Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения
Я, впрочем, уверен, что писателям-фантастам все мои соображения не помеха. Они по-прежнему будут писать рассказы о путешествиях во времени, но что касается их осуществимости даже в самом далёком будущем, то вряд ли они будут возможны. Впрочем, в науке иногда случаются и непредвиденные повороты.
Когда подводит теория
Пожалуй, мы довольно порассуждали о чёрных дырах; у нашей книги совсем другая цель: нас интересует полная, всеобъемлющая единая теория поля. Впрочем, теория эта, как мы потом увидим, тесно связана с чёрными дырами. А пока посмотрим, когда отказывает теория относительности. Мы установили, что она годится для объяснения процессов в нейтронных звёздах и предсказывает существование чёрных дыр.
Давайте разберёмся в том, что же всё-таки общая теория относительности говорит о чёрных дырах. Как уже отмечалось, когда достаточно массивная звезда коллапсирует, она образует горизонт событий, который представляется нам чёрной сферой. Вещество звезды продолжает сжиматься и в конце концов образует сингулярность в центре горизонта событий. Учёные рассматривают сингулярность как место с бесконечно большой плотностью, лишённое размеров, и тем не менее там как-то помещается сама звезда и всё, что попадает туда позднее. Сократившись до нулевого объёма, звезда теряет почти все свои признаки. Впрочем, описывая сингулярность таким образом, надо соблюдать осторожность, ведь в действительности это просто место, где наша теория не работает, или, другими словами, место, где условия таковы, что мы не можем адекватно описать происходящее, а если пытаемся, то получается несуразица. В данном случае несуразица – это бесконечная плотность и масса, не имеющая размеров. Мы говорим, что это следствие нашего невежества, и считаем, что таков логический (или нелогичный) конец коллапса.
Черная дыра в центре галактики (рисунок)
Так как мы применяли общую теорию относительности, то вот ответ на наш вопрос: общая теория относительности не работает, т.е. не даёт осмысленного результата для сингулярности в чёрной дыре. Собственно, отказывает она даже немного раньше, чем появляется сингулярность. Если попытаться использовать её для объяснения событий, выходящих за рамки применимости теории, то получаются такие же абсурдные результаты, как и в начале XX века, когда учёные пытались объяснить строение атома с помощью теории Максвелла. Из его теории следовало, что существование атомов невозможно. Электроны, вращаясь вокруг ядра, должны были бы расходовать энергию атома, и очень скоро упали бы на ядро, а значит, вещество не существовало бы в привычном нам виде. Следовательно, что-то не так с используемой теорией или же она применяется там, где не может работать. Прошло несколько лет, и стало ясно, что классическая теория неприложима к атомам. Использовав квантовую теорию, учёные смогли дать всему комплексу атомных явлений удовлетворительное объяснение.
Похоже, что и теория относительности в применении к чёрным дырам, даёт бессмысленные результаты. Однако несколько лет назад Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали теорему, согласно которой за горизонтом событий всегда присутствует сингулярность (не обязательно та, о которой мы говорили). Строго говоря, они показали, что там возникает «конец», или «граница» пространства-времени. До сих пор толком не понятно, что это значит.
Чтобы понять, в чём состоит затруднение, вернёмся к нашим коллапсирующим звёздам. Вещество звезды продолжает коллапсировать даже после того, как попадает за горизонт событий, и постепенно сжимается настолько, что начинают проявляться квантовые эффекты. К сожалению, у нас нет квантового варианта общей теории относительности, и можно только гадать о том, что произойдёт, когда вещество попадёт в эту область. Учёные предполагают, что квантовое тяготение может оказать воздействие на саму природу пространства. Пространство может приобрести непривычный для нас облик, перекрутиться, исказиться невероятным образом и даже разорваться на части. Трудно представить себе такой разрыв. Непонятно, что будет находиться между отдельными кусками пространства? Если же не рассматривать такие возможности, можно представить себе, что возникает множество «кротовых нор». На этой стадии топология пространства, вполне вероятно, будет очень сложна – что-то вроде смеси из пространства и непространства.
Итак, здесь общая теория относительности отказывает, и для объяснения таких явлений нужна новая теория. В следующей главе мы увидим, что та же проблема возникает в связи с ранней Вселенной.
Открытие испарения чёрных дыр
До сих пор мы говорили о чёрных дырах, образовавшихся в результате коллапса массивных звёзд. Но есть чёрные дыры другого типа. Чтобы понять, как они возникают, вспомним ранние стадии Большого взрыва. Около 18 миллиардов лет назад вся масса Вселенной заключалась в бесконечно массивном исходном ядре – сингулярности Вселенной. Внезапно эта сингулярность потеряла устойчивость и взорвалась, в результате чего образовалась Вселенная.
Одним из важных вопросов, связанных с этим взрывом, является такой: был ли взрыв абсолютно однородным или в нём возникли флуктуации плотности? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно оглядеться. Та галактика, в которой мы живём, и те, что нас окружают, свидетельствуют о том, что взрыв не мог быть однородным, потому что иначе галактик не было бы вовсе. Вселенная состояла бы из однородного расширяющегося газа. Если же предположить, что в процессе взрыва возникли неоднородности, то вполне вероятно, что часть вещества сжалась, образовав сгустки, тогда как другая часть вещества расширялась. Такие сгустки могли сжаться до размеров чёрных дыр, но в отличие от чёрных дыр, образовавшихся при коллапсе, их радиус не обязательно равен нескольким километрам. Некоторые из них могут быть совсем маленькими, куда меньше протона, другие – огромными, с массой порядка массы галактики. Чтобы отличать такие чёрные дыры от тех, что образовались при коллапсе звёзд, их называют реликтовыми чёрными дырами.
В течение долгих лет они вызывают интерес учёных: одни считают, что маленькие чёрные дыры могли сталкиваться с Землёй, другие полагают, что они – ядра странных тяжёлых атомов. Вычисления показывают, что если бы такая маленькая чёрная дыра столкнулась с Землёй, то прошла бы насквозь и произошло бы только два небольших взрыва – один при входе в Землю, другой при выходе с другой стороны. Впрочем, у нас нет доказательств, что это когда-либо случалось.
Одно из самых замечательных открытий, сделанное в физике чёрных дыр в последние несколько лет, связано с такими маленькими чёрными дырами. Джейкоб Бекенштейн, изучая в 1972 году термодинамику чёрных дыр, обратил внимание на то, что их поверхностная температура больше абсолютного нуля (абсолютный нуль, или 0 K – самая низкая температура во Вселенной). Но результат казался бессмысленным: всё, что оказывается рядом с чёрной дырой, затягивается в неё, и ничего не может вылететь оттуда. Следовательно, она не может ничего испускать, в том числе и излучение, и должна иметь температуру 0 K. Бекенштейн решил не принимать во внимание этот результат и считать его ошибкой в расчётах. Однако Стивен Хокинг из Кембриджского университета проверил расчёты и нашёл, что всё верно: температура чёрной дыры выше 0 K. В отличие от Бекенштейна Хокинг применил квантовую теорию и показал, как растёт температура. «Парадокс не поддавался объяснению, пока в 1974 году я не занялся изучением поведения вещества в окрестности чёрной дыры, применив квантовую механику. К своему изумлению я обнаружил, что чёрные дыры должны постоянно испускать частицы. Я приложил массу усилий, чтобы избавиться от этого ненужного эффекта. В реальности такого процесса меня убедило то, что спектр излучения полностью совпадал со спектром тепловых нейтронов», – писал он.
Хотя ранее Хокинг уже внёс значительный вклад в физику чёрных дыр, знаменитостью в научном мире его сделал именно эффект испарения чёрных дыр. Родился он в 1942 году, детство провёл в Лондоне и Сент-Олбансе. Отец Хокинга был врачом, специалистом по тропическим болезням. Но не биология, а физика заинтересовала Стивена, и он решил стать учёным, хотя и не пошёл по стопам отца. Позднее, впрочем, он творил, что если бы в те времена молекулярная биология достигла сегодняшнего уровня, он, возможно, занялся бы ею.
Несмотря на любовь к науке, в школе Хокинг не блистал, был средним учеником, редко делал конспекты и иногда даже засыпал на занятиях. Закончив школу, Хокинг подал заявление с просьбой принять его на физико-математический факультет Оксфордского университета. Экзамен по физике он сдал с лёгкостью, с математикой дело обстояло не так хорошо, но всё же в студенты его зачислили. Его лень не уменьшилась, и он часто пропускал лекции, считая их несущественными, хотя много занимался с «тьюторами» – прикреплёнными преподавателями, и позднее говорил, что именно под их руководством получил большую часть своих знаний.
