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

— Тише, тише! На нас никто не нападает, это была ненормальная первичная черная дыра, которая испарялась, а потом схлопнулась27.

— Что-что?! — кричите вы.

— Первичная черная дыра, испарявшаяся, а затем уничтоженная своим схлопыванием, — повторяет ЗАРЯ.

Вы требуете объяснений.

— Что это значит, первичная? Что ты подразумеваешь под словами испарявшаяся и слопнувшаяся? Это бессмысленно. Предметы могут попадать в черную дыру, но ничто не может выйти оттуда; она не может «испаряться». И потом, черная дыра живет вечно: она все время растет и никогда не уменьшается. Черная дыра не может «схлопнуться» и разрушиться. Это абсурд!

Как всегда терпеливо ЗАРЯ начинает просвещать вас:

— Большие объекты, такие как люди, звезды и черные дыры, образованные схлопыванием звезды, управляются классическими законами физики, законами теории относительности Эйнштейна и т.д. Напротив, мелкие объекты, например, атомы, молекулы и черные дыры, меньшие, чем атом, управляются совершенно другим набором законов, законами квантовой физики28. И хотя классические законы запрещают черной звезде нормальных размеров испаряться, уменьшаться, схлопываться или разрушаться, законы квантовой физики диктуют иное. Они требуют, чтобы любая черная дыра атомных размеров постепенно испарялась и уменьшалась до тех пор, пока не достигнет критического размера длины окружности, примерно такого, как ядро атома. Тогда дыра, которая, несмотря на свои крошечные размеры, весит миллиард тонн, разрушается с мощным охлопыванием. Схлопывание преобразует всю массу дыры в миллиард тонн в энергию взрыва, это в триллион раз больше энергии, которая выделяется при самом мощном ядерном взрыве из тех, которые проводили на Земле в XX веке. Как раз такой взрыв поблизости и повредил наш корабль.

— Но не стоит беспокоиться о последующих схлопываниях, — продолжает ЗАРЯ, — такие события случаются исключительно редко, поскольку крошечные черные дыры чрезвычайно редки. Единственный момент, когда такие крошечные дыры могли появиться, был во Вселенной во время Большого взрыва, пятнадцать миллиардов лет тому назад. Именно поэтому их называют первичными дырами. Большой взрыв породил только небольшое количество таких первичных черных дыр, и с момента своего рождения они медленно испарялись и уменьшались. Однажды в некоторый момент одна из них достигла минимального размера и схлопнулась29. Это была абсолютная случайность, исключительно маловероятное событие, что такая дыра схлопнулась поблизости от нашего корабля, и абсолютно невероятно, что наш корабль когда-нибудь еще раз встретит другую такую же дыру.

Успокоенный, вы приказываете своей команде приступить к ремонту звездолета, а сами с помощниками настраиваете телескопы для изучения быстро вращающейся под вами черной дыры в 45 солнечных масс.

Вращение дыры очевидно не только благодаря завихрению падающих атомов, но и из-за формы черного пятна, окруженного ярким ободком, который виден на небе под вами: черное пятно выглядит как расплющенная тыква, у экватора она выпячивается, а на полюсах уплощена. Утолщение и уплощение создаются благодаря центробежной силе вращения черной дыры30. Но утолщение не симметрично: с правого края, который удаляется во вращении от вас, выпячивание

диска выглядит больше, чем с левого. ЗАРЯ объясняет, что это происходит потому, что горизонт ловит лучи звездного света гораздо лучше, если они направляются к вам вдоль правой стороны, против направления вращения, чем с левой стороны, где они идут по направлению вращения.

Измерив форму пятна и сравнив результат с формулами общей теории относительности, Брет находит, что угловой момент вращения дыры составляет 96 процентов максимального для дыры такой массы. И зная этот угловой момент и массу дыры в 45 солнечных, вы вычисляете другие свойства дыры, включая скорость вращения ее горизонта — 270 раз в секунду и длину окружности ее экватора — 533 километра.

Вращение дыры интригует. Никогда ранее вам не доводилось так близко наблюдать вращающуюся черную дыру. С угрызениями совести вы вызываете робота-добровольца для исследования окрестности горизонта и передачи на корабль полученных экспериментальных данных. Вы обстоятельно инструктируете робота по имени Колоб: «Спуститесь на десять метров над горизонтом, запустите свои двигатели, чтобы удержаться, располагаясь прямо под звездолетом. Используйте двигатели, чтобы противостоять как гравитационному тяготению, так и завихрению пространства».

Жадный до приключений Колоб покидает звездолет и, устремившись вниз, сначала осторожно запускает свои двигатели, а затем все больше их разгоняет, чтобы преодолеть завихрение пространства, и остаться прямо под кораблем. Сначала Колоб не встречает никаких проблем. Но когда он достигает окружности длиной в 833 километров, на 56 процентов больше горизонта, его лазерный луч приносит послание: «Я не могу преодолеть завихрение, я не могу, я не могу!» И как камень, захваченный смерчем, он затягивается в круговое обращение вокруг дыры41.

«Не волнуйтесь, — передаете вы. — Старайтесь, как можете, сопротивляться завихрению и продолжайте спускаться, пока вы не будете в 10 метрах над горизонтом».

Колоб подчиняется. По мере своего спуска он захватывается во все более быстрое вращение. В конце концов, когда он заканчивает свой спуск и зависает в десяти метрах над горизонтом, он кружится вокруг дыры, почти привязанный к горизонту со скоростью 270 оборотов в секунду. Как бы он не пытался противостоять этому движению, он не может. Завихрение пространства не дает ему остановиться.

«Развернись в противоположном направлении, — приказываете вы. — Если не получается кружиться медленнее, чем 270 раз в секунду, попробуем кружиться быстрее».

Колоб честно пытается. Он разгоняется, оставаясь в 10 метрах над горизонтом, пытаясь увеличить скорость обращения. Но хотя он ощущает обычное ускорение своих двигателей, вы видите, что его движение не меняется. Он по-прежнему обращается со скоростью 270 оборотов в секунду. А потом прежде чем вы успеваете передать новые инструкции, топливо у него кончается, и он начинает камнем падать вниз. Его лазерный луч связи пробегает весь электромагнитный спектр от зеленого до красного, инфракрасного, радиоволн и пропадает, хотя никакого изменения в круговом движении не заметно. Он ушел вниз, в дыру, падая на жестокую сингулярность, которую вы никогда не увидите.

После трех недель траура, экспериментов и телескопических исследований команда начинает готовиться к будущему. Доставив материал с далеких планет, вы строите балочное кольцо вокруг дыры. Кольцо имеет длину окружности в 5 миллионов километров, толщину в 552 километра и ширину в 4000 километров. Оно вращается с нужной скоростью — два оборота в час, так чтобы уравновесить центробежные силы гравитационной силой в центральном слое кольца, на расстоянии 276 километров от его внутренней и внешней поверхности. Размеры выбраны очень тщательно, так, чтобы те люди, которые предпочитают жить в условиях гравитации, равной гравитации на Земле, могли построить свои дома вблизи внутренней или наружной стороны кольца, в то время как те, кто предпочитает более слабое тяготение, могли бы жить ближе к его центру. Эта разница в гравитации возникает частично благодаря центробежной силе вращающегося кольца, а частично благодаря приливным силам дыры или, говоря на языке Эйнштейна, из-за искривления пространства-времени.

Электрическая энергия, которая нагревает и освещает это кольцо, извлекается из черной дыры: двадцать процентов массы дыры находится в форме энергии, которая запасена в вихре пространства вблизи горизонта с наружной стороны42. Эта энергия в 100000 раз больше энергии, которую в виде тепла и света испустило Солнце за весь период своего существования. И поскольку эта энергия находится за пределами горизонта, она может быть извлечена. Неважно, что извлечение энергии в мире кольца имеет максимальную эффективность только 50%, все равно этот источник обеспечивает в 5000 раз больше энергии, чем Солнце.

Энергетический генератор работает по тому же принципу, что и некоторые квазары43. Ваша команда провела через горизонт дыры магнитное поле и удерживает его на дыре, несмотря на неустойчивость с помощью гигантских сверхпроводящих катушек (рис. П.6). При вращении горизонта он вовлекает как в смерче в вихревое движение окружающее пространство, которое, в свою очередь, взаимодействует с пронизывающим его магнитным полем и образует гигантский генератор электрической энергии. Силовые линии магнитного поля работают как линии передачи энергии. Электрический ток выходит из экватора дыры (в виде потока электронов) вверх и вдоль линий магнитного поля направляется к миру кольца. Затем он вытекает из кольца вдоль другого набора силовых линий магнитного поля и опускается вниз на северный и южный полюса дыры (в виде нисходящего потока позитронов). Подбирая силу магнитного поля, население мира может регулировать поток мощности: создавая слабое поле и потребляя мало энергии в ранние годы нового мира и увеличивая поля и расход энергии позже. Постепенно, по мере извлечения энергии, дыра замедляет свое вращение, но, чтобы исчерпать гигантские запасы энергии дыры, потребуется вечность.