|
Черные дыры Итак, черные дыры (далее ЧД). Возьмем "Физику Космоса": "ЧД — участок пространства, в котором поле тяготения настолько мощное, что вторая космическая скорость для находящихся в ней объектов должна превышать скорость света, то есть, из ЧД ничто не может вылететь — ни частица, ни свет, поскольку в природе ничто не может двигаться, превышая скорость света". Как видим, речь идет не о конкретном космическом объекте (вроде кометы, звезды или планеты), а о четко определенном пространственном элементе Вселенной. Для астрономов в этом нет ничего удивительного — они давно и плодотворно исследуют гигантские зоны HI и НИ, молекулярные и газовые облака, межзвездные пузыри. В последние десятилетия особенно активно ведутся теоретические разработки, ЧД чрезвычайно популярны, их используют для объяснения многих загадочных астрономических явлений. Но в самой науке о ЧД существенных сдвигов нет и пока не предвидится, несмотря на все старания исследователей. Уж слишком необычна природа этих космических образований.
История открытия Первым о возможности существования необычных космических объектов заявил еще в далеком 1783 г. английский священник Джон Митчелл, в свободное от проповедей время активно занимавшийся астрономией, а также заложивший основы современной сейсмологии. В работе, написанной для "Философских трудов Лондонского Королевского Общества", он рассматривал вопросы поисков предельной массы звезды. Членам Королевского Общества пришлось не по вкусу утверждение Митчелла о том, что у довольно массивной и компактной звезды гравитационное поле должно быть настолько сильным, что свет не сможет преодолеть его границ: луч света, излученный поверхностью такой звезды, не успев даже отойти от нее, немедленно вернется назад. В частности, свет никогда не сможет покинуть тело, по плотности равное Солнцу, но радиусом превосходящее его в 500 раз, поскольку вторая космическая скорость для такого тела должна превышать скорость света. Отметим, что Митчелл занимался определением массы отдаленных звезд, и такой неожиданный результат являлся просто побочным продуктом его расчетов. Почтенные астрономы, хоть и рекомендовали работу к печати, восприняли заявление священника как "несусветную чепуху". Однако не прошло и двадцати лет, как другой известный и авторитетный астроном — Пьер Симон Лаплас — в своей книге "Изложение системы мира" повторил размышления священника: "Звезда с плотностью равной плотности Земли и диаметром в 250 раз большим диаметра Солнца из-за своего притяжения не позволит ни одному лучу света достичь нас, а поэтому вполне вероятно, что самые яркие звезды Вселенной по этой причине остаются невидимыми"1. Можно понять ученых мужей из Королевского Общества, поскольку "нарушители спокойствия" использовали для своих расчетов на удивление простую формулу для определения второй космической скорости: V2 = V2GMR, где G — гравитационная постоянная, М и R — масса и радиус сферического объекта. Вторая космическая скорость для Земли равняется 11,2 км/с. Думаю, излишне напоминать читателям, что все эти соображения справедливы для теории гравитации Ньютона — так называемой классической теории. Отметим попутно, что такое тело должно сжаться в сферу с радиусом, меньшим R=2GM/c2. Однако рассуждения Митчелла и Лапласа оказались преждевременными даже для самих авторов. Работу священника Лаплас даже не упоминал, а результаты собственных расчетов исключил из третьего издания своей книги (в первых двух он уделил им достаточно внимания), возможно, считая подобные выводы неправдоподобными. В последующие годы популярность корпускулярной теории света падала, модными стали попытки объяснять все подобные явления с позиций волновой теории, а в ней воздействие гравитационных сил на свет было совсем не очевидным. И только в 1915 г., после создания Эйнштейном Общей теории относительности (ОТО), ученые вновь взялись за разработку этой темы. В 1916 г. немецкий физик-теоретик Карл Шварцшильд нашел решения уравнений для гравитационного поля ОТО, после чего проблему гравитационного коллапса можно было считать решенной. Результаты работы Шварцшильда можно было интерпретировать так: если тело с массой М сжато в сферу определенного радиуса (который называется гравитационным радиусом rg или радиусом Шварцшильда — Rm), то пространство-время вблизи него искажается настолько сильно, что свет не может выйти из этой сферы. А поскольку, согласно теории, ничто не может двигаться быстрее света, то сферу радиусом Rm вообще не может покинуть никакой материальный объект или сигнал. 
Из решения Шварцшильда следует, что для любого тела с массой М Rm = 2GM/c2. Примечательно, что это решение совпадает с формулой, полученной на основе теории Ньютона и с использованием термина "вторая космическая скорость". Не стоит удивляться тому, что ОТО и теория тяготения часто дают одни и те же результаты: расхождение между ними проявляется только в экстремальных физических ситуациях (к которым можно отнести и случаи со сверхмощными гравитационными полями черных дыр). В теории ЧД подобные объекты называют простыми (элементарными) ЧД или шварцшильдовскими ЧД. Подобная дыра может образоваться, когда звезда с массой больше трех солнечных масс начинает сжиматься. Ни одна известная на сегодняшний день сила не способна остановить это сжатие, иначе называемое "гравитационный коллапс". Звезда будет сжиматься до тех пор, пока все вещество не окажется собранным в определенной точке — сингулярности. В сингулярности вещество сжато до бесконечной плотности бесконечно огромными гравитационными силами. Но современная физика не может оперировать понятиями бесконечных плотностей и сил — ученые стыдливо ссылаются на то, что в сингулярности законы природы перестают работать. Очевидно, следовало бы говорить, что там действуют другие, неизвестные нам законы. Что же касается вещества, оказавшегося в сингулярности, то оно, наверное, должно было бы исчезнуть. Но куда? Быть может, ответ на этот вопрос даст будущая квантовая теория гравитации, в которой исчезнет понятие "сингулярность", что значительно облегчит жизнь физикам-теоретикам. Однако сегодня лишь самые смелые ученые делают первые шаги — пока неудачные — в создании такой теории... Как только звезда сжимается до сферы шварцшильдовского радиуса, она исчезает из поля зрения, поскольку свет с ее поверхности уже не доходит до нас. В этом случае теоретики постулируют появление так называемого горизонта событий, который, очевидно, должен совпадать с границей ЧД. Все, что происходит за этим горизонтом, недоступно для внешнего наблюдателя, поскольку исчезает всякая возможность обмена информацией между ним и его воображаемым визави на ЧД. Горизонт событий — граница односторонняя, все материальные предметы, любое излучение, в том числе и свет, могут попадать на ЧД, но назад им дороги нет. Было бы ошибкой считать, что пространство между горизонтом событий и сингулярностью заполнено веществом, поглощаемым ЧД — это не так, поскольку все вещество сосредоточено в сингулярности (ведь плотность вещества там достигает бесконечности), а упомянутое пространство заполнено вакуумом. "Чернодырная машина времени" Каждый человек, минимально знакомый с достижениями современной науки о Космосе, непременно слышал словосочетание "черная дыра". Эти таинственные объекты, кажется, стали неотъемлемой и даже какой-то будничной частью Вселенной. Больше всего ученых привлекают даже не их трудновообразимые физические свойства, а некоторые, скажем так, сугубо практические приложения. Одним из них, по понятным причинам ставшим поводом для множества спекуляций и сюжетом для фантастических рассказов, является так называемая "чернодырная машина времени". В предыдущих статьях уже упоминалась гипотетическая возможность перемещения в пространстве по пространственно-временным туннелям". Оставим в стороне категорическое отрицание теорией подобной возможности для классических ЧД и попробуем разобраться в аргументации любителей таких экзотических путешествий. Одна из используемых ими лазеек в теории ЧД связана с тем, что существует теоретическая возможность пространственно-временной конвертации — при некоторых значениях определенных параметров пространство и время меняются местами и падение космонавта в сингулярность (перемещение в пространстве) превращается в перемещение во времени, причем обязательно в будущее. Почему в будущее? Вспомним известный "парадокс близнецов". Один из близнецов, путешествующий, например, 20 лет в межзвездном пространстве со скоростью, близкой к скорости света, при возвращении на Землю обнаруживает, что его брат на родной планете если не умер, то дожил до глубокой старости (возраст земного брата будет определяться скоростью межзвездного путешествия). Оказывается, аналогичные искривления пространства-времени, обусловленные перемещением с околосветовыми скоростями, проявляются и в мощных гравитационных полях (а в этом отношении конкурентов у ЧД не имеется). Наблюдатель, приближающийся к горизонту событий ЧД (пересечет он его со скоростью, равной скорости света), вплоть до падения в сингулярность сможет в ускоренном темпе увидеть все будущее Вселенной... или, в худшем случае, его часть. "Глубина проникновения" в будущее определяется массой ЧД (фактически значением ее шварцшильдовского радиуса). Космонавт увидит угасание Солнца и превращение его в красный гигант, гибель Земли и планет Солнечной системы в горячей раздувшейся солнечной атмосфере, превращение Солнца в белый карлик и его смерть, постепенное "догорание" всех звезд Галактики и, наконец, "гибель Вселенной" после прекращения абсолютно всех физических процессов или в результате гипотетического распада элементарных частиц. 
Понадобится ли человечеству когда-либо такой способ познания Вселенной? Скорее всего, на него могут отважиться лишь смельчаки-камикадзе или фанатики-ученые. Астрофизики-теоретики в своих математических изысканиях способны так искривить пространство-время внутри ЧД, что они не только поменяются своими функциями, но и покажут настоящие чудеса превращения. Оказывается, в сильном гравитационном поле пространство-время может "возмутиться", как вода в реке, которая, встретив препятствие, сильно искривляет свое течение. Возможен даже вариант столь сильного искривления, что часть "потока времени" входит в "пространственно-временной туннель", отделяется, течет в обратную сторону и выходит в обратном направлении, то бишь в прошлом. Образуется так называемая "петля хода времени". Попав при своем путешествии в ЧД в такую петлю, космонавт сможет беспрепятственно "запрыгнуть" в далекое прошлое, хотя в этой петле сложно отделить прошлое от будущего. Более того: возникает парадоксальная ситуация, когда сегодняшние события определяются в равной степени и прошлым (против чего возражений не имеется), и будущим (о, волшебники-теоретики!) Один из "конструкторов машины времени", российский ученый И.Д.Новиков сформулировал для нее некий основополагающий принцип самосогласованности: коль у вас есть эта машина, будьте добры согласовать сегодняшние события с прошлыми и будущими (задачка для первоклассников!). Здесь появляется еще один "родственный" парадокс, теперь уже "парадокс дедушек". Коль скоро Путешественник при своих странствиях на "машине времени" может попасть в прошлое, он может встретить там не только себя (молодого), но и родителей и даже прародителей (до невесть какого колена), а то и забрести в свое несуществование. А вдруг он (Путешественник) воспылает ненавистью к своему дедушке, промотавшему в карты богатящее наследство и оставившего внучка прозябать без копейки? Ведь можно не дать дедушке сделать это, устранив его за год до банкротства? Но... тогда и само рождение Путешественника не может стать реальным событием! Свою озабоченность этой проблемой проявил и Станислав Лем: "А хроноизвращение? А футурология, а часовой фетишизм, а нападение возбужденных старцев на самих себя в юном возрасте их сельского детства? А похищение во времени?" На упреки своих коллег в том, что подобной трактовкой свободы воли человека (хочу убить — убью!) нарушается фундаментальный принцип науки (принцип причинности), Новиков отвечает, что сам факт рождения Путешественника в будущем так влияет на прошлое (вероятность убийства Путешественником своего дедушки), что задача становится самосогласованной. Противников "машины времени" Новиков и его последователи убеждают пространными рассуждениями о неких неведомых законах физики, которые не дают машине провоцировать путешественника на необдуманные поступки. А вот каковы аргументы другого известного сторонника "машины времени", астрофизика К.Торна: "Что-то должно остановить вашу руку, если вы попытаетесь убить своего дедушку. Что и как? Ответ (если он вообще существует) далек от очевидности, так как он связан со свободой воли человека. Совместимость свободы воли и строгого физического закона — ужасно смутная проблема даже в отсутствие машины времени". Поскольку путешествия во времени не очень-то вписываются в рамки серьезной науки, занимаются этой проблематикой физики-теоретики на досуге. Зачастую им приходится браться за разработку идей и гипотез, предложенных писателями-фантастами. Последние, воспользовавшись возможностью существования предсказанных ОТО "пространственно-временных туннелей", перекрестив их в более благозвучные "звездные врата", заставляют героев своих произведений лихо нырять в подобные врата, превращая перемещения на гигантские межзвездные и межгалактические расстояния в мгновенные прыжки в пространстве. Воодушевленный идеей таких мгновенных перемещений, Торн и его коллеги решили проверить, не противоречит ли идея "звездных врат" законам современной физики. Отправной точкой их исследований послужило предположение о том, что такой туннель должен напоминать ЧД с ее чудовищной гравитацией. Поскольку билет в ЧД выдается только односторонний (с правом входа, но без права на выход), пришлось искать иные варианты. Согласно Торну, "пространственно-временной туннель" надо наполнить неким агентом (веществом), создающим антигравитационное поле и препятствующее превращению в ЧД массивной системы, в которой создается такой туннель. (Десять лет назад поиски "источника отталкивания" существенно тормозили продолжение гипотезы, но сегодня на роль генератора антигравитационного поля реально претендует темная энергия.) Единственную серьезную проблему автор гипотезы усматривал только в обеспечении стабилизации работы такого туннеля, ибо при решении соответствующих уравнений были весьма важны квантовые эффекты, о которых мы еще знаем очень мало. Но, тем не менее, Торн был твердо уверен в том, что в случае создания стабильного "пространственно-временного туннеля" он может быть использован как машина времени: пройдя через такой туннель, Путешественник окажется не только в другой точке Вселенной, но и в другом моменте времени — в прошлом или в будущем. В последнее время, в развитие гипотезы Торна, было показано, что даже стабильные "пространственно-временные туннели" склонны совершенно не соблюдать маршрут и сроки путешествия — они стремятся выбрасывать Путешественника в совершенно произвольную точку как во времени, так и в пространстве. Стоит ли пускаться в такие странствия? 
Даже Стивена Хокинга чрезвычайно расстраивали подобные неестественные последствия путешествий во времени (не зависящие от используемой модели "машины времени"). Поэтому он выдвинул "гипотезу защиты хронологии", которая запрещает существование "петли времени". Поскольку ОТО допускает путешествия в прошлое, то для реализации такой защиты должен существовать некий фактор, их запрещающий. Применив для расчетов движения частиц в такой Вселенной квантовые уравнения, ученые обнаружили, что они потенциально могут попадать в свое прошлое, но возникающая при этом цепная реакция породит расходящуюся энергетическую волну, которая разрушит пространственно-временной туннель. Пока гипотеза Хокинга не получила подтверждения, а следовательно, путешествия во времени остаются теоретически возможными... Георгий Ковальчук кандидат физико-математических наук, Главная астрономическая обсерватория, г. Киев |
