сферической формы.

Нечто подобное происходит, когда мы дергаем скрипичную струну. Пока мы держим струну, она остается деформированной; пока гора выступает из черной дыры, она деформирует вновь родившийся горизонт событий. Когда мы убираем палец со струны, она начинает колебаться и посылать звуковые волны в комнату. Они уносят энергию деформации струны, и струна вновь распрямляется. То же происходит тогда, когда гора скрывается внутри черной дыры. Она не может больше поддерживать горизонт событий деформированным, он начинает вибрировать и испускать гравитационные волны. Волны уносят энергию деформации горизонта событий, и горизонт принимает совершенно сферическую форму.

Как это схлопывание с горой связано с теоремой Прайса? В соответствии с законами физики, гористый выступ на горизонте событий может превратиться в гравитационное излучение (складки кривизны). Теорема Прайса утверждает, что этот выступ должен превратиться в гравитационные волны и исчезнуть. Это и есть механизм «безволосости».

Теорема Прайса объясняет не только то, как деформированная черная дыра избавляется от своей деформации, но и то, как замагниченная черная дыра теряет свое магнитное поле (рис. 7.5). (Этот последний случай был рассчитан на компьютере Вернером Израэлем и двумя его студентами из Канады, Виценте де ла Круз и Тедом Чейзом, еще до открытия теоремы Прайса.) В результате схлопывания замагниченной звезды возникает замагниченная черная дыра. Перед тем, как горизонт событий поглощает схлопывающуюся звезду (рис. 7.5а), магнитное поле становится неотъемлемой частью звезды; электрические токи внутри звезды препятствуют исчезновению этого поля. После того как горизонт событий поглотил звезду (рис. 7.56), поле больше не чувствует электрических токов звезды; они больше не удерживают его. Поле теперь пронизывает не звезду, а горизонт событий, но горизонт не способен его удержать. В соответствии с законами физики, поле может превратиться в электромагнитное излучение («дрожание» магнитной и электрической силы), а теорема Прайса утверждает, что это так и будет (рис. 7.5в). Электромагнитное излучение рассеивается, частично внутрь черной дыры и частично от нее, а дыра становится незамагниченной (рис. 7.5 г).

7.5. Последовательность моментальных кадров, показывающих схлопывание замагниченной звезды (а) с образованием черной дыры (б). Черная дыра вначале наследует магнитное поле звезды. Однако дыра не может удержать это поле. Поле соскальзывает с нее (в), превращается в электромагнитное излучение и улетает (г)

Итак, как мы видели, горы и магнитные поля могут рассеиваться. Что же тогда остается? Что не может превратиться в излучение? Ответ простой: среди законов физики существуют особые законы, называемые законами сохранения. В соответствии с этими законами, существуют некоторые величины, которые никогда не могут колебаться и превращаться в излучение и покидать окрестности черной дыры. Этими сохраняющимися величинами являются: гравитационное притяжение черной дыры, закручивание пространства из-за ее вращения (которую мы будем обсуждать дальше) и радиальные линии электрического поля, возникающие благодаря электрическому заряду черной дыры и направленные наружу (мы вернемся к этому позже).[84]

Таким образом, в соответствии с теоремой Прайса, единственное, что останется после всех излучений, — это влияние массы черной дыры, ее вращения и заряда. Все остальные характеристики черной дыры будут утеряны. Их унесет с собой излучение. Это означает, что, наблюдая черную дыру, мы можем получить данные только о массе, вращении и заряде первоначальной звезды. Из свойств черной дыры мы даже не можем выяснить (в соответствии с расчетами Джеймса Хартла и Якоба Бекенштейна, студентов Уилера), была ли звезда — родоначальница черной дыры сделана из вещества или антивещества, протонов и электронов, или из нейтрино и антинейтрино. Более точно, говоря словами Уилера, у черной дыры почти нет волос. Ее единственные «волосы» — масса, вращение и электрический заряд.

* * *

Окончательное доказательство отсутствия волос у черной дыры (за исключением ее массы, вращения и электрического заряда) было сделано немного позднее Прайса. Его анализ был ограничен почти сферическими схлопывающимися звездами, которые если и вращались, то очень медленно. Это ограничение было обусловлено методами возмущений, которыми он пользовался. Для изучения окончательной судьбы очень сильно деформированной и быстровращающейся схлопывающейся звезды требовался совсем другой математический аппарат.

Ученики Денниса Сиамы из Кембриджского университета хорошо владели математическим аппаратом, но он был очень сложен. Им и их интеллектуальным потомкам понадобилось пятнадцать лет, чтобы окончательно доказать, что у черных дыр нет волос. Даже если черная дыра быстро вращается и из-за этого сильно деформирована, окончательные свойства черной дыры (после испускания всего излучения) определяются только массой, вращением и зарядом черной дыры. Львиная доля этого доказательства пришлась на долю трех человек — учеников Сиамы: Брэндона Картера и Стивена Хокинга, а также Вернера Израэля. Большой вклад внесли также Дэвид Робинсон, Гэри Бантинг и Павел Мазур.

* * *

В главе 3 я обсуждал большую разницу, которая существует между законами физики в нашей, реальной Вселенной и в обществе муравьев, которое описано в книге Т. X. Уайта «Король сегодня и навсегда». Основное правило муравьев в книге Уайта — «Все, что не запрещено, является принудительно-обязательным». Но законы физики сильно нарушают это правило. Множество вещей, разрешаемых законами физики, настолько маловероятны, что никогда не происходят. Теорема Прайса является замечательным исключением. Это одна из немногих ситуаций, с которыми я встречался в физике, где твердо поддерживается муравьиное правило: если закон физики не запрещает черной дыре испускать какое-нибудь излучение, то это излучение является обязательным.