Читать книгу "Маленькая книга о большой теории струн. В поисках принципов устройства Вселенной - Стивен Губсер"

Астрофизики сделают важную поправку к моему утверждению о том, что скалолаз ничего не чувствует, падая в чёрную дыру. Эта поправка связана с приливными силами. Приливные силы называются так из-за того, что вызывают приливы и отливы. Луна притягивает к себе предметы, находящиеся на обращённой к ней стороне Земли, сильнее, чем на обратной.

Горизонт чёрной дыры — это точка невозврата. Звездолёт может подлететь сколь угодно близко к горизонту, развернуться и улететь обратно, но если звездолёт пересечёт горизонт, он уже никогда не сумеет вырваться наружу

Море поднимается на той стороне Земли, которая обращена к Луне. Но море также поднимается и на противоположной стороне, что может показаться нелогичным.

Проще всего объяснить это так: центр Земли притягивается Луной слабее, чем обращённая к Луне часть поверхности, а противоположная от Луны часть поверхности Земли притягивается слабее, чем центр. В результате Земля как бы растягивается лунным притяжением в направлении, соединяющем Землю и Луну.

Когда небесное тело, например звезда, приближается к чёрной дыре, она испытывает аналогичное воздействие: части звезды, находящиеся ближе к чёрной дыре, притягиваются ею сильнее, и звезду начинает растягивать в разные стороны. Приблизившаяся к горизонту чёрной дыры звезда в конечном итоге будет разорвана на куски. Разрывающие звезду силы складываются из приливных сил и сил, возникающих из-за вращения звезды вокруг чёрной дыры. Для простоты будем игнорировать вращение, а рассмотрим только падение звезды в чёрную дыру. Чтобы ещё больше упростить задачу, заменим звезду двумя свободно падающими наблюдателями, первоначально находящимися друг от друга на расстоянии, равном диаметру звезды. Траектории движения этих наблюдателей похожи на траектории движения ближайшей и наиболее удалённой от чёрной дыры частей поверхности звезды. Я буду называть наблюдателя, который находится ближе к чёрной дыре, ближним, а наблюдателя, который находится дальше, — дальним. Чёрная дыра притягивает ближнего наблюдателя сильнее, чем дальнего, потому что он находится на меньшем расстоянии от неё. Таким образом, ближний наблюдатель будет падать быстрее дальнего, в результате чего наблюдатели будут удаляться друг от друга по мере падения. С их точки зрения это будет выглядеть как действие некой силы, стремящейся растащить их. Очевидно, что приливные силы лишь отражают тот факт, что в каждый момент времени ближний наблюдатель притягивается чёрной дырой сильнее, чем дальний.

Приведу ещё одну аналогию. Представьте себе колонну автомобилей, медленно движущихся друг за другом. Когда первый автомобиль достигает места, где он может ускориться, он отрывается от следующих за ним. Второй автомобиль достигает того же места и ускоряется, но расстояние между ним и автомобилем, следующим впереди, продолжает увеличиваться. Примерно так же увеличивается расстояние между ближним и дальним наблюдателями, когда они начинают падать на чёрную дыру. Деформация звезды при падении в чёрную дыру — по существу то же самое явление, за исключением того, что для полностью реалистичного описания следовало бы дополнительно учитывать вращательное движение звезды вокруг чёрной дыры, а также замедление времени вблизи горизонта чёрной дыры.

Современные астрономы-наблюдатели ставят целью зафиксировать такие явления, как падения звезды в чёрную дыру или столкновения двух чёрных дыр. Ключевой идеей является попытка зарегистрировать всплеск гравитационного излучения, сопровождающий слияние двух массивных объектов. Гравитационное излучение — это не то, что вы можете наблюдать невооружённым глазом, поскольку глазами мы видим только свет. Гравитационное излучение — это нечто иное и более сложное. Гравитационная волна — это распространяющееся возмущение пространства-времени. Так же как и световая волна, гравитационная волна переносит энергию. Как и световая волна, гравитационная имеет определённую частоту. Свет состоит из фотонов — частиц, или квантов, света, а гравитационное излучение, как мы предполагаем, переносится квантами, называемыми гравитонами. Они подчиняются тому же соотношению между частотой и энергией, E = hv, что и фотоны. Как и фотоны, они движутся со скоростью света и не имеют массы.

Поскольку гравитоны взаимодействуют с веществом гораздо слабее, чем фотоны, нет никакой надежды зарегистрировать их при помощи чего-либо, подобного фотоэлектрическому эффекту. Вместо этого для регистрации гравитационных волн используется уже описанный выше приливный эффект. Когда два объекта, разделённые некоторым расстоянием, оказываются на пути гравитационной волны, расстояние между ними начинает флуктуировать с частотой, равной частоте гравитационного излучения. Это происходит, потому что колеблется само пространство-время. Схема эксперимента по обнаружению гравитационных волн сводится к очень точному измерению расстояния между двумя объектами, а затем длительному ожиданию, когда оно начнёт флуктуировать. Обнаружение гравитационных волн откроет нам новое направление в исследовании Вселенной. Оно также послужит ещё одним подтверждением справедливости общей теории относительности, предсказывающей, в отличие от теории Ньютона, существование гравитационных волн.

Общая теория относительности

На самом деле я уже рассказал достаточно много об общей теории относительности. Это теория пространства-времени, описывающая чёрные дыры и гравитационные волны. В общей теории относительности пространство-время не статическая сцена, на которой разыгрываются события, а постоянно изменяющееся искривлённое геометрическое многообразие. Гравитационные волны похожи на круги, расходящиеся от брошенного в озеро камня, а чёрные дыры сродни стремительным потокам, вытекающим из этого озера. Обе аналогии несовершенны, потому что не содержат совершенно нового явления, присущего общей теории относительности, — гравитационного замедления времени.

Вспомним о замедлении времени в специальной теории относительности. Там пространство-время оставалось «жёстким». При переходе из системы отсчёта одного тела в систему отсчёта другого менялся только взаимный наклон осей координат. Чем быстрее одно тело двигалось относительно другого, тем сильнее наклонялась его ось времени, тем сильнее его собственное время замедлялось. Когда тело достигало скорости света, его время останавливалось.

В общей теории относительности появляется ещё один механизм замедления времени: время замедляется при помещении тела в гравитационное поле. Чем глубже вы опускаетесь в гравитационный колодец чёрной дыры, тем сильнее замедляется время, полностью останавливаясь при достижении горизонта.

Но постойте! Недавно я утверждал, что в горизонте событий нет ничего особенного, кроме того, что, упав за него, вы никогда уже не сумеете выбраться обратно. Но как вы сможете пересечь горизонт, если время на горизонте остановится? Решение этого парадокса заключается в том, что время в общей теории относительности относительно и зависит от точки зрения. Ощущение времени падающим сквозь горизонт скалолазом отличается от ощущения времени наблюдателем, который завис над самым горизонтом, но не пересекает его, и отличается от ощущения времени удалённым наблюдателем. С точки зрения удалённого наблюдателя, скалолаз будет падать на горизонт бесконечно долго. Он будет видеть, как скалолаз всё ближе и ближе подлетает к горизонту, и при этом движется всё медленнее и медленнее, и в конце концов практически застывает на горизонте чёрной дыры. С точки зрения самого скалолаза, он достаточно быстро пересечёт горизонт и достигнет затаившейся в центре чёрной дыры сингулярности. Мы говорим, что время скалолаза замедляется, потому что его секунда растягивается в неизмеримо бо́льший промежуток времени для удалённого наблюдателя. Точно так же замедляется время наблюдателя, который парит в непосредственной близости от горизонта чёрной дыры. Чем ближе он к горизонту, тем сильнее замедляется его время.