Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения

Малоун Джон

При чтении многих современных монографий по космологии возникает вопрос, не провалился ли Дж. Роберт Оппенгеймер сам в «черную дыру»? Созданные им сложные теории и методы расчетов, связанные с обсуждением черных дыр, практически не упоминаются, а его фамилия отсутствует даже в авторских указателях. Между тем это был выдающийся американский физик, известный в наши дни как руководитель лаборатории в Лос-Аламосе в период создания атомных бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. Он первым понял, что из теории относительности Эйнштейна вытекает возможность существования странных космических объектов. В конце 1938 г. Оппенгеймер и Джордж Волков рассчитали массу и размеры нейтронных звезд. В ходе работы Оппенгеймер понял, что «умирающие» массивные звезды должны претерпевать коллапс (направленный внутрь взрыв), и задумался об их дальнейшей эволюции.

Расчеты

приводили к очень сложным математическим уравнениям, для решения которых Оппенгеймер привлек Гартланда Снайдера, блестяще и разносторонне одаренного выпускника Калифорнийского технологического института. Кип Торн, один из крупнейших современных специалистов по теории черных дыр, подробно рассматривает работы Оппенгеймера в своей книге «Черные дыры и деформации времени» (1994) [1]. Несмотря на то что сам Торн был учеником Джона А. Уилера (постоянного соперника и критика Оппенгеймера), он признает, что расчеты, проведенные Снайдером под руководством Оппенгеймера и Ричарда Толмена, являлись исключительно сложными. Некоторые задачи удалось решить лишь в конце 1980-х годов, после появления нового поколения сверхмощных компьютеров. Торн пишет, что «для решения задачи авторам пришлось построить идеализированную модель коллапса звезды и затем рассчитать его следствия. Он называет «научным подвигом» тот факт, что Снайдеру удалось составить требуемые уравнения и найти методы их решения, «позволяющие анализировать различные стороны процесса коллапса и описать его с точки зрения различных наблюдателей, находящихся вне или внутри звезды, а также на ее поверхности».

Многие физики сочли полученные уравнения совершенно необоснованными. Проблема состояла в том, что для наблюдателя, связанного с внешней системой координат, коллапс прекращался или «застывал», в то время как для наблюдателя на поверхности звезды, который постоянно проваливался внутрь, он продолжался бы бесконечно. Вывод о том, что происходящее может выглядеть совершенно по-разному в зависимости от системы наблюдения, объясняется деформацией времени. Такая возможность до этого никем не учитывалась и не обсуждалась. Конечно, физики уже знали и о возможности деформации времени согласно теории относительности Эйнштейна и о том, что результат наблюдений согласно принципу неопределенности Гейзенберга зависит от самого процесса измерения, однако считалось, что все эти эффекты происходят лишь на субатомном уровне, поэтому большинство американских физиков не задумывалось о возможности проявления квантовых эффектов в космических масштабах.

Позднее выяснилось, что у Оппенгеймера и Снайдера был предшественник. За 11 лет до опубликования в 1939 г. их знаменитой статьи молодой индийский физик Субраманьян Чандрасекар теоретически показал, что звезды, масса которых в 1,4 раза превышает массу Солнца, не могут превращаться в хорошо известные астрономам белые карлики, а будут продолжать сжиматься под воздействием гравитации. Примерно тогда же к этому выводу пришел и выдающийся российский физик Лев Давыдович Ландау (если бы Ландау дожил до 1983 года, он бы с полным правом разделил Нобелевскую премию с Чандрасекаром).

Сам факт, что от момента открытия до присуждения Нобелевской премии прошло 55 лет, наглядно показывает, насколько предложенная идея опередила уровень развития мировой науки. В 1928 г. знаменитый физик сэр Артур Эддингтон, своими измерениями во время затмения Солнца в 1919 г. подтвердивший предсказанное Эйнштейном искривление пространства, был возмущен теорией Чандрасекара: «Я убежден, что существует закон природы, запрещающий звездам вести себя столь бессмысленно!»

^{Дж. Роберт Оппенгеймер, теоретически предсказавший в 1939 г. существование черных дыр. Несмотря на прекрасное математическое обоснование, его концепция первоначально была встречена в штыки большинством физиков, а сам он приобрел известность только как руководитель лаборатории в Лос-Аламосе, где были созданы первые атомные бомбы. (С любезного разрешения Американского института физики. Архив Эмилио Сегре.)}

Почти так же отнеслись к идеям Оппенгеймера и Снайдера именитые американские физики во главе с Джоном А. Уилером. На некоторое время теоретические споры заглохли, поскольку началась Вторая мировая война, и физики были заняты практическими проблемами, связанными с созданием атомной

бомбы. Однако после войны разногласия между Оппенгеймером и Уилером перешли на уровень личных отношений. При этом оба работали в Принстонском институте перспективных исследований. Их взаимная неприязнь усилилась после того, как Оппенгеймер стал выдвигать технические и моральные доводы против программы разработки водородной бомбы. С техническими проблемами удалось справиться, но поднятые этические проблемы сказались на его дальнейшей судьбе. Уилер стал одним из главных создателей американской водородной бомбы, а Оппенгеймеру дорого обошлась его оппозиция созданию нового вида оружия. Позднее, в 1950-е годы, ему пришлось подвергнуться проверке в печально известной комиссии сенатора Маккарти, в результате чего он был лишен допуска к секретным работам. Хотя Оппенгеймеру никогда не предъявлялось прямое обвинение в измене, это разбирательство стало концом его научной деятельности и частично объясняет упомянутое выше «исчезновение» имени Оппенгеймера из трудов, посвященных черным дырам.

Еще одна причина состоит в том, что Уилер кардинально поменял к тому моменту свое отношение к проблеме гравитационного коллапса. Он не только стал усиленно заниматься ею, но и превратился в одного из крупнейших специалистов в этой области, а в 1969 г. даже придумал прекрасное название черная дыра (разумеется, в результате этого предыдущая деятельность его старого соперника Оппенгеймера оказалась почти совершенно забытой). Любителям телевизионного сериала «СтарТрек» будет небезынтересно узнать, что в первых эпизодах, относящихся еще к 1967 году, использовался очень похожий термин. Лоуренс М. Краус, автор книги «Физика в сериале «СтарТрек», пишет по этому поводу следующее: «При просмотре этого эпизода специально для сверки с текстом книги мне показалось, что авторы просто неточно использовали научное понятие, и это выглядело забавным. Лишь позднее я осознал, что авторы сериала придумали название, почти совпадающее с научным термином». В сериале речь шла о «черной звезде».

Образ космической черной звезды, или дыры, оказался весьма эффектным, что отмечали многие рецензенты. Частично это можно связать с тем, что Джон Уилер нашел удивительно удачное и емкое название для странных объектов, которое одновременно очень подходит для удачных, а иногда грубоватых шуток по поводу многих житейских ситуаций. Широкая публика, вообще говоря, никогда не проявляла интереса к проблемам других звездных объектов (от белых и коричневых карликов до нейтронных звезд), однако черные дыры были восприняты столь же остро, как когда-то в древности кометы. Это кажется особенно странным, если учесть, что уже почти 60 лет ведущие физики мира ломают головы над проблемой черных дыр. Психологи неоднократно отмечали, что обаяние метафоры «черная дыра» обусловлено именно ее абстрактностью и неопределенностью, позволяющей каждому вкладывать в это понятие собственный смысл.

В большинстве справочников обычно подчеркивается, что гравитационное поле черных дыр настолько сильно, что даже свет не может выходить из них. Выше уже упоминалась книга Кипа Торна «Черные дыры и деформация времени», опубликованная в 1994 г. Хотя к этому моменту астрономы еще не имели даже доказательств реального существования черных дыр, К. Торн (который сам является выдающимся специалистом в этой области) сумел добавить к стандартному определению еще одну характеристику, назвав черную дыру «объектом, образующимся при коллапсе звезды, в который предметы могут попадать, но из которого они не могут выходить». Впрочем, это определение также достаточно осторожно, поскольку Торн хорошо представлял себе, к каким странным выводам может приводить концепция черных дыр.

Попробуем ответить на довольно простой вопрос: каковы размеры черных дыр?

Теоретически черной дырой может стать любой объект — звезда, луна, небоскреб Эмпайр Стейт Билдинг, слон, читатель или автор этой книги, пресс-папье со стола и т. п., если только к нему удастся приложить нагрузку и сжать вещество до требуемой плотности. Когда объект сожмется до ничтожных размеров, его гравитационное поле возрастет настолько, что пространство искривится и образуется черная дыра, из которой наружу не сможет вырваться даже луч света. Из человека (например, из меня или из Вас, читатель) можно, конечно, сформировать лишь очень маленькую черную дыру, радиус которой будет в миллиарды раз меньше размеров электрона. При сжатии Земли возникнет черная дыра величиной с шарик для настольного тенниса, а Солнце образовало бы черную дыру радиусом около 2,4 км.