Гиперпространство - Каку Митио

Объяснить, почему черные дыры черные, можно двумя способами. С точки зрения прохожего, сила, действующая между звездой и лучом света, настолько велика, что его траектория изогнута и представляет собой окружность. Можно также принять точку зрения Эйнштейна, согласно которой «кратчайшее расстояние между двумя точками — кривая». Искривление луча света до полной окружности означает, что и само пространство свернуто в круг. Такое возможно лишь в том случае, если черная дыра полностью сжала участок пространства-времени вокруг нее, поэтому луч света перемещается в гиперсфере. Этот участок пространства-времени теперь отделен от окружающего пространства-времени, а само пространство «разорвано».

Мост Эйнштейна-Розена

Релятивистское описание черных дыр фигурирует в работе Карла Шварцшильда. В 1916 г., всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн записал свои знаменитые уравнения, Шварцшильд сумел найти для них точное решение и вычислить гравитационное поле массивной стационарной: звезды.

Решение Шварцшильда имело несколько интересных особенностей. Во-первых, вокруг черной дыры находится «точка невозврата». Любой объект, приблизившийся на расстояние, меньшее, чем этот радиус, неизбежно затянет в черную дыру, спастись ему не удастся. Человек, которому не посчастливится оказаться в пределах радиуса Шварцшильда, будет захвачен черной дырой и раздавлен насмерть. В настоящее время это расстояние от черной дыры называется радиусом Шварцшильда, или горизонтом событий (самой удаленной видимой точкой).

Во-вторых, каждый, кто окажется в пределах радиуса Шварцшильда, обнаружит «зеркальную вселенную» по «другую сторону» пространства-времени (рис. 10.2). Эйнштейна не беспокоило существование этой причудливой зеркальной Вселенной, потому что сообщение с ней было невозможным. Любой космический зонд, отправленный в центр черной дыры, столкнется с бесконечной искривленностью; иначе говоря, гравитационное поле окажется бесконечным, а любой материальный объект будет уничтожен. Электроны оторвутся от атомов, и даже протоны и нейтроны в ядре разнесет в разные стороны. Кроме того, чтобы проникнуть в другую вселенную, зонду понадобится лететь со скоростью, превышающей скорость света, а это невозможно. Таким образом, хотя зеркальная Вселенная математически необходима для понимания решения Шварцшильда, наблюдать ее физически не удастся никогда.

Рис. 10.2. Мост Эйнштейна-Розена соединяет две разных вселенных. Эйнштейн считал, что любая ракета, очутившаяся на этом мосту, будет уничтожена, значит, сообщение между этими двумя вселенными невозможно. Но более поздние вычисления показали, что путешествия помосту хоть и чрезвычайно трудны, но все-таки возможны.

В итоге известный мост Эйнштейна-Розена, соединяющий две вселенных (мост назван в честь Эйнштейна и его соавтора Натана Розена), считается математической причудой. Этот мост необходим для получения математически последовательной теории черных дыр, однако по мосту Эйнштейна-Розена попасть в зеркальную вселенную невозможно. Мосты Эйнштейна-Розена вскоре обнаружились и в других решениях гравитационных уравнений, таких, как решение Райснера-Нордстрёма для черной дыры с электрическим зарядом… Тем не менее мост Эйнштейна-Розена оставался любопытным, но забытым приложением к теории относительности.

Ситуация начала меняться с появлением труда новозеландского математика Роя Керра, который в 1963 г. нашел еще одно точное решение уравнений Эйнштейна. Керр полагал, что любая коллапсирующая звезда вращается. Как вращающийся фигурист, скорость которого возрастает, когда он прижимает к себе руки, звезда неизбежно будет вращаться быстрее по мере схлопывания. Таким образом, стационарное решение Шварцшильда для черных дыр не было самым физически релевантным решением уравнений Эйнштейна.

Предложенное Керром решение стало сенсацией в вопросах относительности. Астрофизик Субраманьян Чандрасекар однажды сказал:

Самым ошеломляющим событием за всю мою научную жизнь, т. е. более чем за сорок пять лет, стало осознание, что точное решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна, открытое новозеландским математиком Роем Керром, дает абсолютно точное отображение бессчетного множества массивных черных дыр, наполняющих вселенную. Этот «трепет перед прекрасным», этот невероятный факт, что открытие, к которому привел поиск красоты в математике, обнаружило ее точную копию в Природе, убеждают меня, что красота — то, на что человеческий разум отзывается на самом глубинном, содержательном уровне[114].

Однако Керр обнаружил, что массивная вращающаяся звезда не сжимается в точку. Вместо этого вращающаяся звезда сплющивается, пока в конце концов не превращается в кольцо, обладающее примечательными свойствами. Если запустить зонд в черную дыру сбоку, он ударится об это кольцо и будет полностью уничтожен. Искривленность пространства-времени остается бесконечной, если приближаться к кольцу сбоку. Если можно так выразиться, центр все так же окружен «кольцом смерти». Но, если запустить космический зонд в кольцо сверху или снизу, ему придется иметь дело с большой, но конечной искривленностью; иначе говоря, гравитационная сила не будет бесконечной.

Этот весьма неожиданный вывод из решения Керра означает, что любой космический зонд, запущенный во вращающуюся черную дыру вдоль оси ее вращения, может в принципе пережить огромное, но конечное воздействие гравитационных полей в центре и проделать весь путь до зеркальной Вселенной, избежав гибели под воздействием бесконечной искривленности. Мост Эйнштейна-Розена действует как туннель, соединяющий две области пространства-времени; это и есть «червоточина», или «кротовина». Таким образом, черная дыра Керра — ворота в другую вселенную.

А теперь представим, что наша ракета очутилась на мосту Эйнштейна-Розена. Приближаясь к вращающейся черной дыре, она видит кольцеобразную вращающуюся звезду. Поначалу кажется, что ракету, спускающуюся навстречу черной дыре со стороны северного полюса, ждет катастрофическое столкновение. Но по мере приближения к кольцу свет зеркальной Вселенной достигает наших датчиков. Поскольку все электромагнитное излучение, в том числе и от радаров, движется по орбите черной дыры, на экранах наших радаров появляются сигналы, многократно проходящие вокруг черной дыры. Создается эффект, напоминающий зеркальную «комнату смеха», где нас вводят в заблуждение многочисленные отражения со всех сторон. Свет отражается рикошетом от множества зеркал, создавая иллюзию, будто комната полна наших точных копий.

Тот же самый эффект наблюдается при прохождении сквозь черную дыру согласно Керру. Поскольку один и тот же луч света обходит черную дыру по орбите множество раз, радар в нашей ракете обнаруживает изображения, вращающиеся вокруг черной дыры и создающие иллюзию объектов, которых на самом деле там нет.

Варп-скорость 5

Означает ли это, что с помощью черных дыр можно путешествовать по всей галактике, как в «Звездном пути» и других научно-фантастических фильмах?

Как мы видели ранее, искривленность конкретного пространства обусловлена количеством материи-энергии, содержащейся в этом пространстве (принцип Маха). Знаменитая формула Эйнштейна дает нам точную степень искривления пространства-времени, вызванного наличием материи-энергии.

Когда мы вместе с капитаном Кирком устремляемся сквозь гиперпространство с «варп-скоростью 5», «кристаллы дилития», приводящие в движение «Энтерпрайз», должны творить чудеса, деформируя пространство и время. Это означает, что кристаллы дилития обладают магической способностью сворачивать пространственно-временной континуум в крендель, т. е. являются вместилищами неисчерпаемых запасов материи и энергии.