Джон Малоун - Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения
Еще одна причина состоит в том, что Уилер кардинально поменял к тому моменту свое отношение к проблеме гравитационного коллапса. Он не только стал усиленно заниматься ею, но и превратился в одного из крупнейших специалистов в этой области, а в 1969 г. даже придумал прекрасное название черная дыра (разумеется, в результате этого предыдущая деятельность его старого соперника Оппенгеймера оказалась почти совершенно забытой). Любителям телевизионного сериала «СтарТрек» будет небезынтересно узнать, что в первых эпизодах, относящихся еще к 1967 году, использовался очень похожий термин. Лоуренс М. Краус, автор книги «Физика в сериале «СтарТрек», пишет по этому поводу следующее: «При просмотре этого эпизода специально для сверки с текстом книги мне показалось, что авторы просто неточно использовали научное понятие, и это выглядело забавным. Лишь позднее я осознал, что авторы сериала придумали название, почти совпадающее с научным термином». В сериале речь шла о «черной звезде».
Образ космической черной звезды, или дыры, оказался весьма эффектным, что отмечали многие рецензенты. Частично это можно связать с тем, что Джон Уилер нашел удивительно удачное и емкое название для странных объектов, которое одновременно очень подходит для удачных, а иногда грубоватых шуток по поводу многих житейских ситуаций. Широкая публика, вообще говоря, никогда не проявляла интереса к проблемам других звездных объектов (от белых и коричневых карликов до нейтронных звезд), однако черные дыры были восприняты столь же остро, как когда-то в древности кометы. Это кажется особенно странным, если учесть, что уже почти 60 лет ведущие физики мира ломают головы над проблемой черных дыр. Психологи неоднократно отмечали, что обаяние метафоры «черная дыра» обусловлено именно ее абстрактностью и неопределенностью, позволяющей каждому вкладывать в это понятие собственный смысл.
В большинстве справочников обычно подчеркивается, что гравитационное поле черных дыр настолько сильно, что даже свет не может выходить из них. Выше уже упоминалась книга Кипа Торна «Черные дыры и деформация времени», опубликованная в 1994 г. Хотя к этому моменту астрономы еще не имели даже доказательств реального существования черных дыр, К. Торн (который сам является выдающимся специалистом в этой области) сумел добавить к стандартному определению еще одну характеристику, назвав черную дыру «объектом, образующимся при коллапсе звезды, в который предметы могут попадать, но из которого они не могут выходить». Впрочем, это определение также достаточно осторожно, поскольку Торн хорошо представлял себе, к каким странным выводам может приводить концепция черных дыр.
Попробуем ответить на довольно простой вопрос: каковы размеры черных дыр?
Теоретически черной дырой может стать любой объект — звезда, луна, небоскреб Эмпайр Стейт Билдинг, слон, читатель или автор этой книги, пресс-папье со стола и т. п., если только к нему удастся приложить нагрузку и сжать вещество до требуемой плотности. Когда объект сожмется до ничтожных размеров, его гравитационное поле возрастет настолько, что пространство искривится и образуется черная дыра, из которой наружу не сможет вырваться даже луч света. Из человека (например, из меня или из Вас, читатель) можно, конечно, сформировать лишь очень маленькую черную дыру, радиус которой будет в миллиарды раз меньше размеров электрона. При сжатии Земли возникнет черная дыра величиной с шарик для настольного тенниса, а Солнце образовало бы черную дыру радиусом около 2,4 км.
В действительности размеры Солнца (не говоря уже о Вас и обо мне) слишком малы, чтобы образовалась черная дыра. Достаточными размерами и массой обладают лишь крупные звезды, а звезды-гиганты обречены превратиться в черные дыры. Тимоти Ферри в книге «The Whole Shebang» [4] пишет: «В каждой нормальной звезде существует сложное равновесие между двумя противоположными силами. Гравитация стремится сжать звезду в точку, а энергия, выделяющаяся в ее центре, заставляет звезду расширяться, стремится взорвать ее. В этих условиях звезда начинает пульсировать, периодически изменяя размеры под воздействием противоположно направленных сил, обусловленных изящным механизмом обратной связи». Этот механизм обратной связи позволяет поддерживать равновесие, благодаря которому звезды могут существовать и гореть достаточно долго. Например, наше Солнце горит уже около 10 миллиардов лет, что составляет почти половину его жизненного цикла. Скорость выгорания ядерного топлива в центре звезды пропорциональна кубу ее массы, вследствие чего увеличение массы звезды всего в несколько раз приводит к резкому усилению яркости (в сотни раз!) и значительно сокращает срок ее жизни. Общий закон развития звезд заключается в том, что как только равновесие между гравитацией и выделением энергии нарушается, звезда любого размера коллапсирует.
Звезды с массой до 1,4 массы Солнца в результате коллапса превращаются в так называемые белые карлики (с массой Солнца, а размером с Землю). Они не могут дальше уменьшаться из-за ограничивающего плотность электронов в веществе принципа Паули (см. гл. 16). Более крупные и массивные звезды будут сжиматься до гораздо меньших размеров, образуя объекты диаметром менее 16 км, называемые нейтронными звездами, поскольку их ядра состоят в основном из электрически нейтральных элементарных частиц — нейтронов. Нейтронная звезда может вращаться, делая тысячи оборотов в секунду. Если такая звезда обладает магнитным полем, то она превращается в так называемый пульсар — мощный импульсный источник радиоизлучения.
Некоторые звезды во Вселенной столь огромны и обладают столь большой массой, что в этом случае гравитационные силы преодолевают ограничения, не позволяющие белым карликам и пульсарам уменьшаться дальше в размерах, и возникают черные дыры. Ни вещество, ни даже свет не могут преодолеть гравитационное притяжение таких объектов, поэтому все, что находится вблизи них и пересекает так называемый горизонт событий, «засасывается» внутрь дыры. В этой области пространства не действуют обычные законы гравитации, а возникают закономерности, характерные для черной дыры, которая является сингулярностью, т. е. зоной действия особых законов.
Конечно, очень многие давно пытались представить или теоретически описать происходящие внутри черной дыры процессы. В этих попытках приняли участие даже голливудские режиссеры, снявшие в 1979 г. очень зрелищный, но поразительно примитивный фильм под названием «Черная дыра». Некоторые астрофизики полагают, что всё попавшее в черную дыру превращается в «спагетти», а другие считают, что черные дыры связаны с иными измерениями и иными вселенными. Хотя черными дырами занимались блестящие ученые, разработавшие сложнейшие математические теории, однако пока никто не представляет толком, что происходит внутри них. Как и в концепции Большого Взрыва, теоретическое описание сингулярностей представляется весьма сложной задачей. Даже самый развитый математический аппарат позволяет автору создать лишь воображаемую реальность, существование и адекватность которой еще предстоит доказать.
С тех пор как Джон Уилер изменил свое мнение и принял концепцию черных дыр, многие астрофизики пытались исследовать природу этих загадочных звездных объектов. Начиная с 1970-х и до 1990-х годов предлагаемые теории были столь же многочисленны, как и вызываемые ими дискуссии. Но несмотря на это изобилие теорий, оставалась одна проблема: действительное существование черных дыр не было подтверждено.
Даже чисто практическая задача наблюдения черных дыр создаёт астрономам массу проблем, поскольку по определению черные дыры нельзя наблюдать. Любые заключения об их поведении можно сделать только на основе их воздействия на расположенные поблизости звезды и галактики. После ликвидации неисправностей в космическом телескопе «Хаббл» в 1994 г. в открытом космосе (что потребовало специального запуска космического челнока) и дальнейшей разработки рентгеновских телескопов начала поступать ценная и обширная информация. За короткий период с конца 1990-х до начала 2000 года удалось получить новые данные, которые подтвердили предсказания, относящиеся к черным дырам. Сейчас большинство астрофизиков считают существование черных дыр вполне доказанным. Однако, как это часто бывает, обилие новой информации не только позволяет ответить на старые вопросы, но и порождает множество новых. Например, начиная с 1974 г. астрономы были уверены, что наиболее вероятным кандидатом в черные дыры является звезда Х-1 созвездия Лебедя (Cygnus Х-1, Cyg Х-1), и они внимательно следили за ее поведением. Этот объект оказался бинарной системой, или двойной звездой, — довольно распространенным видом космических образований. Однако в отличие от других систем этого типа составляющие ее звезды совершенно различны. Одна из них ярко светит в оптическом диапазоне, но невидима в рентгеновской области. Другая оказывается «темной» в оптическом диапазоне, но яркой в рентгеновской области. При этом первая звезда, по-видимому, вращается вокруг второй, масса которой, как показывают математические расчеты, значительно превышает массу обычных нейтронных звезд. Именно это обстоятельство натолкнуло на мысль, что речь идет о черной дыре. К середине 1980-х годов астрономы собрали много данных о поведении Cyg X-1, зачастую противоречащих друг другу. Дискуссии в среде космологов привели к тому, что между Кипом Торном и Стивеном Хокингом было заключено пари, в соответствии с которым, если бы звезда Cyg Х-1 оказалась черной дырой, то Хокинг должен был оплатить Торну подписку на журнал «Penthouse». В противном случае Торн должен был подписать Хокинга на сатирический журнал «Private Eye». К началу 1990-х годов Торн уже был уверен в своей правоте на 95%, хотя и не ожидал, что противник легко признает свое поражение. Однако Хокинг оказался достаточно объективным и, как с юмором пишет об этом Торн, «в июне 1990 года, когда я работал со своими российскими коллегами в Москве, Хокинг «вломился» в мой офис в Калтехе (разумеется, в окружении семьи, сиделок и друзей), снял со стены помещенный в рамку текст нашего пари и оставил на нем соответствующую расписку, заверив ее отпечатком большого пальца».
