Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
Свои вычисления Эйнштейн исправил в окончательной обзорной статье 1915 года, а во время следующего затмения, в 1919 году, сэр Артур Эддингтон пронаблюдал отклонение, которое предсказывал Эйнштейн. Этот результат накрепко вбил в сознание большинства, что теория верна. А еще это был триумф международного сотрудничества после Первой мировой войны: английский ученый с готовностью пришел на помощь немецкому и подтвердил его теорию.
Жизнь возле горизонта событий
Все гравитационные эффекты, которые мы наблюдали до сих пор и в Муравляндии, и на Земле, и в гравитационных линзах, создаваемых Солнцем, сущие винтики в великой конструкции мироздания. Однако во вселенной есть места, где искривление пространства-времени просто сокрушительно — например, вблизи поверхности черных дыр.
Чернота черных дыр не позволяет нам наблюдать их непосредственно, однако у нас нет ни тени сомнения в их существовании. Судя по всему, в центре почти всех крупных галактик, в том числе и нашей, находятся сверхмассивные черные дыры, иногда в миллиарды раз более массивные, чем Солнце, и именно они управляют движением звезд в центральных частях галактик.
Черные дыры — объекты на удивление простые, по крайней мере те из них, которые не вращаются, а здесь я буду говорить только о таких. Они состоят из бесконечно компактной «сингулярности» в центре и внешних границ, которые называются горизонтом событий — точкой невозврата. Черные дыры по астрономическим масштабам совсем крохотные. Если наше Солнце схлопнется в черную дыру, ее радиус будет меньше, чем у города Филадельфии[74]. Даже черная дыра массой в четыре миллиона солнечных, которая расположена в центре Млечного пути, с запасом впишется в орбиту Меркурия.
Черные дыры — это такие космические медведи. Твари это опасные, но не тронут, если к ним не соваться. Если бы Солнцу предстояло превратиться в черную дыру, Землю туда не засосало бы. Просто примерно через 8 минут и 19 секунд после превращения — столько времени требуется свету, чтобы долететь до нас — вы бы увидели, как Солнце гаснет и исчезает, а потом замерзли бы насмерть. Однако в последние свои часы вы наверняка будете возмущены тем обстоятельствам, что Дж. Дж. Абрамс вас обманывал. Землю не затянет в черную дыру, оставшуюся от Солнца — она будет вращаться себе по орбите вокруг пустого на вид участка неба, как всегда. Только заледенеет.
Однако вблизи черной дыры, там, где гравитация сильнее, все обстоит совсем иначе. Ближайшая к Солнцу планета — Меркурий, поэтому он сильнее всех нас ощутит на себе воздействие гравитации. И хотя Меркурий всего вдвое ближе к Солнцу, чем Земля, его орбита отчасти показывает, где Эйнштейн был прав, а Ньютон заблуждался.
Ньютон, как и Кеплер, обнаружил, что все планеты теоретически должны вращаться вокруг Солнца по идеальным эллипсам. Однако с Меркурием что-то не заладилось: его перигелий смещается примерно на 2 градуса в столетие. На практике это означает, что орбита Меркурия — не идеальный эллипс, а узор в виде розетки. Этот эффект почти целиком объясняется простым ньютоновым воздействием остальных планет, особенно Юпитера. Однако небольшая доля смещения, примерно 43 угловые секунды в сто лет, в рамках теории Ньютона объяснить невозможно. Прецессию Меркурия можно как-то истолковать лишь в том случае, если вы понимаете, что пространство-время вблизи Солнца искажается.
Если бы Солнце было черной дырой, мы могли бы подобраться гораздо ближе, и воздействие гравитации было бы гораздо зрелищнее. Как мы уже видели, рядом с массивными телами время течет медленнее, чем вдали от них. На горизонте событий черной дыры замедление времени становится буквально бесконечным. Да-да, вы не ослышались: бесконечным.
Предположим, у вас есть приятельница, которой вы не прочь пожертвовать ради науки. Давайте возьмем Алису: похоже, она не питает отвращения к кроличьим норам и всему такому прочему. Возьмите веревку попрочнее и подвесьте Алису над самым горизонтом событий. С точки зрения Алисы пройдет всего несколько минут, но к тому моменту, как она взберется обратно, в остальной вселенной, вероятно, пройдут тысячи лет. Не исключено, что к этому времени Землей будут править немытые обезьяны!
Спагеттификация
А теперь предположим, что Алиса решила не ждать, когда вы плавно спустите ее, а пожертвовать собой и прыгнуть в черную дыру «солдатиком». Разъясню еще раз: я не предлагаю ни вам, ни вашим друзьям подходить к черной дыре так близко, чтобы можно было провести подобный эксперимент. Вы не успеете узнать ничего интересного о течении времени, потому что вас раздерут в клочки приливные силы. Это называется спагеттификация — да, представьте себе, это научный термин.
Когда Алиса приблизится к черной дыре, гравитация будет действовать на ее ноги капельку сильнее, чем на голову. Поначалу это не создаст особых трудностей, но чем ближе будет Алиса к черной дыре, тем сильнее станет спагеттификация.
Для сравнения, горизонт событий у черной дыры с массой Солнца примерно три километра — в самый раз для славной оздоровительной прогулки. Если бы мы подвесили Алису в 1400 километрах над горизонтом событий, разница в гравитации между ее головой и ногами составила бы ускорение в 20 g, а человеческий организм такого вынести уже не может.
Оказывается, более или менее независимо от массы черной дыры с точки зрения Алисы пройдет примерно одна пятая секунды от того момента, когда она ощутит заметное неудобство, до того, как ее кости разнесет в пыль.
Однако можно и не мучиться — если черная дыра достаточно велика. Черная дыра массой в 10 000 масс Солнца гораздо безопаснее, чем ее менее массивные сестры. Приливные эффекты так слабы, что Алиса сможет миновать горизонт событий и остаться в живых. Независимо от того, как Алиса попадет туда, если она провалится за горизонт событий, черная дыра станет тяжелее на массу Алисы. Так они и растут.
Наверное, то, как растут черные дыры, требует некоторых разъяснений. Во-первых, черные дыры в большинстве своем не склонны к людоедству. В дикой природе их рацион состоит в основном из пыли, газа, звезд и — в зависимости от размеров — черных дыр поменьше.
Во-вторых, гравитация получается не только из массы. Не забывайте, масса и энергия эквивалентны, поэтому любая разновидность энергии в конечном итоге способна породить гравитацию. Я могу посветить в недра черной дыры фонариком — и она и в самом деле станет чуточку массивнее. Однако у этой медали есть и обратная сторона: испуская излучение, Солнце очень медленно и очень понемногу теряет массу[75]. Дело просто в том, что масса — самый действенный способ доставить энергию в систему. Правая сторона формулы E = mc² — огромное число даже при небольшой массе, так что нечего удивляться, что вклад массы в гравитацию обычно привлекает к себе больше всего внимания.
Третье мое предупреждение состоит в том, что когда именно Алиса упадет в черную дыру, во многом зависит от вашей точки зрения. Время поблизости от черной дыры идет медленно, а если подобраться очень близко, то и бесконечно медленно. Выясняется, что из-за этого черная дыра заключает с нами односторонний договор с сильным перекосом.
Когда Алиса приблизится к горизонту событий, будет все страньше и страньше. Даже если она переживет спагеттификацию, мы так и не увидим, как она пересечет линию горизонта событий. Прежде всего, с точки зрения стороннего наблюдателя на это уйдет бесконечно много времени. Алиса не столько пересечет горизонт событий, сколько исчезнет, как фотография в фильме «Назад в будущее», начиная с ног.
Если Алисины часы идут медленно, следовательно, все, чем вы теоретически можете воспользоваться для измерения времени, в том числе частота света, тоже замедлится. В частности, длина волны света, излучаемого из передатчика Алисы, по мере приближения к горизонту событий будет увеличиваться, и в конце концов вы перестанете видеть Алису. Сильнее всего этот эффект будет заметен у ног, а слабее всего — у макушки.
Однако во всем этом таится загадка. Если время у горизонта событий бесконечно замедляется, как туда вообще что-то падает?
Ответ, как обычно в теории относительности, состоит в том, что все зависит от наблюдателя. Гравитация, которую мы наблюдаем вдали от черной дыры, — смесь всего вещества и энергии, которые когда-либо туда попадали. Тот факт, что все это с нашей, довольно-таки ограниченной, точки зрения даже не пересечет горизонт событий, не имеет особого значения. Иначе говоря, неважно, насколько массивна черная дыра в данный момент, поскольку нет абсолютного согласия по вопросу о том, что означает «в данный момент».
