Книга: Интерстеллар: наука за кадром

Падающие и вылетающие сингулярности

Падающие и вылетающие сингулярности

В восьмидесятых годах мы с моими коллегами-физиками были вполне уверены (в рамках обоснованного предположения), что в черной дыре находится всего одна сингулярность и что это БХЛ-сингулярность. Мы ошибались.

В 1991 году Эрик Пуассон и Вернер Израэль из Альбертского университета в Канаде, работая с математическим аппаратом теории относительности, обнаружили вторую сингулярность – сингулярность, растущую по мере того, как стареет черная дыра, и порожденную экстремальным замедлением времени внутри дыры.

Если вы упадете во вращающуюся черную дыру наподобие Гаргантюа, вслед за вами неизбежно упадет еще много чего: газ, пыль, свет, гравитационные волны и т. д. Для меня, стороннего наблюдателя, все это будет опускаться в дыру в течение миллионов или миллиардов лет. Но на ваш взгляд, взгляд изнутри дыры, это займет несколько секунд, а то и меньше – из-за экстремального (по сравнению с моим) замедления вашего времени. Относительно вас то, что попадет в дыру за вами следом, образует тонкий слой и будет падать внутрь, прямо к вам, со световой или околосветовой скоростью. Этот слой будет порождать внушительные приливные силы, искажающие пространство, и если он столкнется с вами, вам тоже достанется.

Эти приливные силы будут расти до бесконечности, порождая «падающую сингулярность» (рис. 26.11)[85], подчиняющуюся законам квантовой гравитации. Однако, как выяснили Пуассон и Израэль, приливные силы растут так стремительно, что если вы с ними встретитесь, они деформируют вас лишь в некоторой конечной степени – а затем вы достигнете сингулярности. Это объясняет график на рис. 26.12, где показано ваше общее растяжение вдоль направления верх – низ и сжатие в направлениях север – юг и восток – запад в зависимости от времени. Когда вы встретитесь с сингулярностью, ваши общие растяжение и сжатие будут конечны, но скорости, с которыми вас растягивает и сжимает (крутизна трех кривых), будут бесконечны. Это действие бесконечных приливных сил, признака сингулярности.

Рис. 26.11. Падающая сингулярность, порожденная всем тем, что падает в черную дыру (разноцветные ободки) вслед за вами

Рис. 26.12. Ваши общие растяжение и сжатие, когда на вас опускается падающая сингулярность

Поскольку ваше тело подверглось лишь конечным общим растяжению и сжатию, возможно, что, войдя в сингулярность, вы останетесь живы (возможно, но, на мой взгляд, маловероятно). В этом смысле падающая сингулярность гораздо «мягче» БХЛ-сингулярности. Но если вы и уцелеете, снова только законам квантовой гравитации ведомо, что случится с вами дальше.

В 1990-х и 2000-х годах мы, физики, думали, что это всё – БХЛ-сингулярность, возникшая при рождении черной дыры, и падающая сингулярность, которая вырастает позже. И больше ничего.

Но затем в конце 2012 года, когда Кристофер Нолан вел переговоры насчет работы над «Интерстеллар», Дональд Марольф (Калифорнийский университет в Санта-Барбаре) и Амос Ори (Технион в Хайфе, Израиль) открыли третью сингулярность. Разумеется, открыли они ее в результате углубленного изучения законов теории относительности, а не увидев в телескоп. Странно даже, что эту сингулярность не открыли раньше – настолько все очевидно. Это «вылетающая сингулярность», которая, как и падающая, растет по мере старения черной дыры. Источник ее возникновения – то, что упало в черную дыру прежде вас (газ, пыль, свет, гравитационные волны и прочее); см. рис. 26.13. Малая часть всего этого будет рассеиваться вверх, по направлению к вам, рассеиваться из-за искривления пространства и времени – примерно так же, как солнечный свет рассеивается, когда проходит сквозь изогнутую, гладкую океанскую волну, формируя для наших глаз ее изображение.

Рис. 26.13. Вылетающая сингулярность, порожденная рассеянием того, что упало в черную дыру до вас, и падающая сингулярность, порожденная тем, что упало в дыру вслед за вами. Вы находитесь между этими сингулярностями. К наружным областям черной дыры и к ее БХЛ-сингулярности у вас доступа нет

Из-за экстремального замедления времени в черной дыре рассеянные газ, пыль и т. д. уплотняются, формируя тонкий слой, который напоминает ударную волну. Гравитация этого слоя порождает приливные силы, которые бесконечно возрастают, образуя вылетающую сингулярность. Но приливные силы этой сингулярности, так же как и падающей, «мягкие»: они нарастают так быстро и внезапно, что, достигнув сингулярности, вы испытаете конечную, а не бесконечную общую деформацию.

В «Интерстеллар» Ромилли рассказывает Куперу о мягких сингулярностях: «Есть предложение насчет твоего обратного пути [с планеты Манн. – К. Т.]. Заглянем напоследок в черную дыру. Гаргантюа – старая вращающаяся черная дыра. То, что мы зовем мягкой сингулярностью [точнее, то, что ее содержит. – К. Т.]». «Мягкой?» – спрашивает Купер. «Ну, не очень. Но ее приливная гравитация настолько шустрая, что объект, быстро преодолевший горизонт, может уцелеть». Позже Купер, вдохновившись этим разговором и заинтересовавшись поисками квантовых данных, бросается в Гаргантюа (см. главу 28). Это смелый поступок. Купер не может знать заранее, уцелеет ли он. Известно это лишь законам квантовой гравитации. Или сущностям из балка…

Итак, мы заложили «экстремальнофизический» фундамент для кульминационных сцен «Интерстеллар». Что же, давайте перейдем к кульминации.