Ноль: биография опасной идеи - Чарльз Сейфе

Эта аналогия объясняет орбиты планет: Земля просто катается по вмятине, которую Солнце делает в резиновом полотне. Свет не распространяется по прямой, а идет по искривленному пути вокруг звезд. Чтобы наблюдать этот эффект, британский астроном сэр Артур Эддингтон в 1919 году отправился в экспедицию. Эддингтон определил положение звезды в момент солнечного затмения и обнаружил кривизну, предсказанную Эйнштейном (рис. 51).

Рис. 51. Гравитация искривляет луч света вокруг Солнца

Уравнения Эйнштейна предсказали кое-что и более зловещее: черную дыру, звезду, имеющую настолько большую плотность, что даже свет не может преодолеть ее тяготение.

Черные дыры начинают жизнь, как и все звезды, в виде большого шара раскаленного газа, в основном водорода. Если бы на него ничто больше не воздействовало, достаточно большой шар коллапсировал бы под действием собственной гравитации, сжавшись до небольшого объема. К счастью для нас, коллапса не происходит потому, что действует другая сила: ядерный синтез. По мере того как газ сжимается, он делается горячее и плотнее, и атомы водорода с возрастающей силой сталкиваются друг с другом.

В конце концов звезда делается такой раскаленной и плотной, что атомы водорода липнут друг к другу и сливаются, образуя гелий и выделяя огромное количество энергии. Эта энергия изливается из центра звезды, заставляя ее немного расшириться. Большую часть своей жизни звезда находится в состоянии устойчивого равновесия: стремление сжаться под действием собственной гравитации уравновешивается энергией ядерного синтеза в центре звезды.

Это равновесие не может сохраняться вечно: звезда обладает лишь ограниченным количеством водородного горючего. Через какое-то время реакция синтеза ослабевает, и равновесие оказывается нарушенным. Как долго длится этот процесс, зависит от размера звезды. По иронии судьбы, чем больше звезда (чем большим запасом водорода она обладает), тем короче ее жизнь, потому что ядерная реакция протекает более бурно. У Солнца осталось топлива примерно на 5 миллиардов лет, но пусть это вас не успокаивает. Температура Солнца будет постепенно повышаться перед концом, вскипятив океаны Земли и сделав ее такой же непригодной для жизни, как Венера. Нам еще повезет, если жизни на Земле отведен миллиард лет. После продолжительной серии предсмертных судорог — точный порядок событий зависит от массы звезды — двигатель ядерного синтеза прекращает работать, и наступает коллапс под действием гравитации.

Закон квантовой механики, именуемый принципом запрета Паули, не дает материи сжаться в точку. Открытый в середине 1920-х годов немецким физиком Вольфгангом Паули, принцип запрета гласит, грубо говоря, что никакие два предмета не могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время. В частности, никакие два электрона с одним и тем же квантовым состоянием не могут находиться в одной точке. В 1933 году индийский физик Субраманьян Чандрасекар понял, что принцип запрета Паули обладает лишь ограниченной способностью бороться с гравитацией.

По мере увеличения давления внутри звезды в соответствии с принципом запрета электроны должны двигаться все быстрее и быстрее, чтобы избегать друг друга. Однако существует предел скорости: электроны не могут превысить скорость света, так что если давление на материю возрастает, электроны не могут двигаться достаточно быстро, чтобы предотвратить коллапс. Чандрасекар показал, что коллапсирующая звезда с массой примерно 1,4 массы Солнца обладает достаточной гравитацией, чтобы преодолеть барьер, устанавливаемый принципом Паули. Электроны в звезде, масса которой превышает предел Чандрасекара, не могут помешать ее коллапсу. Сила тяготения так велика, что электроны прекращают сопротивление: они сливаются с протонами, образуя нейтроны. Массивная звезда кончает тем, что превращается в гигантский шар нейтронов: нейтронную звезду.

Дальнейшие вычисления показали, что когда звезда немного массивнее, чем требует предел Чандрасекара, давление получившихся в результате нейтронов — сходное с давлением электронов — может на некоторое время отсрочить коллапс. Это и происходит в нейтронной звезде. Достигнув этой точки, звезда оказывается настолько плотной, что каждая чайная ложка ее вещества весит сотни миллионов тонн. Впрочем, существует предел, которого не выдерживает даже давление нейтронов. Некоторые астрофизики считают, что еще большее сжатие заставляет нейтроны распадаться на компоненты-кварки, в результате чего образуется кварковая звезда. Однако это последний оборонный рубеж. После этого и начинается кавардак.

Когда очень массивная звезда коллапсирует, она исчезает. Гравитация настолько велика, что физики не знают ни одной силы во Вселенной, способной остановить коллапс — ни сопротивление электронов, ни давление нейтронов или кварков на это не способны. Умирающая звезда делается все меньше и меньше. Потом… наступает ноль.

Звезда сжимается до нулевого объема. Это и есть черная дыра, объект настолько парадоксальный, что некоторые ученые думают, что с ее помощью можно путешествовать быстрее света и обратно во времени.

Ключом к странным свойствам черной дыры служит то, как она искривляет пространство и время. Черная дыра не занимает никакого пространства, но обладает массой. Поскольку она обладает массой, она искривляет пространство-время. На самом деле проблема не в этом. По мере приближения к тяжелой звезде кривизна становится все больше и больше, но как только вы минуете внешнюю границу самой звезды, кривизна опять уменьшается, достигая наименьшей величины в центре звезды. В противоположность этому черная дыра — точка. Она занимает нулевое пространство, так что не имеет внешней границы, того места, где пространство снова начинает распрямляться. Кривизна пространства по мере приближения к черной дыре становится все больше и больше, никогда не достигая предела. Кривизна стремится к бесконечности, потому что черная дыра занимает нулевое пространство. Звезда образует разрыв в пространстве-времени (рис. 52). Ноль черной дыры — сингулярность, открытая рана в ткани Вселенной.

Это очень тревожащая концепция. Гладкая, непрерывная ткань пространства-времени может иметь разрывы, и никто точно не знает, что происходит в окрестности таких звезд. Эйнштейн был так смущен идеей сингулярностей, что отрицал существование черных дыр. Он ошибался: черные дыры существуют. Однако сингулярность черной дыры так отвратительна, так опасна, что природа пытается скрыть ее, не позволяет никому увидеть ноль в центре черной дыры и вернуться, чтобы рассказать об увиденном. У природы есть «космический цензор».

Рис. 52. В отличие от других звезд черная дыра разрывает пространство-время

Этот цензор — гравитация. Если вы кинете вверх камень, он упадет вниз под влиянием земного притяжения. Однако если вы кинете камень достаточно быстро, он не упадет на землю, он вырвется за пределы атмосферы и ускользнет от земной гравитации. Примерно так поступает НАСА, отправляя корабль к Марсу. Минимальная скорость, с которой нужно бросить камень, чтобы он вырвался из-под власти притяжения, называется скоростью убегания. Черные дыры обладают такой высокой плотностью, что если вы приблизитесь к ним слишком близко (за так называемый горизонт событий), то скорость убегания превысит скорость света. За горизонтом событий притяжение черной дыры настолько сильно и пространство настолько искривлено, что ничто не может вырваться наружу, даже свет.

Хотя черная дыра — это звезда, ее свет никогда не минует пределов горизонта событий, поэтому она и называется черной. Единственный способ увидеть сингулярность черной дыры — проникнуть за горизонт событий и посмотреть на нее собственными глазами. Впрочем, даже если бы у вас был невероятно прочный скафандр, который не дал бы вам превратиться в астронавта-спагетти, вы никогда не сможете никому рассказать о том, что увидели. Как только вы пересечете горизонт событий, никакие ваши сигналы (и вы сами) не смогут вырваться из гравитационной ловушки черной дыры. Переместиться за горизонт событий — все равно что сделать шаг за границу Вселенной. Вы никогда не сможете вернуться. Такова власть космического цензора.

Несмотря на то, что природа скрывает сингулярность черной дыры, ученые знают, что она существует. В направлении созвездия Стрельца, в самом центре нашей Галактики, находится супермассивная черная дыра, вес которой равен весу 4,5 миллиона Солнц. Астрономы наблюдают, как звезды танцуют вокруг этого невидимого партнера. Движение звезд выдает присутствие черной дыры, хотя она и невидима. Впрочем, даже будучи способными обнаруживать черные дыры, ученые так и не выявили нолей в их центре, потому что эти ужасные сингулярности скрыты за горизонтом событий.