Читать книгу "Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Брайан Грин"

Что это говорит нам о том, возможно ли провалиться в черную дыру и оказаться в другой вселенной? Существование альтернативных историй с черными дырами говорит о том, что это в принципе возможно. Дыра должна быть большой, и если она вращается, в ней может быть проход в другую вселенную. Но вернуться в нашу вселенную невозможно. Так что, хотя я нацелен на полет в космос, пробовать такие вещи не стану.

Смысл моей лекции в том, что черные дыры не настолько черные, какими кажутся. Они – не вечные тюрьмы, как мы когда-то думали. Вещи могут выходить из черных дыр, и наружу и, возможно, в другую вселенную. Так что если чувствуете, что вы в черной дыре, не сдавайтесь. Выход есть.

Кип Торн

Черные дыры: самые яркие объекты во вселенной – но никакого света!

Кип Стивен Торн родился в Логане, штат Юта, 1 июня 1940 года. Он получил степень бакалавра в Калтехе в 1962 году и докторскую степень в Принстонском университете в 1965 году. В 1970 году он стал профессором теоретической физики, в 1981 году занял должность Кеннановского профессора, а в 1991 году – Фейнмановского профессора теоретической физики. В июне 2009 года Торн ушел в отставку (оставшись почетным Фейнмановским профессором), чтобы начать карьеру в литературе и кино, а также продолжать научные исследования. Его главный нынешний проект – учебник по классической физике в соавторстве с Роджером Блендфордом, а главный кинопроект – фильм «Интерстеллар» (режиссер Кристофер Нолан). Основная тема нынешних исследований Торна – изучение нелинейного динамического поведения искривленного пространства-времени с использованием компьютерного моделирования и аналитических вычислений. Исследования Торна посвящены физике гравитации и астрофизике, с упором на релятивистские звезды, черные дыры и гравитационные волны. В конце 60-х и начале 70-х годов он заложил основы теории пульсации релятивистских звезд и излучаемых ими гравитационных волн. Торн разработал математический аппарат, с помощью которого астрофизики анализируют генерацию гравитационных волн, и занимался разработкой новых технических идей и планов обнаружения таких волн. Вместе с Вайссом и Древером он основал проект LIGO. В 1980–2000-х годах Торн и его рабочая группа подготовили теоретическое обоснование LIGO, в том числе идентифицировали классы источников гравитационных волн, которые можно изучать с помощью LIGO. Они также предложили методы обработки данных LIGO и разработали дефлекторы для управления отражением света в ее каналах. Торн был научным руководителем у 52 аспирантов, защитивших диссертации по физике. Совместно с Джоном Ф. Уилером и Чарльзом У. Миснером в 1973 году Торн написал учебник «Гравитация», по которому большая часть нынешнего поколения ученых изучала общую теорию относительности. Он также автор и соавтор книг «Теория гравитации и гравитационный коллапс» (1965) и «Черные дыры: парадигма мембраны» (1986), «Черные дыры и складки времени: дерзкое наследие Эйнштейна» (1994). Торн получил множество медалей и премий, в том числе премию Лилиенфельда, медаль Карла Шварцшильда, премию Робинсона за работы по космологии, медаль Альберта Эйнштейна, золотую медаль им. Нильса Бора ЮНЕСКО и премию за научную литературу «Фи Бета Каппа»[9].

После того как массивная звезда исчерпывает запас ядерного топлива, термоядерные реакции которого поддерживают ее температуру, внутреннее давление в ней начинает падать. Гравитация пересиливает это давление, и звезда все быстрее начинает сжиматься к центру. Она становится меньше и меньше, как бы взрываясь вовнутрь, а гравитация на ее уменьшающейся поверхности растет (повинуясь ньютоновскому закону обратных квадратов). В конечном счете, когда звезда сжимается до пары десятков километров, ее гравитационное притяжение становится настолько огромным, что ничто, даже свет, не может ее покинуть. Звезда создает вокруг себя черную дыру. Сама звезда внутри черной дыры продолжает сжиматься и разрушается сингулярностью бесконечной хаотической гравитации, что находится в центре черной дыры. Этот процесс недвусмысленно предсказан эйнштейновской общей теорией относительности.

В нашей галактике Млечный Путь миллионы черных дыр, во вселенной – триллионы, и каждая из них может опустошать окружающее космическое пространство.

Если взорвавшаяся вовнутрь звезда была частью двойной системы, то черная дыра унаследует звезду-компаньона. Гравитация черной дыры притягивает газ соседней звезды, и он закручивается по спирали, ведущей к дыре, создавая газовый диск, настолько горячий, что он генерирует не столько видимый свет, сколько рентгеновское излучение. Астрономы наблюдают множество таких дисков, закручивающихся вокруг тяжелых и темных объектов – очевидно, черных дыр.

В центре эллиптических и спиральных галактик, таких как Млечный Путь, каким-то образом сформировались сверхмассивные черные дыры – может, вследствие взрыва сверхмассивной звезды или слияния множества более мелких черных дыр. Эти гигантские дыры, массой от миллиона до десяти миллиардов Солнечных масс и размером со всю Солнечную систему, могут разрывать звезды на части, формируя вокруг себя горячие газовые диски из ошметков этих разорванных звезд. Магнитные поля, содержащиеся в таком диске, взаимодействуют с водоворотом искривленного пространства, который торчит из черной дыры (и об этом я расскажу позже), исторгая гигантские высокоэнергичные струи (джеты). Эти струи вырываются в межгалактическое пространство и иногда обладают большей светимостью, чем все звезды галактики вместе взятые! Астрономы наблюдали и изучали сотни таких джетов и окружающих их дисков, но увидеть находящуюся в центре дыру не могли, потому что она, собственно, черная. Она не излучает свет.

Из чего сделана черная дыра? Не из вещества, как я или вы, но из искривленного пространства и времени.

Давайте я объясню это по аналогии. Представьте себе детский батут – большую резиновую простыню, закрепленную на высоких стойках. Большой камень, положенный в центр такого батута, заставляет резину прогибаться, как показано на рисунке 1. А теперь представьте, что вы – муравей, слепой муравей. Резиновое полотно – ваша вселенная, и вы исследуете ее, измеряя ее форму. Вы измеряете длину окружности, содержащей расположенный в ее центре камень. Вы проходите по всей окружности, чтобы измерить ее, а затем принимаетесь за диаметр круга. Вы идете, и идете, и идете по диаметру. Вы обнаруживаете, что это очень большое расстояние – что диаметр, на самом деле, намного больше длины окружности. Будучи умным муравьем, вы заключаете, что пространство вашей вселенной искривлено. Его нельзя описать плоской геометрией Евклида, скорее, оно имеет геометрию искривленного резинового полотна.

Если бы мы в нашей вселенной могли сделать двумерный разрез по экватору черной дыры и измерить ее форму, мы обнаружили бы, что она очень похожа на прогнувшееся резиновое полотно из воображаемой муравьиной вселенной: диаметр больше длины окружности, как видно на рисунке 2. Пространство дыры изгибается вниз в некое многомерное «гиперпространство», которое не является частью нашей вселенной. И в центре, вместо тяжелого камня, находится так называемая сингулярность, где пространство искривлено бесконечно резко – зловещая сингулярность, которая разрушает любую материю, заплутавшую в ее окрестностях.