Книга: Сейчас. Физика времени

Черные дыры

Черные дыры

Черные дыры – это гигантские объекты с огромной массой, плотностью и гравитацией, куда можно провалиться, но вернуться откуда невозможно. Это загадочное их качество, видимо, задает направленность времени. Более того, изучение черных дыр, судя по всему, приведет нас к обнаружению других свойств времени, которые будут еще более странными, чем те, о которых мы говорили.

Идея черной дыры зародилась еще в 1763 году у английского ученого Джона Мичелла[54], который понял, что вторая космическая скорость[55] у массивных звезд может даже превышать скорость света. Если свет не может преодолеть их силу гравитации, такие звезды будут казаться черными. Мичелл даже сделал соответствующие вычисления на основе составленного им уравнения, которое оказалось правильным. Однако идея ученого не привлекла особого внимания, потому что в то время науке уже было известно о волновой природе света, и многие ошибочно полагали, что волны не могут быть остановлены силой гравитации. Теперь из теории относительности мы знаем: поскольку волны обладают энергией, то они обладают и массой, и сила гравитации на самом деле воздействует на них.

Чтобы образовалась черная дыра, вторая космическая скорость которой будет очень высокой, в маленьком объеме пространства должна сосредоточиться колоссальная масса. Предположим, мы смогли сжать массу Солнца в шар, имеющий 1 километр в диаметре. Благодаря знаниям из начального университетского курса физики высчитаем, что в этом случае скорость убегания от него составит 500 млн м/с, или примерно 1,7 скорости света[56]. Свет не сможет прорваться к нам с поверхности такого светила. «Сжатое» таким образом Солнце будет абсолютно черным.

Теория относительности позволяет вывести свойства черной дыры другим способом, через релятивистское увеличение массы. Энергия, необходимая для запуска спутника в космос, зависит от его массы. Однако чем большая скорость ему придается, тем большей массой он обладает. Таким образом, высокая скорость увеличивает и силу гравитационного притяжения. Если масса звезды достаточно велика, а ее радиус достаточно мал, то никогда не будет возможно сообщить спутнику такую кинетическую энергию, которая преодолела бы увеличивающуюся силу гравитации.

На жаргоне физиков это выглядит так: кинетическая энергия (энергия движения) всегда будет меньше, чем энергия связи (энергия потенциальная) такой звезды. Спутник упадет независимо от придаваемой ему скорости. Это произойдет, если масса звезды M будет сжата в радиус R. При этом формула для вычисления радиуса выглядит следующим образом:

Это значение R называется радиусом Шварцшильда, или гравитационным радиусом (радиусом сферы, на которой сила тяготения, создаваемая массой m, лежащей внутри этой сферы, стремится к бесконечности).

Масса Земли составляет 6 ? 10²⁴ кг. Если подставить это значение в вышеприведенную формулу, то гравитационный радиус Земли окажется около 0,01 м, или 1 см. Моя масса равна 83 кг, поэтому я превращусь в черную дыру, если мою массу можно будет «впихнуть» в радиус R = (1,5 ? 10^?27)(83) = 1,3 ? 10^?25 м. Это в миллиард раз меньше, чем ядро атома.

Ученые считают, что существует механизм, который превращает объекты в несколько раз тяжелее Солнца в черные дыры. Он включает в себя так называемую вспышку сверхновой звезды. Взрыв сопровождается выбросом значительной массы вещества из внешней оболочки звезды в межзвездное пространство, а внутреннее ядро звезды при этом подвергается гравитационному коллапсу – катастрофически быстрому сжатию под действием гравитационных сил. Несколько известных астрономических объектов, считающихся черными дырами, судя по всему, образовались именно таким образом. Среди них Лебедь Х-1 – известный галактический источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя.

Этот объект стал предметом знаменитого (среди физиков) пари между американским физиком и астрономом Кипом Торном и известным английским физиком-теоретиком и специалистом по черным дырам Стивеном Хокингом. Торн утверждал, что Лебедь Х-1 – настоящая черная дыра, Хокинг был убежден в обратном. Через 15 лет Стивен признал, что был неправ. Он выполнил условие пари и подарил Торну подписку на журнал Penthouse. Конечно, в результате этого проигрыша приобрел пользу и Хокинг, поскольку проводившиеся им в предыдущее десятилетие исследования черных дыр оказались бы лишенными смысла, если бы этих дыр действительно не было. Это признал и сам Хокинг. Как ни парадоксально, но далее я покажу, что Лебедь Х-1 пока не считается черной дырой с точки зрения теории относительности, хотя и очень близок к этому.

Нам неизвестны механизмы, которые превратили бы в черные дыры Землю или меня самого.

Людей волнуют в теории относительности не таинственные черные дыры, а явное противоречие, которое возникает в связи с возможностью замедления времени. Движущийся человек старится медленнее, чем тот, что находится в состоянии покоя. Хорошо, но разве любое движение не относительно? Кто из этих людей движется, а кто остается неподвижным? Это звучит таким образом, что оба они должны медленнее стареть.

И это действительно так, только в соответствующих системах отсчета. Но что же тогда происходит, когда один из них возвращается и они встречаются? Они не могут быть оба моложе, когда стоят друг против друга. Феномен времени легче понять, тщательно разбирая эти парадоксы.