- «Питер», 2012
- Что происходит, когда объект падает в черную дыру? Исчезает ли он бесследно? Около тридцати лет назад один из ведущих исследователей феномена черных дыр, ныне знаменитый британский физик Стивен Хокинг заявил, что именно так и происходит. Но оказывается, такой ответ ставит под угрозу все, что мы знаем о физике и фундаментальных законах Вселенной. Автор этой книги, выдающийся американский физик Леонард Сасскинд много лет полемизировал со Стивеном Хокингом о природе черных дыр, пока, наконец, в 2004 году, тот не признал свою ошибку. Блестящая и на редкость легко читаемая книга рассказывает захватывающую историю этого многолетнего научного противостояния, радикально изменившего взгляд физиков на природу реальности. Новая парадигма привела к ошеломляющему выводу о том, что все в нашем мире — эта книга, ваш дом, вы сами — лишь своеобразная голограмма, проецирующаяся c краев Вселенной. Книга включена в библиотеку фонда «Династия».
Первый намек на что-то подобное черной дыре появился в конце
XVIII века, когда великий французский физик Пьер-Симон де
Лаплас и английский клирик Джон Митчел высказали одну и ту
же замечательную мысль. Все физики тех дней серьезно интересовались
астрономией. Все, что было известно о небесных телах,
выяснялось благодаря свет у, который они испускали или, как
в случае с Луной и планетами, отражали. Хотя ко времени Митчела
и Лапласа со смерти Исаака Ньютона прошло уже полвека, он
все равно оставался самой влиятельной фигурой в физике. Ньютон
считал, что свет состоит из крошечных частиц — корпускул, как
он их называл, — а раз так, то почему бы свет у не испытывать
действие гравитации? Лаплас и Митчел задумались, может ли существовать
звезда, столь массивная и плотная, что свет не сможет
преодолеть ее гравитационное притяжение. Должны ли такие
звезды, если они существуют, быть абсолютно темными и потому
невидимыми?
Может ли снаряд — камень, пуля или хотя бы элементарная
частица — вырваться из гравитационного притяжения Земли?
С одной стороны — да, с другой — нет. Гравитационное поле массы
нигде не заканчивается; оно тянется бесконечно, становясь все
слабее и слабее по мере увеличения расстояния. Так что брошенный
вверх снаряд никогда полностью не избавится от земного притяжения.
Но если снаряд брошен вверх с достаточно большой скоростью,
он будет удаляться вечно, поскольку убывающая гравитация слишком
слаба, чтобы развернуть его и притянуть назад к поверхности.
В этом смысле снаряд может вырваться из земного тяготения.
Даже самый сильный человек не имеет шансов выбросить камень
в открытый космос. Высота броска профессионального бейсбольного
питчера может достигать 70 метров, это около четверти высоты
Эмпайр-стейт-билдинг. Если пренебречь сопротивлением воздуха,
пуля, выпущенная из пистолета, могла бы достичь высоты
5 километров. Но существует особая скорость — называемая скоростью
убегания, — которой едва хватает, чтобы вывести объект
на вечно уда ляющуюся траекторию. Начав движение с любой
меньшей скоростью, снаряд упадет обратно на Землю. Стартовав
с большей скоростью, он уйдет на бесконечность. Скорость убегания
для поверхности Земли составляет 40 000 км/ч (11,2 км/с).
Давайте временно станем называть звездой любое массивное небесное
тело, будь то планета, астероид или настоящая звезда. Земля —
это просто маленькая звезда, Луна — еще меньшая звезда и т. д. По ньютоновскому закону тяготения, гравитационное воздействие
звезды пропорционально ее массе, так что совершенно естественно,
что и скорость убегания тоже зависит от массы звезды. Но масса —
это только полдела. Другая половина — это радиус звезды. Представьте
себе, что вы стоите на земной поверхности и в это время
некая сила начинает сжимать Землю, уменьшая ее размеры, но без
потери массы. Если вы остаетесь на поверхности, то сжатие будет
приближать вас ко всем без исключения атомам Земли. При сближении
с массой воздействие ее гравитации усиливается. Ваш вес —
функция гравитации — будет возрастать, и, как нетрудно догадаться,
преодолевать земное тяготение будет все труднее. Этот пример иллюстрирует
фундаментальную физическую закономерность: сжатие
звезды (без потери массы) увеличивает скорость убегания.
Теперь представьте себе прямо противоположную ситуацию.
По каким-то причинам Земля расширяется, так что вы удаляетесь
от массы. Тяготение на поверхности будет становиться слабее,
а значит, из него легче вырваться. Вопрос, поставленный Митчелом
и Лапласом, состоял в том, может ли звезда иметь такую большую
массу и столь малый размер, чтобы скорость убегания превзошла
скорость света.
Когда Мит чел и Лаплас впервые высказали эти пророческие
мысли, скорость света (обозначаемая буквой c) была известна уже
более ста лет. Датский астроном Оле Рёмер в 1676 году определил,
что она составляет колоссальную величину — 300 000 км (это примерно
семь оборотов вокруг Земли) за одну секунду:
c = 300 000 км/с.
При такой колоссальной скорости, чтобы удержать свет, требуется
чрезвычайно большая или чрезвычайно сконцентрированная
масса, однако нет видимых причин, по которым такой не могло бы
существовать. В докладе Митчела Королевскому обществу впервые
упоминаются объекты, которые Джон Уилер впоследствии назовет
черными дырами.
Вас может удивить, что среди всех сил гравитация считается
чрезвычайно слабой. Хотя тучный лифтер и прыгун в высоту могут
чувствовать себя по-разному, есть простой эксперимент, демонстрирующий,
как слаба в действительности гравитация. Начнем с небольшого веса: пусть это будет маленький шарик пенопласта.
Тем или иным способом придадим ему статический электрический
заряд. (Можно просто потереть его о свитер.) Теперь подвесим его
к потолку на нитке. Когда он перестанет крутиться, нить будет висеть
вертикально. Теперь поднесите к висящему шарику другой подобный
заряженный предмет. Электростатическая сила будет отталкивать
подвешенный груз, заставляя нить наклоняться.
Того же эффекта можно добиться с помощью магнита, если висящий
груз сделан из железа.
Теперь уберите электрический заряд или магнит и попытайтесь
отклонить подвешенный груз, поднося к нему очень тяжелые предметы.
Их гравитация будет притягивать груз, но воздействие окажется
столь слабым, что его невозможно заметить. Гравитация чрезвычайно
слаба по сравнению с электрическими и магнитными силами.
Но если гравитация так слаба, почему нельзя допрыгнуть до
Луны? Дело в том, что огромная масса Земли, 6.1024 кг, с легкостью
компенсирует слабость гравитации. Но даже при такой массе скорость
убегания с поверхности Земли составляет меньше одной десятитысячной
от скорости света. Чтобы скорость убегания стала
больше c, придуманная Митчелом и Лапласом темная звезда должна
быть потрясающе массивной и потрясающе плотной.
Чтобы прочувствовать масштаб величин, давайте рассмотрим
скорости убегания для разных небесных тел. Для покидания поверхности
Земли нужна начальная скорость около 11 км/с, что, как уже
отмечалось, составляет примерно 40 000 км/ч. По земным меркам
это очень быстро, но в сравнении со скоростью света подобно движению
улитки.
На астероиде у вас было бы куда больше шансов покинуть поверхность,
чем на Земле. У астероида радиусом 1,5 км скорость
убегания составляет около 2 м/с: достаточно просто прыгнуть.
С другой стороны, Солнце много больше Земли, как по размеру, так
и по массе. Эти два фактора действуют в противоположных направлениях. Большая масса затрудняет покидание поверхности
Солнца, а большой радиус, наоборот, упрощает. Масса, однако,
побеждает, и скорость убегания для солнечной поверхности примерно
в пятьдесят раз больше, чем для земной. Но она все равно
остается много ниже скорости света.
Но Солнце не будет вечно сохранять свой нынешний размер.
В конце концов звезда исчерпает запасы топлива, и распирающее
ее давление, поддерживаемое внутренним теплом, ослабнет. Подобно
гигантским тискам, гравитация начнет сжимать звезду до
малой доли ее первоначального размера. Где-то через пять миллиардов
лет Солнце выгорит и сколлапсирует в так называемый белый
карлик с радиусом примерно как у Земли. Чтобы покинуть его поверхность,
потребуется скорость 6400 км/с — это очень много, но
все равно лишь 2% от скорости света.
Если бы Солнце было немного — раза в полтора — тяжелее,
добавочная масса стиснула бы его сильнее, чем до состояния белого
карлика. Электроны в звезде вдавились бы в протоны, образуя
невероятно плотный шар из нейтронов. Нейтронная звезда столь
плотна, что одна лишь чайная ложка ее вещества весит несколько
миллиардов тонн. Но и нейтронная звезда еще не искомая темная;
скорость убегания с ее поверхности уже близка к скорости света
(около 80% c), но все же не равна ей.
Если коллапсирующая звезда еще тяжелее, скажем, в пять раз
массивнее Солнца, тогда даже плотный нейтронный шар не сможет
противостоять сжимающему гравитационному притяжению. В результате
финального направленного внутрь взрыва звезда сожмется
в сингулярность — точку почти бесконечной плотности и разрушительной
силы. Скорость у бегания для этого крошечного ядра
многократно превосходит скорость света. Так возникает темная
звезда, или, как мы сегодня говорим, черная дыра.
Эйнштейну так не нравилось само представление о черных дырах,
что он отрицал возможность их существования, утверждая, что они
никогда не смогут образоваться. Но нравится это Эйнштейну или
нет, черные дыры — это реальность. Сегодня астрономы запросто
изучают их, причем не только одиночные сколлапсировавшие звезды,
но и находящиеся в центрах галактик черные гиганты, образованные
слиянием миллионов и даже миллиардов звезд.
Солнце недостаточно массивно, чтобы самостоятельно сжаться
в черную дыру, но, если помочь ему, сдавив его в космических тисках
до радиуса в 3 км, оно стало бы черной дырой. Можно подумать,
что, если потом ослабить тиски, оно снова раздуется, скажем, до 100 км, но в действительности будет уже поздно: вещество Солнца
перейдет в состояние своего рода свободного падения. Поверхность
быстро преодолеет радиус в одну милю, один метр, один
сантиметр. Никакие остановки невозможны, пока не образуется
сингулярность, и этот коллапс необратим.
Представьте, что мы находимся вблизи черной дыры, но в точке,
отличной от сингулярности. Сможет ли свет, выйдя из этой точки,
покинуть черную дыру? Ответ зависит как от массы черной дыры,
так и от конкретного места, из которого свет начинает свое движение.
Воображаемая сфера, называемая горизонтом, делит Вселенную
на две части. Свет, который идет изнутри горизонта, неминуемо
будет затянут в черную дыру, однако свет, идущий извне горизонта,
может черную дыру покинуть. Если бы Солнце стало однажды
черной дырой, радиус его горизонта составил бы около 3 км.
Радиус горизонта называют шварцшильдовским радиусом в часть
астронома Карла Шварцшильда, который первым стал изучать
математику черных дыр. Шварцшильдовский радиус зависит от
массы черной дыры; на самом деле он ей прямо пропорционален.
Например, если массу Солнца заменить тысячей солнечных масс,
у светового луча, испущенного с расстояния в 3 или 5 км, не будет шансов уйти прочь, поскольку радиус горизонта вырастет тысячекратно,
до трех тысяч километров.
Пропорциональность между массой и радиусом Шварцшильда —
первое, что физики узнали о черных дырах. Земля примерно в миллион
раз менее массивна, чем Солнце, поэтому ее шварцшильдовский
радиус в миллион раз меньше солнечного. Для превращения в темную
звезду ее пришлось бы сжать до размеров клюквины. Д ля
сравнения: в центре нашей Галактики притаилась гигантская черная
дыра со шварцшильдовским радиусом около 150 000 000 км — примерно
как у земной орбиты вокруг Солнца. А в других уголках
Вселенной встречаются и еще более крупные монстры.