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

Мои вычисления ясно и недвусмысленно показали это в случае сфер, бесконечно длинных цилиндров и бесконечно широких блинов. Для таких объектов вычисления еще можно было провести. Гораздо сложнее для вычислений, в действительности за пределами моих талантов, был бы расчет несферических объектов конечного размера. Но физическая интуиция, появившаяся в результате моих вычислений и вычислений моих молодых товарищей, подсказывала мне, чего можно здесь ожидать. Это предположение я сформулировал в виде гипотезы об обруче.

Возьмем любой объект, который только вы можете себе представить: звезда, группа звезд, пучок линий магнитного поля, все что угодно. Измерим массу объекта, например, измерив силу его гравитации на орбитах планет. Зная эту массу, вычислим критическую окружность объекта (18,5 километров на одну солнечную массу). Если бы объект был сферическим (что не так), то он должен схлопываться с образованием черной дыры, если будет сжат до размера, меньшего, чем эта критическая окружность. Что случится, если объект не является сферическим? Гипотеза об обруче предполагает ответ на этот вопрос (рис. 7.2).

Построим обруч с окружностью, равной критической окружности нашего объекта. Попробуем поместить объект в центр обруча и полностью обернуть обруч вокруг объекта. Если это можно сделать, то объект уже должен был создать вокруг себя горизонт черной дыры. Если же вы потерпите неудачу, это значит, что объект для образования черной дыры еще недостаточно компактен.

7.2. Согласно гипотезе об обруче, схлопывающийся объект образует черную дыру тогда и только тогда, когда вокруг объекта можно поместить и обернуть обруч с критической окружностью

Другими словами, гипотеза об обруче утверждает, что, если объект (звезда, группа звезд, все что угодно) сжат очень несферическим образом, то он сформирует вокруг себя черную дыру тогда и только тогда, когда его окружность во всех направлениях становится меньше, чем критическая окружность.

Я предложил эту гипотезу об обруче в 1972 г. С тех пор я и другие упорно старались проверить, правильно ли это предсказание или нет. Ответ похоронен в уравнении поля Эйнштейна, но извлечь его, как оказалось, чрезвычайно трудно. За это время накопилось достаточно много косвенных доказательств справедливости этого предположения. Совсем недавно, в 1991 г., Стюарт Шапиро и Саул Тьюкольски из Корнельского университета смоделировали на суперкомпьютере схлопывание очень несферической звезды и увидели, что черная дыра вокруг подверженной сильному сжатию звезды формируется в точности тогда, когда предсказывает это гипотеза об обруче. Если обруч может быть надет и обернут вокруг подвергающейся сильному сжатию звезды, то черная дыра формируется, если — нет, то нет и черной дыры. Но было смоделировано только несколько подобных звезд специальной несферической формы. Поэтому мы все еще не знаем наверняка, спустя почти четверть века после того, как я предложил эту гипотезу об обруче, правильна ли она или нет, но этот результат выглядит обещающим.

* * *

Игорь Дмитриевич Новиков со многих точек зрения напоминал меня самого, так же как Яков Борисович Зельдович был похож на Уилера. В 1962 г., когда я встретился в первый раз с Уилером и начал свою карьеру под его руководством, Новиков впервые встретился с Зельдовичем и стал членом его команды исследователей.

Но если у меня было простое и благополучное детство в большой и дружной мормонской семье в Логане, штат Юта, у Новикова все было гораздо сложнее.[81] В 1937-м, когда Игорю было два года, его отец, высокопоставленный чиновник в Министерстве железнодорожного транспорта попал под жернова сталинского Великого террора, был арестован и (в отличие от счастливо спасшегося Ландау) казнен. Жизнь его матери была сломана — ее посадили в тюрьму и затем отправили в ссылку, а Игоря воспитывала тетя. (Такие семейные трагедии были пугающе обычны среди моих русских друзей и их коллег.)

В начале 1960-х, когда я студентом изучал физику в Калтехе, Игорь учился в аспирантуре Московского университета. В 1962-м, когда я собирался отправиться в Принстон в аспирантуру под руководством Джона Уилера, специализируясь в общей теории относительности, один из моих профессоров в Калтехе отговаривал меня от этого намерения: общая теория относительности имеет малое отношение к реальной Вселенной, предупреждал он, лучше поискать интересные проблемы в других областях физики. (Это было время широко распространенного скептицизма относительно черных дыр и отсутствия к ним интереса.) В это же самое время Игорь в Москве закончил аспирантуру со степенью кандидата наук (доктора философии), тоже специализируясь в общей теории относительности, и его жену Нору, тоже физика, друзья предупреждали, что эта теория является болотом, не имеющим связи с реальной Вселенной, и муж ради карьеры должен бросить эту область.

И если я проигнорировал эти предупреждения, отправившись в Принстон, то озабоченная Нора воспользовалась случаем на физической конференции в Эстонии, чтобы получить совет от известного физика Якова Борисовича Зельдовича. Она нашла Зельдовича и спросила, что он думает о значении общей теории относительности. Зельдович в своем динамичном напористом стиле ответил, что теория относительности становится чрезвычайно важной в астрофизических исследованиях. Тогда Нора описала идею, над которой работал ее муж, — что схлопывание звезды с образованием черной дыры могло быть подобно происхождению нашей Вселенной в ходе Большого взрыва, но обращенным, текущим вспять временем.[82] Чем больше рассказывала Нора, тем больше возбуждался Зельдович. Он тоже занимался разработкой этой же самой идеи.

Несколько дней спустя Зельдович пришел в кабинет, который Игорь Новиков делил со многими другими студентами Московского университета, работавшими в Астрономическом институте Штернберга, и начал пытать Новикова вопросами о его исследовании. Хотя их идеи были близки, методы работы сильно различались. Новиков, который был уже большим специалистом в теории относительности, использовал изящные математические вычисления, чтобы показать подобие Большого взрыва схлопыванию звезд. Зельдович, который едва ли хорошо знал общую теорию относительности, показывал это, основываясь на своем глубоком понимании физики и грубых вычислениях. Зельдович понял, что здесь имело место идеальное соответствие. Он тогда только отошел от своей жизни изобретателя и проектировщика ядерного оружия и начинал создавать новую команду исследователей, команду, которая работала бы над его новой любовью — астрофизикой. Новиков, прекрасно владевший общей теорией относительности, мог быть идеальным членом команды.

Когда Новиков, которому нравилось в Московском университете, заколебался, Зельдович решил надавить. Он пошел к Мстиславу Келдышу, директору Института прикладной математики, где собиралась команда Зельдовича, Келдыш позвонил Ивану Петровскому, ректору Московского университета, и Петровский вызвал Новикова к себе. Новиков с трепетом входил в кабинет Петровского, расположенный в Главном высотном здании Университета, куда по собственной инициативе он бы вряд ли попал. Петровский высказался определенно: «Возможно, Вы сейчас не хотите оставлять Университет, чтобы работать с Зельдовичем, но Вам потом захочется». Новиков согласился и, несмотря на отдельные сложности, никогда об этом не пожалел.

Стиль Зельдовича в работе с молодыми астрофизиками оставался тем же, который он развил, работая со своей командой над проектированием ядерного оружия: «искры [идеи] Зельдовича, бензин его команды» до тех пор, пока, случалось, какой-то другой член команды не начинал сам генерировать стоящие новые идеи (как было с Новиковым, когда дело доходило до теории относительности). Тогда Зельдович с энтузиазмом принимал идею своего молодого коллеги и начинал энергично проталкивать ее в своей команде, доводя ее до большей зрелости и разделяя авторство с изобретателем.