Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

А при дальнейшем уплотнении материи она (материя) переходит порог, за которым наступает еще большее и неостановимое уплотнение под действием собственной гравитации. Материя в известной степени исчезает, а вместо нее остаются кривизна и горизонт. От Вселенной безвозвратно «полуотрезается» кусок, укутанный горизонтом. «Полу-» – потому что прерываются причинные связи в одном направлении, оттуда сюда, что и выражается словами «черная дыра»[115]. От «провалившейся» внутрь материи не могут приходить никакие сигналы, и по сю сторону горизонта от нее остается не так много информации: только о массе и количестве вращения (и, если он вдруг случится, об электрическом заряде). Эта информация закодирована в том, как именно искривлено пространство-время снаружи горизонта. Под горизонтом продолжающееся сжатие материи, полностью скрытое от нас, приводит к состояниям, для описания которых у нас нет никаких средств; имеющиеся теоретические знания теряют там свою применимость.

Черная дыра не имеет твердой границы

Определяющий признак черной дыры – наличие горизонта (событий); строго говоря, горизонт ограничивает не только область в пространстве, но область в пространстве-времени, из которой не может прийти никакой сигнал[116]. Горизонт в более простом понимании, как поверхность в пространстве, – «пустая» поверхность, а не граница какого-либо тела, и сквозь нее внутрь можно проникнуть разнообразными способами: по геодезическим (падая свободно) или нет (включая двигатель); и свет, и тела проходят через него в направлении центра, ничего не замечая, однако, пройдя его, уже не могут вернуться. Эту «пустую» поверхность в пространстве довольно естественно называть границей черной дыры, но, в отличие от границы всех обычных тел, это не «твердая» граница. И снаружи горизонта, и на самом горизонте, и под горизонтом пусто: там просто ничего нет (ведь задержаться там, вместо того чтобы продолжить падать, не в состоянии даже свет).

Правила черной дыры для навигации. Итак, наши эксперименты с гайками и фонариками, оказывается, относились к черной дыре – причем к черной дыре простейшего вида, для которой все направления в пространстве равноценны. Это невращающаяся черная дыра (для вращающейся уже не все направления равноценны, потому что есть выделенное – ось вращения). Вообще-то, все астрофизические черные дыры вращаются: во Вселенной едва ли найдется тело без собственного вращения, и невращающимся черным дырам особенно не из чего возникнуть. Поэтому простейшая, невращающаяся, черная дыра – не точное описание реальных черных дыр. Тем не менее пользы от такого описания все равно немало. Оно годится для оценок того, что происходит вокруг вращающихся черных дыр; эти оценки могут быть не точны, но никогда не бессмысленны. А главное – геодезические вокруг невращающейся черной дыры можно использовать не только для черных дыр, но и для звезд и даже планет, включая Солнце и Землю, когда нужно описать эффекты их гравитации точнее, чем на это способен закон тяготения Ньютона. Тот факт, что Солнце – все-таки нормальная звезда радиусом примерно 700 000 км, а не черная дыра, никакого значения не имеет! Все геодезические на большем расстоянии от центра, чем эти 700 000 км, «не знают», создает гравитацию Солнце или сидящая в центре черная дыра, имеющая массу Солнца. В отсутствие вращения и звезды, и «заменяющей» ее черной дыры это верно с абсолютной точностью. Реальное Солнце, конечно, вращается, но по чернодырным стандартам его вращение невелико, и при вычислении ряда эффектов им можно спокойно пренебречь, а при большой необходимости есть способы учесть его в виде очень небольших поправок, существенных только для сравнения с прецизионными измерениями. Разумеется, БУКО и горизонт формально оказываются глубоко внутри Солнца, и ничего похожего на них в недрах настоящего Солнца нет. Но именно чернодырные геодезические в той их части, которая высовывается за пределы Солнца, и ответственны за поворот орбиты Меркурия.

Геодезические, рассчитанные для черной дыры с массой Земли (радиус горизонта для которой чуть меньше девяти миллиметров), говорят о том, какие поправки по сравнению с расчетами по Ньютону следует вносить в работу систем глобальной навигации вроде ГЛОНАСС (рис. 6.23). Критически важно поддерживать синхронизацию часов на спутниках: они летают длительное время, и неучтенные рассогласования в определении времени, если они есть, накапливаются[117]. Поэтому приходится учитывать среди прочего и разницу в ходе времени на поверхности Земли (для оценки: 6400 км от центра) и на орбите (6400 + 19 100 = 25 500 км). Сила притяжения на этой высокой орбите примерно в 16 раз меньше, чем на поверхности Земли; правда, замедление времени откликается не на силу, а на величину энергии притяжения, и в результате делить надо не на 16, а всего лишь на 4. Но далее в вычисления вторгается величина скорости света, и в итоге замедление времени ожидаемо оказывается скромным: около 40 микросекунд за сутки. Но время в системах глобальной навигации нужно для определения расстояний, которые проходит «свет» (радиосигнал), а здесь снова вмешивается скорость света: 40 световых микросекунд – это почти 12 километров. Такая ошибка делает задачу определения местоположения нерешаемой. Даже в тысячу раз меньшее неучтенное расхождение в ходе времени между двумя спутниками приведет через день к характерной ошибке около 10 м. Навигационным спутникам приходится подучить кое-что про черные дыры.

Рис. 6.23. Спутник, осведомленный об эффектах кривизны пространства-времени

Кроме «помощи» навигационным спутникам, невращающиеся черные дыры ясно демонстрируют набор эффектов, которые во вращающихся черных дырах могут несколько видоизменяться и/или действовать совместно с другими эффектами, но не отменяются. Они проявляют себя в первую очередь через движение.

Часть времени не помещается. Область вблизи горизонта – площадка для серии необычных фокусов. Нам понадобится путешественник – наблюдатель, готовый с некоторого удаления туда прыгнуть. Перед началом своего путешествия, еще находясь далеко от черной дыры, он включает часы. Одновременно с ним это делает и персонал, который собирается бросить его в сторону черной дыры. В момент включения все часы показывают 0 (нуль), и это общее время для всех вовлеченных сторон. Но по мере того как путешественник удаляется от «базы», его представления о времени начинают отличаться от представлений о времени всех провожающих. Вклад в относительное замедление времени вносят и скорость, и гравитация, но, в отличие от опыта Хафеле и Китинга с часами на пассажирских сиденьях, здесь увеличение скорости происходит вместе с попаданием