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

«Какое же расстояние от горизонта до сингулярности?» — спрашиваете вы себя. (Конечно, вы не собираетесь измерять его непосредственно, такое измерение было бы самоубийством; вы никогда не сможете выбраться из-под горизонта, чтобы доложить результаты Всемирному географическому обществу.) Из-за того что сингулярность очень мала, 10-33 сантиметра, и находится точно в центре дыры, расстояние от сингулярности до горизонта должно быть равно радиусу горизонта. Вам очень хочется вычислить этот радиус стандартным методом, поделив длину окружности на 2π (6,2831805307…). Однако когда вы учились на Земле, вас предупредили не доверять подобным расчетам. Огромное гравитационное тяготение дыры полностью искажает геометрию пространства внутри и вблизи дыры[18], подобно тому, как тяжелый камень, положенный на резиновую пленку, изменит геометрию листа (рис. П.З), в результате чего радиус горизонта не будет равен длине окружности, деленной на 2π.

«Ничего страшного, — говорите вы себе, — Лобачевский, Риман и другие великие математики научили нас рассчитывать свойства окружностей и в искривленном пространстве, а Эйнштейн ввел эти расчеты в свою общую теорию относительности для законов гравитации. Я могу использовать эти формулы искривленного пространства для вычисления радиуса горизонта».

П.З. Тяжелый камень, помещенный на резиновую поверхность (например, на батут), деформирует плоскость, как показано на рисунке. Искаженная геометрия поверхности очень похожа на искривленное пространство вокруг и внутри черной дыры. Например, длина окружности жирного черного круга намного меньше, чем 2π, умноженное на его радиус. См. подробности в главах 3 и 13

Но потом, припоминая то, что узнали во время подготовки на Земле, вы понимаете, что хотя масса дыры и ее угловой момент определяют все свойства горизонта дыры и окружающего пространства, они ничего не говорят о внутренних свойствах дыры. Общая теория относительности настаивает, что внутренность дыры, вблизи сингулярности, должна быть хаотична и сильно несферична[19], также как центр резиновой пленки на рис. П.З, если тяжелый камень имеет неровную форму и непрерывно дергается вверх и вниз. Более того, хаотичная природа ядра дыры будет зависеть не только от массы звезды и ее углового момента, но и от всех деталей схлопывания дыры, при котором родилась дыра, а также от истории последующего падения на дыру межзвездного газа — всех деталей, которые вам неизвестны.

«Ну и ладно, — решаете вы, — какая бы ни была ее структура, хаотичное ядро должно иметь длину окружности много меньше сантиметра. Итак, я сделаю небольшую ошибку, если вообще пренебрегу им, когда буду вычислять радиус горизонта».

Но затем вы вспоминаете, что пространство вблизи сингулярности может быть деформировано так сильно, что хаотичный участок может иметь радиус в миллионы километров, хотя длина его окружности будет составлять только долю сантиметра. Точно так же тяжелый камень на рис. П.3 может сколь угодно глубоко вниз вытянуть острый неровный конус резиновой пленки, оставляя в то же время длину его окружности малой. Ошибки в наших вычислениях радиуса могут быть поэтому огромными. Радиус горизонта просто-таки не может быть вычислен из той скудной информации, которой вы владеете: масса дыры и ее угловой момент.

Оставив размышления по поводу внутренностей черной дыры, вы готовитесь исследовать окрестности ее горизонта. Не желая рисковать человеческой жизнью, вы просите 10-сантиметрового робота Арнольда, оснащенного ракетными двигателями, провести для вас исследования и передать результаты назад на звездолет. У Арнольда простые инструкции: прежде всего он должен запустить ракетные двигатели так, чтобы погасить первоначально общую со звездолетом скорость орбитального движения, а затем выключить двигатели и позволить гравитации дыры затянуть его вниз. Во время падения Арнольд направит ярко-зеленый лазерный луч в сторону звездолета и закодирует в этом луче информацию о пройденном расстоянии и о состоянии его электронной системы, так же как радиостанция кодирует передачи на радиоволнах.

Команда звездолета примет лазерный луч, а Карес декодирует передачу, получив информацию от робота. Она также измерит длину волны луча (или, что то же самое, его цвет; см. рис. П.2). Знание длины волны очень важно: она будет нести информацию о скорости движения Арнольда. Поскольку он будет двигаться все быстрее и быстрее, удаляясь от звездолета, принятый на корабле первоначально зеленый цвет луча под действием эффекта Доплера[20] будет смещаться во все более длинноволновую область, т. е. он будет становиться все более и более красным. Кроме того, есть дополнительный сдвиг в красную область, обусловленный борьбой луча с силой гравитационного тяготения дыры. Вычисляя скорость Арнольда, Карес должна внести поправку на это гравитационное красное смещение[21].

Итак, эксперимент начинается. Арнольд форсирует уход с орбиты на траекторию падения. Как только он начинает падать, Карес регистрирует время прихода лазерного сигнала. По прошествии 10 секунд декодированный лазерный сигнал сообщает, что все системы работают хорошо и что робот уже пролетел расстояние 2630 километров. По цвету лазерного света Карес вычисляет, что теперь он падает со скоростью 530 километров в секунду. Когда часы отсчитали 20 секунд, скорость удвоилась до 1060 километров в секунду, а пройденное расстояние учетверилось до 10500 километров. Часы продолжают идти. По истечении 60 секунд скорость возросла до 9700 километров в секунду, а расстояние до 135000 километров, что составляет пять шестых расстояния до горизонта.

Теперь вы должны быть внимательны. Последующие несколько секунд будут решающими, и поэтому Карес включает высокоскоростную записывающую систему, чтобы собрать все детали поступающих данных. На 61-й секунде Арнольд докладывает, что все системы функционируют нормально, горизонт находится на расстоянии 14000 километров под ним, и он падает на него со скоростью 13000 километров в секунду. По истечении 61,7 секунды все еще идет хорошо, осталось еще 1700 километров, скорость 39000 километров в секунду или около одной десятой скорости света, но цвет лазера начинает быстро меняться. И в следующую одну десятую секунды вы с удивлением наблюдаете, как частота лазера проносится через весь спектр электромагнитного излучения: от зеленого к красному, затем к инфракрасному, к СВЧ и к радиоволнам. Через 61,8 секунды после начала падения все закончено. Лазерный луч полностью пропал. Арнольд достиг скорости света и исчез у горизонта. И в эту последнюю десятую долю секунды, как раз перед тем, как луч мелькнул последний раз, довольный Арнольд докладывал о том, что «все системы работают, все системы работают…».

Когда ваше возбуждение утихает, вы приступаете к изучению записанных данных. Там вы находите все детали изменения во времени длины волны лазерного излучения. Вы видите, что когда Арнольд падал, длина волны лазерного сигнала возрастала сначала очень медленно, а потом все быстрее и быстрее. Но, удивительно, после того как длина волны учетверилась, скорость ее удвоения стала почти постоянной: после этого длина волны удваивалась каждые 0,0014 секунды. После 33 «удвоений» (0,0046 секунды) длина волны достигла 4 километров — предела возможностей вашей регистрационной системы. Вероятно, длина волны продолжала удваиваться и дальше. Поскольку для того чтобы длина волны стала бесконечной, нужно, чтобы прошло бесконечное число удвоений, чрезвычайно слабые, чрезвычайно длинноволновые сигналы все еще могут идти от горизонта!

Означает ли это, что Арнольд еще не пересек горизонт и никогда не сможет его пересечь? Совсем нет. Те последние, вечно удваивающиеся сигналы бесконечно долго выкарабкиваются из гравитационных объятий дыры. Арнольд пролетел через горизонт, двигаясь со скоростью света, уже много минут тому назад. Оставшиеся слабые сигналы продолжают доходить, поскольку их время распространения очень велико. Это реликты прошлого[22].

После многих часов исследования данных падения Арнольда и после долгого сна для восстановления сил вы переходите к следующей ступени исследований. На этот раз вы будете сами зондировать окрестность горизонта, но будете делать это более тщательно, чем Арнольд.

Попрощавшись с командой, вы забираетесь в исследовательскую капсулу вашего корабля и выходите в ней на круговую орбиту рядом со звездолетом. Затем вы осторожно запускаете ракетные двигатели, чтобы немного замедлить свое орбитальное движение. Это немного сокращает центробежную силу, которая поддерживает капсулу, и гравитация дыры затягивает вас на несколько меньшую круговую орбиту. Когда вы опять запускаете осторожно двигатели, ваша круговая орбита опять немного сокращается. Ваша цель состоит в том, чтобы, используя эту мягкую, безопасную сходящуюся спираль, достигнуть круговой орбиты как раз над горизонтом, орбиту в 1,0001 раза большую, чем сам горизонт. Там вы сможете изучить многие свойства горизонта, избежав его фатальных объятий.