Куда течет река времени - Новиков Игорь Дмитриевич

Доказать обязательность существования сингулярности внутри черной дыры было нелегким делом. Решающий шаг сделал Р. Пенроуз в 1965 году. Я узнал об этой работе от Е. Лифшица, когда мы с А. Дорошкевичем пришли к нему рассказать о наших вычислениях образования черной дыры при сжатии сферического тела с «рябью». Е. Лифшиц заинтересовался нашим объяснением: «Вы, по существу, доказываете, что тело с отклонениями от сферичности образует при сжатии черную дыру такую же, как и совершенно сферическое тело. Но очень важно узнать еще, чем же кончится сжатие самого тела внутри черной дыры. Я только что просмотрел работу Р. Пенроуза об этом».

И он передал нам краткую заметку английского математика. В ней в необычайно элегантной форме доказывалось, что если уж образовалась черная дыра, не выпускающая тяготением даже свет, то внутри ее неизбежно будут места с бесконечно сильной гравитацией — то есть очаги сингулярности. Я помню смешанное чувство и радости, и некоторого разочарования, охватившее меня. Дело в том, что я сам пытался доказать то, что сделал Р. Пенроуз, но безуспешно. Радость была связана с тем, что догадка оказалась правильной, а разочарование (вполне понятное) с тем, что интересное доказательство найдено не мною.

В дальнейшем, к началу 70-х годов, Р. Пенроуз и С. Хоукинг доказали целый ряд важных теорем о сингулярностях в черных дырах.

Итак, внутри черной дыры падающее тело неизбежно наталкивается на сингулярность. Читатель наверное помнит, что внутри черной дыры радиальное пространственное направление становится временем. Расстояние от горизонта до центра конечно. Значит, и промежуток времени, в течение которого могут существовать тела внутри черной дыры, конечен и даже очень мал. Так, для черной дыры с массой в десять масс Солнца он составляет всего одну десятитысячную секунды. Для гигантских черных дыр в миллиард масс Солнца (которые, вероятно, существуют в центрах галактик) это всего несколько часов. К сингулярности сходятся все линии времени внутри черной дыры, и в области сингулярности будет разрушено любое тело.

Но если такой исход совершенно неизбежен для любых тел внутри черной дыры, то это означает, что в сингулярности перестает существовать и время. «Как же так? — может спросить читатель. — А что же будет потом? Пусть даже обломки тел, но они все же будут существовать после такой катастрофы? А значит, и время будет продолжать свой обычный бег, хотя в этом времени и произошли столь разрушительные явления в сингулярности?»

В том-то и дело, что это не так. Вспомним, что свойства времени зависят от протекающих процессов. Теория утверждает, что в сингулярности свойства времени изменяются настолько сильно, что его непрерывный поток обрывается, оно распадается на кванты. Здесь надо еще раз вспомнить, что теория относительности показала необходимость рассматривать время и пространство совместно, как единое многообразие. Поэтому правильнее говорить о распаде в сингулярности на кванты единого пространства-времени.

Точной теории этого явления пока нет. Мы можем указать лишь на самые общие черты того, что должно происходить. Прежде всего возникает вопрос: каковы размеры этих квантов пространства-времени? Оказывается, на этот вопрос можно ответить, даже не имея подробной теории.

Еще основатель идеи о существовании квантов в физических процессах М. Планк высказал догадку, что если в каком-либо явлении будут иметь место и сверхбыстрые скорости, равные скорости света, и сильные поля тяготения, и квантовые свойства материи, то наименьший промежуток времени (квант времени) может быть вычислен просто из знаний величины скорости света  c,постоянной тяготения Ньютона Gи квантовой постоянной h, введенной в науку самим М. Планком. Он рассчитал, что этот промежуток времени, названный планковским временем, составляет совершенно ничтожную величину. В секундах он выражается дробью, в числителе которой единица, а в знаменателе единица с сорока четырьмя (!) нулями.

Так как время и пространство едины, то можно говорить и о пространственной протяженности этих своеобразных квантов. Эта протяженность (она называется планковской длиной) выражается в сантиметрах дробью с единицей в числителе и с единицей с тридцатью тремя нулями в знаменателе. И во времени, и в пространстве планковские протяженности ничтожны.

По-видимому, промежутков времени меньше, чем планковский, быть не может. Это хотя и необычно, но не столь уж неожиданно. Ведь мы знаем из квантовой физики, что существует, например, квант электрического заряда или минимальная порция световой энергии данной частоты — квант света.

Не столь уж удивительно, что может существовать и квант времени. XX век приучил нас к научным чудесам. Заметим, что такое представление о природе времени связано с принципиальной необходимостью квантовых проявлений буквально всех процессов в сингулярности.

Когда мы переходим к условиям, где все определяется квантовостью материи, то и время приобретает квантовые черты (в очень малых масштабах). С этой точки зрения непрерывный поток времени состоит из ненаблюдаемого истинно дискретного процесса, подобно рассматриваемому издали непрерывному потоку песка в песочных часах, хотя этот поток состоит из дискретных песчинок.

Итак: в сингулярности внутри черной дыры время распадается на дискретные кванты и, по-видимому, с приближением к сингулярности на промежутки времени, равные планковскому; и не имеет больше смысла спрашивать, что будет, если пройдет еще немного времени по часам падающего наблюдателя. Промежуток этот разделить на части уже принципиально нельзя, как нельзя разделить на части фотон. Понятия «раньше» и «позже» полностью теряют смысл, и, возможно, оказывается бессмысленным вопрос: что будет после сингулярности?

Чтобы как-то пояснить эту мысль, приведем такую аналогию. Вспомним движение электрона в атоме по одной из стационарных орбит. На классическом языке мы говорим «электрон движется». Но на квантовом языке говорить здесь о движении нельзя; правильнее сказать, что электрон находится в определенном состоянии, описываемом неизменной во времени волновой функцией, дающей вероятность пребывания электрона в том или ином месте.

Наверное, и «течение времени» в квантовой теории сингулярности необходимо описывать чем-то подобным волновой или вероятностной функции, хотя выражение «вероятность протекания такого-то промежутка времени» и кажется совершенно необычным.

Подведем итог сказанному. В сингулярности свойства времени, вероятно, сильнейшим образом изменяются, приобретая квантовые черты. Река времени дробится здесь на неделимые капли… Неправильно сказать, что сингулярность есть граница времени, за которой существование материи происходит уже вне времени. Но следует сказать, что пространственно-временные формы существования материи приобретают здесь совсем особенный характер, а многие привычные понятия становятся даже бессмысленными. О характере законов природы в сингулярности мы можем пока только догадываться.

Все сказанное о сингулярности в черных дырах пока только выводы теоретиков, хотя и опирающиеся на всю современную физику. Это передний край науки, и многое еще будет уточняться. Но следует помнить, что черные дыры, в которых обязаны существовать сингулярности, ограничивающие поток обычного непрерывного времени, реально существуют во Вселенной. Несколько таких объектов с большой степенью надежности уже открыты астрофизиками. Открыты своеобразные стоки реки времени — эти омуты, из которых нет возврата.

ЭНЕРГИЯ ИЗ ЧЕРНЫХ ДЫР

Наш рассказ о дырах в пространстве и времени был бы неполон без упоминания об удивительном их свойстве — непрерывно выделять энергию. Такая их особенность является одним из проявлений не до конца еще разгаданной связи между временем и энергией. Подобная связь четко обнаруживается, когда существенными становятся квантовые свойства материи.