Знание-сила, 2002 № 12 (906)
Шрифт:
О черных дырах впервые заговорили более шестидесяти лет назад. С тех пор утекло много воды, и уже появились толковые и подробные научные путеводители по этим достопримечательностям космоса (лучшая из них, на мой взгляд, – книга Кипа Торна «Черные дыры и туннели во времени»), и сегодня мы можем отправиться в эти «естественные лаборатории времени» во всеоружии надежных знаний. Прежде всего необходимо напомнить, что это вообще такое – «черная дыра».
Всякая достаточно тяжелая звезда, израсходовав все запасы внутреннего термоядерного топлива, обязательно рухнет («коллапсирует») внутрь самой себя, сбросив часть своего вещества в космос и собрав всю оставшуюся массу в очень небольшом объеме. Тогда где-то вблизи ее поверхности гравитационное
Это критическое расстояние называется «радиусом Шварцшильда», а сфера, описанная этим радиусом вокруг такой коллапсировавшей звезды, именуется «горизонтом», потому что все, что находится «за ней» (в данном случае – внутри нее), снаружи нельзя увидеть: оттуда не выходит ни один фотон света, ни одна частица вещества, ничего, что доставляло бы информацию о происходящем внутри. Все, что туда упало, все равно как пропало, – это бездонная дыра и к тому же черная, как смоль: все поглощает и ничего не излучает.
Теперь выберем себе одну, типичную черную дыру и мысленно перенесемся в ее окрестности. Разделимся на две группы: одна, поместившись в космическом челноке, начнет спуск к черной дыре, а другая останется вдали от нее, в космическом корабле, чтобы наблюдать за происходящим.
По мере приближения челнока к «черной дыре» гравитационное поле вокруг него будет нарастать, и, согласно Эйнштейну, ход часов на челноке будет все более замедляться сравнительно с ходом таких же часов на корабле. Приборы показывают, что сердца космонавтов бьются вдвое реже. Они сообщают, что у них прошел день, тогда как у нас – два. Что же будет дальше? С каждым следующим метром спуска челнок виден все слабее, потому что вся энергия излучаемого им света уходит на то, чтобы выбраться из гравитационной ямы черной дыры.
Но вот челнок приблизился к «горизонту» на расстояние меньше одного сантиметра! Ход времени на нем замедлился в сравнении с корабельным в миллион раз! Но что это? Он поблек настолько, что совсем пропал из глаз. Он слился с черной сферой, заполняющей горизонт! Мы так и не увидим, что произойдет с ним и с его пассажирами в тот момент, когда он наконец пересек горизонт. Утешимся тем, что мы и не могли этого увидеть никогда по той простой причине, что вблизи «горизонта» ход времени замедляется настолько, что на прохождение этого последнего сантиметра челноку – по нашим часам – потребовалось бы бесконечно большое время. Да, бесконечно большое – ведь на самом «горизонте», согласно формулам теории относительности, время останавливается вообще!
Но что же все-таки стало с нашими героями и мучениками науки? Перенесемся мысленно в их корабль.
Стрелкой отмечена траектория движения черной дыры ХТЕ J1118 + 480 за последние 230 миллионов лет. Светящаяся точна в левой части рисунка – наше Солнце
При
Немецкие исследователи смоделировали распространение этих волн.
С их точки зрения, корабельные часы идут, как и шли, зато ход времени на Земле непрерывно ускоряется, частота идущих оттуда радиоволн сдвигается сначала в световой, а потом в ультрафиолетовый и даже рентгеновский диапазон, звуки убыстряются до писка и исчезают в ультразвуковом диапазоне. Со все возрастающей скоростью челнок устремляется вниз, к центру дыры, а приливные силы нарастают до такой степени, что уже не разобрать, где тут верх, где низ, все рвется и крошится до атомов, крошатся уже и сами атомы, и составляющие их микрочастицы – там, в глубинах черной дыры, не может существовать никакое вещество, там беснуется хаос, там исчезает самое пространство, превращаясь в то, что физик Уилер назвал «вероятностной пеной»…
А что со временем? Оно еще существует? Можно спросить, сколько времени будет продолжаться это безумное падение? Спросить можно – ответить труднее. На первый взгляд, расстояние от «горизонта» до центра черной дыры известно – это радиус Шварцшильда. Но на второй взгляд, становится понятно, что это не так.
Ведь дыра образовалась за счет того, что звезда провалилась внутрь самой себя. Представьте себе, что вы кладете тяжеленный шар на поверхность туго натянутого резинового листа, что произойдет? Шар, если он достаточно тяжел, продавит лист и начнет уходить вниз до тех пор, пока натяжение резины не уравновесит тяжесть шара.
В случае черной дыры «лист» – это пространство, у которого нет упругости и которое поэтому не может остановить проваливающуюся в него массу звезды, стало быть… Стало быть, масса эта рухнет на бесконечную глубину!
Можно было бы сказать, что расстояние от «горизонта» до центра дыры бесконечно, но – есть одно «но»: мы не знаем, что там, в этом центре. Теоретически говоря, существуют две возможности: либо вся масса звезды стянулась в безразмерную точку, так называемую сингулярность, либо она уплотнилась до какого-то конечного размера. В первом случае расстояние до центра действительно бесконечно, а сам этот центр – действительно «особая точка», ибо там нет уже не только пространства, но и времени, там кончается все, включая сами законы природы, это «край мира». Во втором случае время там сохраняется, но в таком виде, что, как говорится, мать родная его не узнает – оно становится мнимым! Но есть еще и возможность третья: время вблизи центра черной дыры деформируется, оно искриштяется, как червячная передача, как архимедов винт в мясорубке, и превращается в узкий туннель, сквозь который брезжит что-то неясное.
Чтобы выяснить, что там, следует спуститься уже не к горизонту черной дыры, а к самому ее центру, в его микроокрестности. Там, в этом микромире, свойства времени оказываются совершенно иными, нежели в макроил и мегамире. Там и только там мы сможем узнать, есть ли у времени «конец», может ли оно стать мнимым, способно ли образовать туннель в неизвестность.
С помощью наружных наблюдений узнать, что в недрах черной дыры, нельзя: «горизонт» скрывает доступ к «сердцу тьмы», а приборы, даже если бы добрались к центру дыры, не могли бы передать собранную там информацию из-за того же «горизонта», который ничего не выпускает наружу. Воистину перед этим невидимым занавесом можно было бы написать вслед за Данте: «Оставь надежду, всяк сюда входящий!».
Если там. внутри таится сингулярность, то есть вся масса звезды, что схлопнулась в безразмерную точку, тогда плотность вещества в этой точке – бесконечна. Как мы уже знаем, свойства времени и пространства зависят от плотности вещества. Пространство искривляется возле мест с высокой плотностью, время возле них замедляет свой ход. А там, где эта плотность становится бесконечной, «радиус кривизны» пространства и «скорость хода» времени должны обратиться в нуль. Иными словами, пространство и время должны попросту исчезнуть. Следовательно, сингулярность – это предельная граница пространства и времени. Дальше продвинуться нельзя. Дальше просто нет ничего – ни пространства, ни временили вещества.