Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

Предсказания общей теории относительности были непонятны. Никому не приходило в голову, что достаточно компактный объект должен сжиматься, и что результатом такого сжатия является черная дыра. Наоборот, считалось, что шварцшильдовские сингулярности (черные дыры) — это объекты, размер которых удерживается вблизи критической величины за счет противодействия гравитации со стороны некой внутренней силы. Исходя из этих представлений, Эйнштейн полагал, что может разрушить эту концепцию, показав, что таких сил не существует.

Если бы Эйнштейн предположил, что «шварцшильдовские сингулярности» могут существовать в действительности, то, вполне возможно, он бы догадался, что именно катастрофическое сжатие является ключевым моментом в их образовании, а силы, действующие внутри, не существенны. Но он настолько твердо был убежден, что их быть не должно (они «дурно пахли», очень дурно), что не смог преодолеть это убеждение, так же, впрочем, как и большинство его коллег.

В романе Т.Х. Уайта «Король сегодня и навсегда» описывается сообщество муравьев, девизом которого было: «Все, что не запрещено, является принудительно-обязательным». К законам физики и устройству Вселенной это не относится. Множество вещей, разрешенных законами физики, оказываются столь маловероятными, что на деле никогда не происходят. Простым, хорошо известным примером является случайное восстановление разбитого яйца: возьмем видеозапись, на которой зафиксировано, как на пол падает и разбивается вдребезги куриное яйцо. Затем пустим ее в обратном направлении, и вы увидите, как из скорлупы и ошметков собирается целое яйцо, которое затем взлетает в воздух. Законы физики не запрещают, чтобы это произошло в действительности, при обычном течении времени, однако этого никогда не случается, так как вероятность такого события чрезвычайно мала.

Физики двадцатых, тридцатых, сороковых и даже пятидесятых годов XX века задавались одним и тем же вопросом: допускают ли законы физики возможность существования черных дыр? И ответ получался неоднозначный: на первый взгляд, да, допускают, но, с другой стороны, Эйнштейн, Эддингтон и некоторые другие приводили (ошибочные) доводы в пользу того, что такого не может быть. В пятидесятые годы, когда эти доводы были окончательно отклонены, многие физики стали склоняться к точке зрения, что, хотя существование черных дыр и не противоречит законам физики, оно настолько маловероятно (так же, как и случайное восстановление яйца), что на практике они нигде не встречаются.

В реальности появление черных дыр, в отличие от восстанавливающихся яиц, является, при некоторых обстоятельствах, неизбежным; однако лишь в конце шестидесятых, когда свидетельства этой неизбежности стали очевидны, большинство физиков действительно стали принимать черные дыры всерьез. В следующих трех главах я расскажу, как, начиная с тридцатых и кончая шестидесятыми годами XX века, накапливались эти свидетельства и какое сопротивление они встречали.

Практически единодушное сопротивление черным дырам в XX веке составляет разительный контраст с энтузиазмом, с которым они были приняты во времена Митчелла и Лапласа. Вернер Израэль, физик, занимающийся глубоким изучением этой истории в наши дни, размышлял о причинах такого различия:

«Я уверен, что [отношение к черным дырам в XVIII веке] было не только признаком, характерным для революционных веяний 1790-х», — писал Израэль. «Причина на самом деле в том, что темные звезды Лапласа [черные дыры] не представляли опасности для нашей бережно хранимой веры в постоянство и стабильность материи. Напротив, черные дыры XX века представляли для нее огромную опасность.»

Согласно представлениям Митчелла и Лапласа темные звезды состояли из вещества примерно такой же плотности, как вода, камни, Земля или Солнце: примерно 1 грамм на кубический сантиметр. При такой плотности звезда, чтобы быть темной (иметь окружность меньше критической), должна иметь массу примерно в 140 миллионов раз больше солнечной и диаметр примерно в 3 раза больше, чем у земной орбиты. Такие звезды, подчиняющиеся ньютоновским законам физики, были бы экзотическими, но определенно не противоречили бы нашим общим представлениям об устройстве природы. Чтобы увидеть такую звезду, достаточно было бы приземлиться на планету вблизи нее и взглянуть на световые частицы перед тем, как они упадут обратно на поверхность этой звезды. Если бы кому-нибудь захотелось исследовать вещество, из которого она состоит, он спокойно мог бы подлететь к ее поверхности, взять пробу и привезти ее на Землю. Я не знаю, думали или нет Митчелл, Лаплас и их современники о подобных вещах, но в любом случае у них не было причин беспокоиться о законах природы, о постоянстве и стабильности материи.

Горизонт черной дыры (поверхность, диаметр которой равен критическому), черной дыры XX века представляет собой нечто совершенно иное. На какой бы высоте над ним вы не находились, вы не увидите света, идущего от него. Все что падает сквозь этот горизонт, никогда не возвращается обратно, оно исчезает из нашей Вселенной, и сам факт этого исчезновения бросает вызов представлениям физиков о законах сохранения материи и энергии.

«Существует удивительная параллель между историей черных дыр и историей дрейфа материков [перемещения континентов по поверхности Земли друг относительно друга]», — писал Израэль. «Уже в 1916 г. признаки того, что оба эти явления имеют место, практически невозможно было игнорировать, но изучение и того, и другого затормозилось почти на полвека из-за сопротивления, доходившего до абсурда. Я уверен, что глубокие психологические причины были сходны в обоих случаях. Еще одно совпадение: это сопротивление рухнуло где-то в 1960 г. Конечно, оба направления [астрофизика и геофизика] получили мощный импульс от послевоенных технических достижений. Но не менее интересно то, что именно в это время советская водородная бомба и советский спутник изменили представление о западной науке как об истине в последней инстанции. Зародилось подозрение, что и на Земле, и в небесах может быть гораздо больше интересного, чем об этом можно подумать».

4

ЗАГАДКА БЕЛЫХ КАРЛИКОВ

глава, в которой Эддингтон и Чандрасекар ведут баталии вокруг смерти массивных звезд; должны ли они, погибая, схлопнуться, образуя черные дыры, или их спасет квантовая механика?

Год 1928-й, место действия — южная Индия, город Мадрас на берегу Бенгальского залива. Здесь, в Мадрасском университете, 17-летний индийский юноша Субраманьян Чандрасекар увлечен изучением физики, химии и математики. Чандрасекар — высокий и красивый юноша с царственными манерами — чрезвычайно горд своими академическими «успехами». Он только недавно прочитал классический учебник Арнольда Зоммерфельда «Атомные структуры и спектральные линии» и поэтому весьма обрадовался, узнав, что проживающий в Мюнхене Зоммерфельд — один из величайших в мире физиков-теоретиков — посетил Мадрас.

Сгорая от нетерпения, Чандрасекар отправился к Зоммерфельду в отель и попросил о встрече. Зоммерфельд назначил встречу на другой день. В указанное время гордый Чандрасекар, уверенный в своем владении основами современной физики, подошел к номеру Зоммерфельда в отеле и постучал в дверь. Зоммерфельд, вежливо поприветствовав пришедшего, осведомился об учебе, а затем развеял все его иллюзии. «Физика, которую Вы изучали, дело прошлого. Она полностью изменилась за те пять лет, что прошли с тех пор, как написана моя книга», — объяснил он. Зоммерфельд описал революцию в физическом понимании законов, которые управляют микромиром: миром атомов, молекул, электронов и протонов. В этом мире законы Ньютона, как было обнаружено, уже не справедливы, поскольку не выполняются принципы относительности движения. Им на смену пришел принципиально новый класс физических законов, получивших название законов квантовой механики[60], поскольку они имеют дело с поведением («механикой») частиц среды («квантов»). Появившись всего два года назад, новые законы квантовой механики, тем не менее, уже успешно проявили себя в объяснении поведения атомов и молекул.

Чандрасекар читал в книге Зоммерфельда о первой, предварительной версии этих законов. Однако, как объяснил Зоммерфельд, эти предварительные законы оказались неудовлетворительными. Они хотя и находились в согласии с экспериментами над простыми атомами и молекулами, такими как водород, не могли рассчитать поведение более сложных. Кроме того, эти законы не были логически связаны друг с другом и другими физическими законами. Они были не более чем набором неэстетичных эмпирических правил вычисления.

Новый вариант законов, хотя и более радикальный по форме, выглядел гораздо более многообещающим. Он объяснял сложные атомы и молекулы и, казалось, хорошо согласовывался с остальной физикой.