Артур Миллер - Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры
Обсерватория «Чандра» зарегистрировала множество фантастических космических событий. В одном из неравных гравитационных столкновений звезда с массой нашего Солнца была случайно сбита с курса другой звездой и исчезла вблизи сверхмассивной черной дыры в центре галактики RX J1242-11 в созвездии Девы. Черная дыра с массой в 100 миллионов больше Солнца разорвала в клочья незваного гостя и вызвала одну из самых мощных рентгеновских вспышек, когда-либо зарегистрированных в этой галактике. Обсерватория «Чандра» зарегистрировала эту катастрофу 9 марта 2001 года. Ее заметили также космическая рентгеновская обсерватория «XMM-Newton» и рентгеновская обсерватория ROSAT (разработанная учеными из Германии, Великобритании и США). Уникальное событие было предсказано сразу после появления теории черных дыр, но никогда до того не наблюдалось[93].
Идея о существовании черных дыр вызвала появление самых невероятных предположений и фантастических домыслов о Вселенной, незначительной частью которой мы являемся. Не сможем ли мы в один прекрасный день создать черные дыры в лаборатории? У физиков уже имеется программа соответствующих исследований. Не нужно сжимать вещество до его радиуса Шварцшильда — такой технологии пока нет. Предлагается совершенно иной способ — разогнать на ускорителе элементарные частицы до околосветовых скоростей и столкнуть их друг с другом. При столкновении выделится огромное количество энергии в очень малом объеме, и тем самым на долю секунды воспроизведутся условия, возникшие сразу после Большого взрыва, когда температура достигала десяти тысяч триллионов градусов Кельвина и образовывались черные дыры. Эксперимент планировали провести еще в 2005 году с использованием протонов и антипротонов на Большом адронном коллайдере в Европейском центре ядерных исследований. Физики уже говорят о «фабриках черных дыр», в которых они надеются получать эти дыры. Черная дыра будет в миллион раз меньше, чем размер атомного ядра (10-13 сантиметров) и с массой около массы протона (10-24 граммов). Хокинг предсказывает, что они испарятся за доли секунды и при этом произойдет вспышка излучения, анализируя которую физики надеются получить информацию об образовании черных дыр и о структуре пространства на самом микроскопическом уровне[94]. Согласно теории Хокинга, спектр этого излучения зависит от числа измерений пространства, в котором оно распространяется, и может предоставить информацию о свойствах пространства вблизи черной дыры. В теории ранней Вселенной предполагается, что в начале времен пространство имело больше четырех измерений — в отличие от наших привычных представлений. Размерности большего порядка не проникают в наше пространство и заметны только при чрезвычайно малых размерах — от одной десятой от одной триллионной одной триллионной размера атома (10-33 сантиметров). В таких невероятно малых областях ученые ожидают проявления эффектов квантовой гравитации[95]. Это так называемая планковская длина, наименьшее расстояние в теоретической физике. Она составлена из трех фундаментальных констант: гравитационной постоянной G, описывающей масштаб наблюдаемой Вселенной, постоянной Планка для атомного масштаба и скорости света. Некоторое представление о планковской длине дает такое сравнение: если атом увеличить до размеров всей Вселенной, то планковская длина будет равна примерно метру. Планковская длина невообразимо мала, но не равна нулю — она определяет область пространства с объемом 10-99 кубических сантиметров. И как это ни покажется удивительным, ученые умеют изучать объекты столь ничтожного масштаба. Для исследования их структуры физики используют длины волн примерно такого же размера. Радары настроены на длины волн, сравнимые с геометрическими размерами самолетов, а для исследования свойств атомов необходимо использовать волны с очень короткой длиной. Физики получают коротковолновое излучение чрезвычайно высокой частоты и энергии с помощью Большого адронного коллайдера. Можно надеяться, что им удастся воспроизвести условия ранней Вселенной, а излучение черных дыр Хокинга в коллайдере даст информацию о возможных дополнительных размерностях пространства. Не исключено, что в глубинных областях черной дыры, где приходится использовать законы квантовой гравитации, звезды коллапсируют не полностью. Вместо этого появляются дополнительные размерности пространства, и это может преподнести ученым неожиданные сюрпризы. Астрофизики рассуждают о вероятности совершенно фантастических вещей — например, могут ли черные дыры использоваться как порталы для путешествий в невообразимо далекие галактики. Серьезным препятствием является огромная гравитация коллапсирующей звезды, которая превратит космонавтов и их космический корабль в ничто. Но появилась хитроумная идея обнаружения черных дыр с «благоприятной» сингулярностью. Математические модели таких дыр уже разрабатываются[96]. Появилась и гипотеза, что некоторые сверхмассивные черные дыры имеют гибридную структуру с участками менее значительной гравитации. Пролет космических аппаратов через эти участки черной дыры обеспечит бесстрашным космонавтам больше шансов на выживание. Когда космический корабль попадет в такую черную дыру, искривление пространства и времени вблизи «благоприятной» сингулярности или в области слабой гравитации затянет корабль внутрь дыры. Это приведет к значительному ускорению и дальнейшей резкой остановке корабля, как бы уткнувшегося в тупик. В иллюминаторе космонавты увидят странную картину. Приборы покажут, что они высадились на планете, находящейся в миллионе триллионов километров от Земли. А по своим часам астронавты пролетят это огромное расстояние всего за несколько минут. Хотя бегущий по поверхности пространства-времени свет затратит миллион лет для этого путешествия, их полет через щель вблизи сингулярности будет почти мгновенным. Это как если добраться от Северного полюса до Южного сквозь планету, вместо путешествия по ее поверхности.
Путь напрямик — результат математического решения уравнений общей теории относительности Эйнштейна, называемый «кротовой норой». Это — дыра в пространстве-времени, которая позволяет астронавтам туннелировать вместо того, чтобы двигаться по поверхности. Туннель может возникнуть или же закрыться вследствие чудовищной гравитации в перемычке между двумя удаленными объектами. Гравитация здесь столь велика, что вырваться из нее не может даже свет. Для преодоления этого эффекта должен потребоваться материал с отрицательной гравитацией, теоретически предсказанный квантовой механикой. Такого рода объект откроет туннель на время, за которое путешественник пройдет через него. В будущем представители сверхпродвинутой цивилизации, надо надеяться, сумеют это сделать.
Пока же ученым не удается найти пространственно-временной туннель, но мы знаем, где находятся черные дыры. Близкий к нам Стрелец А* — неплохая цель космического путешествия, хотя до него все-таки 240 триллионов километров. Наверняка ученые когда-нибудь научатся вводить людей в состояние анабиоза, которое позволит им выжить в долгом межзвездном путешествии. А в один прекрасный день космонавт отправится в полет к черной дыре и возвратится обратно, на Землю, через пространственно-временной туннель[97].
Существование черных дыр следует из теории относительности, однако долгие годы они казались ученым чем-то абсурдным и нереальным, впрочем как и многие другие следствия этой теории. Так, сегодня уже доказано, что движущиеся часы идут медленнее, чем часы покоящиеся[98]. Предположим, что в будущем космонавты смогут совершить путешествие до ближайшей к нам звезды — Альфы Центавра, удаленной от нас на 38 триллионов километров, — с околосветовой скоростью. Во время полета на их звездолете прошло бы всего несколько лет, а на Земле — столетия. Вернувшись на Землю, путешественники окажутся в далеком будущем: родные отважных покорителей космоса давно умерли, сменилось множество поколений землян. Но вспомним про пространственно-временной туннель — ведь он тоже является математическим следствием теории относительности. Если бы наши космонавты смогли использовать антигравитационный материал и открыть вход в такой туннель, они добрались бы до Альфы Центавра за нескольких минут, и их часы показывали бы практически то же время, что и часы на Земле. А полетев обратно на Землю с околосветовой скоростью, они вернулись бы домой раньше, чем улетели.
Все это кажется просто математическим абсурдом, как и идея Чандры о белых карликах, сжимающихся до бесконечно малых точек бесконечной плотности. Идея, которая привела к открытию черных дыр — таинственных пропастей в ткани пространства и времени с диаметрами около миллионов километров, образований, способных поглощать звезды. Ученые не верили Чандре много лет, зато потом его прозрения привели к глубоким изменениям наших представлений о Вселенной, внесли огромный вклад в развитие астрофизики.
