Лев Шильник - Космос и хаос. Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной
Итак, на закате своей жизни звезда сбрасывает газовую оболочку, а ее ядро начинает стремительно сжиматься. Если его масса была меньше 1,4 массы Солнца, гравитационный коллапс остановится на стадии белого карлика. Если масса ядра находится в пределах 1,4–3,0 солнечной массы, оно сколлапсирует в нейтронную звезду. Если же ядро еще массивнее (более трех масс Солнца), возникнет провал в неведомое – загадочный объект под названием «черная дыра». Критическую величину в 1,4 массы Солнца принято называть пределом Чандрасекара, по имени индийского физика-теоретика, рассчитавшего этот параметр.
Под черной дырой следует понимать область пространства-времени, полностью закрытую для внешнего наблюдателя. Из-под гравитационной крышки, навсегда прихлопнувшей раздавленную звезду, не может выбраться наружу ни один сигнал, в том числе и луч света. Путь внутрь черной дыры – дорога в один конец: любой предмет, провалившийся в ее непостижимую пучину, исчезает бесследно. Поэтому черная дыра – очень меткий термин, отражающий самую суть этого невразумительного объекта. Вечное упокоение световых квантов на дне гравитационной могилы объясняется сравнительно просто. Чем массивнее тело, тем больше энергии надо затратить, чтобы оторваться от его поверхности. Чтобы разорвать путы земного притяжения (сойти с околоземной орбиты), космический корабль должен развить скорость 11,2 километра в секунду. Эта величина называется второй космической скоростью, или скоростью убегания. На поверхности Солнца она составит 700 километров в секунду, а вот скорость убегания для черной дыры равна скорости света, поэтому покинуть ее нутро не может ничто.
Неподготовленному читателю может показаться странным, что не такой уж безумно тяжелый объект (свыше трех солнечных масс) навсегда останавливает световые лучи. Почему в таком случае массивные звезды запросто излучают свет? Однако дело тут не столько в массе как таковой, а в том объеме, в который эта масса помещена. Если бы мы стали сжимать Землю, бережно сохраняя ее полную массу, то увидели бы, что вторая космическая скорость неуклонно растет, хотя масса планеты не меняется. Когда радиус Земли уменьшится до 9 мм, а плотность ее вещества вырастет до 1027г/см3(на 13 порядков больше плотности атомного ядра), скорость убегания на ее поверхности сравняется со скоростью света. После этого пресс можно спокойно отложить в сторону. Согласно общей теории относительности, Земля с этого момента начнет неудержимо коллапсировать самостоятельно, пока на ее месте не образуется микроскопическая черная дыра.
Термин «черная дыра» ввел в научный обиход американский физик Джон Уилер в 1969 году, хотя представление об исключительно массивных телах, не излучающих по этой причине света, возникло много раньше – еще в конце XVIII века. В 1783 году кембриджский преподаватель и астроном-любитель Джон Мичел предположил, что в природе должны существовать компактные и тяжелые небесные тела, на поверхности которых скорость убегания превысит скорость света. Численное значение радиуса, при котором скорость света уравнивается со второй космической скоростью, нетрудно рассчитать для любого тела, если известна его масса. Эту величину принято называть гравитационным радиусом (rg), и она легко вычисляется по формуле rg = 2GM/c2, где G – гравитационная постоянная, а с – скорость света. В случае Земли, как говорилось выше, гравитационный радиус составит 9 мм, для Солнца он будет равен 3 километрам, а очень массивные тела (порядка нескольких миллиардов масс Солнца) будут иметь гравитационный радиус, превосходящий размеры Солнечной системы. Подобного рода сверхмассивные черные дыры, как считают астрофизики, встречаются в ядрах спиральных галактик.
Черная дыра – странный объект. Если заглянуть в ее темное нутро, там не обнаружится даже малейших признаков вещества, а только полная пустота вплоть до самого центра, где сидит так называемая сингулярность – безразмерная точка с бесконечно большой плотностью, в которой сосредоточена вся масса черной дыры. На этот факт косвенно указывает и вышеприведенная формула: если бы черная дыра была равномерно заполнена веществом, то массе был бы пропорционален объем, а никак не радиус. Впрочем, особо чувствительные люди, чурающиеся бесконечности в любых ее ипостасях, могут считать сердцевину черной дыры неким своеобразным квантом пространства с диаметром 10-33см (так называемая планковская длина). Тогда плотность невообразимо стиснутого вещества будет выражаться чрезвычайно большим, но все-таки конечным числом – 10-93г/см3(планковская плотность), поэтому материя, проглоченная черной дырой, не стянется в точку с нулевой размерностью, но займет настолько крохотный объем (порядка 10-99см3), который и объемом-то называть как-то неловко. Обо всех этих непростых вещах подробно рассказывается в «перинатальных» главах, посвященных рождению нашей Вселенной («Всеобъемлющая инфляция», «И тьма пришла», «Мнимое время Стивена Хокинга»).
Если вокруг черной дыры на расстоянии ее гравитационного радиуса выстроить некую условную сферу, охватывающую сингулярность со всех сторон, мы получим физическую границу этого удивительного объекта, называемую горизонтом событий, или сферой Шварцшильда, по имени известного немецкого астрофизика. Все, что находится под горизонтом событий, принципиально недоступно, ибо в рамках общей теории относительности время теснейшим образом связано с пространством и напрямую зависит от силы тяжести. Важно подчеркнуть, что горизонт событий отнюдь не является реальной поверхностью скукожившегося объекта, но представляет собой условную границу, навсегда отделившую наш простой и понятный мир от потрохов черной дыры, где нарушаются все известные физические законы.
Поскольку ход времени зависит от силы тяжести (чем массивнее тело, тем медленнее течет время на его поверхности с точки зрения удаленного наблюдателя), по мере приближения к горизонту событий часы будут непрерывно замедлять свой ход, пока стрелки не застынут в полной неподвижности. На горизонте событий время останавливается вовсе, но только с точки зрения внешнего наблюдателя. Как говорят физики, любому сколь угодно малому промежутку времени на горизонте событий соответствует сколь угодно большой промежуток времени в бесконечно удаленной точке. Если черная дыра не вращается, радиус горизонта событий в точности равен ее гравитационному радиусу, а вот у вращающихся черных дыр он меньше гравитационного радиуса. Пожалуй, стоит еще раз напомнить, что горизонт событий – это своего рода полупроницаемая мембрана, которая допускает перемещение материальных тел только в одном-единственном направлении – к центру черной дыры, где царят неведомые нам законы квантовой гравитации. Если мы заберемся под горизонт, чтобы полюбопытствовать, как выглядит сингулярность, вернуться назад будет уже невозможно. Более того, рассказать о том, что именно мы там увидели, тоже не получится, ибо никакой физический сигнал не сумеет выбраться из-под невидимой, но вполне реальной крышки. Хотя информация – понятие идеальное, но она непременно предполагает наличие материального носителя, а он-то как раз и будет навсегда похоронен под горизонтом. Сингулярность со всеми ее загадками надежно укрыта от взглядов извне и упорно не дается в руки. Бог не терпит голой сингулярности, шутят физики.
Едва ли не в каждой книжке по космологии приводится пример с путешественниками, оказавшимися в окрестностях черной дыры. Мы тоже не станем оригинальничать и двинемся по проторенной дорожке. Итак, представим себе, что на орбите возле черной дыры кружит космический корабль, от которого отделяется спускаемый модуль с астронавтом на борту. Отважный исследователь задался целью проникнуть под горизонт событий, чтобы вдоль и поперек изучить потроха черной дыры. Что увидят его спутники, оставшиеся на борту корабля, и что увидит он сам? Экипаж космического корабля с удивлением обнаружит, что по мере приближения к горизонту событий скорость модуля падает почти до нуля. С каждой секундой он движется все медленнее и медленнее, еле ползет, как сонная муха, вплотную зависнув над горизонтом, но никак не может его пересечь. Экипажу космического корабля так никогда и не доведется увидеть, как модуль ныряет под горизонт, поскольку для этого нужно затратить бесконечно большое время.
Предположим, что астронавт ежеминутно отправляет сигнал своим спутникам, оставшимся на борту корабля. Сначала сигналы исправно следуют друг за другом, но с некоторого момента интервалы между ними начинают неудержимо расти. Модуль как приклеенный висит впритык к горизонту, а сигналы приходят все реже и реже. И вдруг словно ножом отрезало – полная тишина. Спутники нашего отважного первопроходца могут дожить до глубоких седин, но так и не услышат очередного сигнала. Чтобы его зарегистрировать, им пришлось бы ждать целую вечность. А между тем астронавт в спускаемом модуле продолжает исправно, каждую минуту, посылать сигнал за сигналом...
