Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикор

Рис. 15.7. Прецессия орбиты Меркурия. Так как центральная сила, притягивающая Меркурий к Солнцу, не в точности обратно пропорциональна квадрату расстояния, орбитальный эллипс незамкнут. Наиболее удаленная от Солнца точка орбиты (афелий) медленно прецессирует. На самом деле эта точка смещается гораздо меньше, чем на этом рисунке.

Объяснение движения Меркурия стало первым успехом новой теории гравитации, созданной Эйнштейном. Другим ее следствием было отклонение лучей света, проходящих близ поверхности Солнца. Из-за этого звезды кажутся сдвинутыми от своего реального положения на небе, когда Солнце наблюдается вблизи них. Обычно мы не можем увидеть звезды и Солнце одновременно, но в момент солнечного затмения это возможно. Когда во время солнечного затмения 1919 года сдвиг звезд на ожидаемую величину был обнаружен, это расценили как победу теории Эйнштейна (рис. 15.8). В то время были известны только два конкурента общей теории относительности: теория финского физика Гуннара Нордстрёма (см. главу 18) вообще не предсказывала отклонения лучей света, а по теории Ньютона лучи должны были отклоняться, но вдвое слабее, чем по Эйнштейну. В наши дни при наблюдении космических радиоисточников точность измерений стала еще выше: прогноз теории Эйнштейна подтверждается с точностью 1 %.

Третье предсказание общей теории относительности подтвердилось гораздо позже. Согласно этой теории, время течет медленнее в искривленном пространстве, то есть — в сильном гравитационном поле. Следовательно, на первом этаже дома время течет медленнее, чем на чердаке, поскольку чердак дальше от центра Земли и притяжение там немного слабее. В 1960 году американцы Роберт Паунд и Глен Ребка измерили это различие в скорости течения времени на расстоянии по вертикали в 22,5 м. Результат совпал с прогнозом теории Эйнштейна с точностью 10 %; результаты современных измерений совпадают с предсказанием с точностью 0,01 %.

Рис. 15.8. Проходя мимо поверхности Солнца, луч света отклоняется от первоначального направления на 1,75" (на рисунке отклонение завышено).

В нашем мире, как описывает его общая теория относительности, есть много странного; одно из самых удивительных — черная дыра. Если тело сжимается все сильнее и сильнее, то гравитация на его поверхности усиливается. Давайте для примера рассмотрим Землю. Ее средний диаметр 12 742 км. Скорость убегания с поверхности Земли, необходимая космическому кораблю для путешествия, например, к Луне, составляет около 11 км/с. Если бы какой-нибудь гигант смог сжать Землю до размера теннисного мяча, то скорость убегания возросла бы до 70 000 км/с.

Если гигант продолжит сжатие Земли, то скорость убегания будет увеличиваться все больше и больше и в какой-то момент станет равной скорости света (300 000 км/с). В этот момент диаметр Земли будет меньше 2 см. При этом гигант очень удивится: свет уже не сможет убегать от Земли, и она станет невидимой. Дальше Земля будет сжиматься уже сама, пока не окажется сдавленной в точку. Некоторые оценки говорят, что плотность в этой точке достигнет 1094 г/см3; это число выходит за рамки воображения. Но в этой истории припасен еще один сюрприз: Земля стала невидимым шаром, черной дырой, которая начала срывать вещество с близких к ней пальцев гиганта. В этот момент ему, возможно, захочется освободиться от чудовища, которое он сотворил.

Многие детали описанной выше картины можно вывести из теории Ньютона. Джон Мичелл (1724–1793), пастор церкви Св. Михаила и Всех Ангелов в Торнхилле, близ Дьюсбери в Англии, еще в 1784 году говорил о возможности существования черных дыр. Такой объект увидеть невозможно, но если черная дыра является членом двойной системы, ее можно отождествить по движению звезды-спутника. Вильям Гершель интересовался черными дырами Мичелла. Он даже думал, что обнаружил одну из них, но оказалось, что он ошибся. Лаплас в своей работе «Изложение системы мира» в 1796 году высказал такую же идею об объектах с мощным притяжением, которые являются ловушками для света.

Первым, кто применил общую теорию относительности к проблеме черных дыр, был Карл Шварцшильд (1873–1916). Накануне Первой мировой войны он возглавлял Потсдамскую обсерваторию и был ведущим астрономом Германии. Но его призвали в армию; сначала он воевал на Бельгийском, а затем на Русском фронте. Именно там в 1916 году он написал две работы по исследованию новой теории Эйнштейна, где дал определение так называемого радиуса Шварцшильда. Эта величина пропорциональна массе тела и указывает минимальный радиус тела, сжавшись до которого, оно становится черной дырой. Для Солнца этот критический радиус составляет около 3 км, а для звезды, в десять раз более массивной, он равен 30 км. Позднее в том же году Шварцшильд заболел и умер на фронте.

Некоторые особенности черных дыр можно понять, только используя общую теорию относительности. Пространство там так сильно искривлено, что пространство-время замыкается вокруг черной дыры. В некотором смысле оно становится собственной вселенной, связанной с внешним миром только гравитацией. Черная дыра затягивает в себя окружающее вещество. В результате ее масса возрастает, а ширина «глотки» черной дыры измеряется радиусом Шварцшильда. Так что заглатывание окружающего вещества только усиливает аппетит черной дыры!

Чтобы понять особенности черной дыры, мы можем вернуться назад к растянутому куску резины (см. рис. 15.6). Предположим, что лежащий на нем тяжелый шар постепенно уменьшается в размере. Поскольку давление на единицу поверхности увеличивается, вмятина под шаром становится все глубже и глубже. В конце концов резиновая поверхность изогнется вокруг шара, и он окажется на дне узкого горлышка. Поверхность резины вдали от шара уже почти не чувствует его влияния, но локальное искривление поверхности сильно увеличилось в процессе сжатия шара. Часть поверхности с максимальным искривлением имитирует пространство вокруг черной дыры.

Условия внутри радиуса Шварцшильда черной дыры весьма экзотические. Роли координат пространства и времени там меняются. Например, в обычном мире время течет только в будущее, но в черной дыре оно может течь как вперед, так и назад. Зато в пространстве под радиусом Шварцшильда мы можем передвигаться лишь в одном направлении — только к центру черной дыры. Нашему мозгу не под силу представить такой мир, хотя математически построить его мы в состоянии.

Из-за сильного искривления пространства вблизи черной дыры время замедляется. Если бы мы смогли проследить за падающими на черную дыру часами, например — в телескоп, и если бы, падая, часы продолжали тикать, то мы увидели бы, что, приближаясь к черной дыре, они идут все медленнее. Наконец мы увидели бы, что на расстоянии радиуса Шварцшильда часы вообще остановились. Таким образом, удаленному наблюдателю время кажется застывшим на границе черной дыры. Но наблюдатель, падающий в черную дыру вместе с часами, не заметит в течении времени ничего особенного.

Это еще один пример отсутствия жесткого абсолютного времени; каждый наблюдатель видит течение времени по-своему.

Вблизи черной дыры странно ведут себя и лучи света. Они могут сильно изгибаться и даже наматываться вокруг черной дыры. Некоторые лучи навсегда исчезают в черной дыре. Нам трудно понять, что мы видим вблизи черной дыры, так как «обработка данных» нашего зрения предполагает, что лучи света должны распространяться прямолинейно. Порою даже небольшое отклонение от прямой линии, как это бывает при наблюдении миража, сбивает нас с толку.

Черные дыры имеют еще одну особенность, которую мы пока не упоминали. Они могут вращаться, причем даже очень быстро. Искривление пространства вокруг вращающейся черной дыры впервые вычислил математик из Новой Зеландии Рой Керр в 1963 году.

Вращение черной дыры проявляется как вращение близлежащего пространства: черная дыра тащит за собой пространство, как водоворот. В плоскости вращения скорость водоворота может быть очень высокой и достигать скорости света на радиусе Шварцшильда. Следовательно, неподвижное в этом пространстве тело будет выглядеть издалека как вращающееся вокруг черной дыры со скоростью света. Вдали от радиуса Шварцшильда черной дыры или вблизи обычного вращающегося объекта движение обращающегося по орбите тела будет испытывать сравнительно небольшое возмущение. Но вблизи черной дыры завихрение очень велико. Даже движение в обратную сторону со скоростью света не может спасти тело от втягивания его в круговое движение в направлении вращения черной дыры.

Для каждой черной дыры существует максимальная скорость, с которой она может вращаться. Критическая поверхность для черной дыры, вращающейся с максимальной скоростью, лежит на половине радиуса Шварцшильда от ее центра. Вне критической поверхности лежит область, называемая эргосферой, где скорость пространственного вихря превышает скорость света. При благоприятных обстоятельствах частицы могут поглощать немного вращательной энергии черной дыры в этой области и вылетать из нее, унося энергию с собой.