Читать книгу "Карта Вселенной - Приямвада Натараджан"

В настоящее время астрономы уверены, что черные дыры (несмотря на их необыкновенные свойства) возникают в результате обычных физических процессов, протекающих в ходе эволюции звезд. Теория звездной эволюции предполагает, что топливом для звезд с массой, в 15–20 раз превышающей массу нашего Солнца, служит водород. После выгорания водорода эти звезды заканчивают свою жизнь как черные дыры. Черные дыры могут иметь экзотические свойства, но они — важная составляющая Вселенной, играющая значительную роль в формировании и эволюции галактик.

Давайте теперь рассмотрим черные дыры начиная с того момента, когда этот термин перестал быть объектом воображения и превратился в объект, который можно обнаружить и описать. История термина связана с «башней из слоновой кости»[4] — Кембриджским университетом в Англии XVIII в. Кембридж и Оксфорд были тесно связаны с англиканской церковью, и большинство студентов были выходцами из мелкопоместного дворянства и духовного сословия. По окончании университета все они подписывали официальный документ «символа веры» государственной англиканской церкви, состоящего из 39 статей (так называемые «39 статей англиканского вероисповедания», Thirty-Nine Articles of Anglican Faith), поэтому неудивительно, что многие из выпускников в дальнейшем связывали свою судьбу с церковью{5}. Один из блестящих выпускников Оксфорда сумел представить и описать совершенно необычные небесные тела, а именно настолько массивные звезды, что их свет просто не может покинуть породившее его светило.

Когда в 1783 г. английский сельский священник Джон Мичелл первым предложил идею существования каких-то темных звезд, он, разумеется, даже не мог себе представить, что когда-нибудь мы сможем их наблюдать и регистрировать. Сам Мичелл был полиматом (этим словом тогда обозначали талантливых ученых, занимавшихся сразу несколькими областями науки). Он родился в 1724 г. и учился в Кембридже, где впоследствии преподавал языки (древнееврейский и греческий), а также математику и геологию. Портреты Мичелла не сохранились, но современники описывали его как «низенького, смуглого и толстого человека». Он принял духовный сан и получил приход в местечке Торнхилл вблизи города Лидса. Несмотря на свои религиозные обязанности, Мичелл активно занимался разнообразными и самыми передовыми научными исследованиями, а также встречался и регулярно переписывался со многими ведущими учеными своего времени (например, с Бенджамином Франклином и Генри Кавендишем) и регулярно обсуждал с ними разнообразные проблемы. Им было что обсудить. Научная деятельность Мичелла охватывала проблемы земного магнетизма, теории распространения волн от землетрясения по поверхности Земли и т. д. Именно за работы по сейсмологии в 1760 г. Мичелл был избран членом Королевского общества, однако, несмотря на все свои достижения в области натуральной философии, он прославился гораздо меньше многих своих современников, возможно вследствие неумения пропагандировать и распространять научные идеи{6}.

Следуя постулатам Ньютона, Мичелл рассматривал свет в качестве потока крошечных частиц (корпускул) и поэтому полагал, что массивные звезды должны оказывать на эти частицы такое же гравитационное воздействие, как и на другие оказавшиеся вблизи астрономические объекты (например, кометы). Поскольку гравитационное воздействие прямо пропорционально массе звезды, Мичелл далее предположил, что могут существовать исключительно массивные звезды, способные полностью останавливать свет. В письме к Генри Кавендишу, датированном 27 ноября 1783 г., он верно догадался, что такие «темные звезды» должны обнаруживаться лишь по гравитационному воздействию, которое они могут оказывать на окружающие их тела. Эту идею (фактически, определение черных дыр в рамках ньютоновской механики своего времени) Мичелл опубликовал в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Он не был одинок в этих теоретических построениях. Всего через 13 лет похожую концепцию предложил в своей книге «Изложение системы мира» (Exposition du système du monde) французский математик Пьер-Симон Лаплас, который пришел к выводу: «…возможно, что по этой причине остаются невидимыми для нас самые большие светящиеся тела во Вселенной». Впрочем, когда позднее корпускулярная теория света Ньютона потеряла свою популярность (вследствие чего была забыта и идея о «темных звездах»), Лаплас полностью выбросил все упоминания об этой гипотезе из более поздних изданий своей книги{7}.

Прошло еще 150 лет, и представление об этих астрономических объектах воскресло в рамках ОТО Эйнштейна. Эта теория выросла из более простой идеи. Еще в 1905 г. Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), в которой постулировал, что ни один объект не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Существование предельной скорости имело для науки очень глубокие последствия. Прежде всего, была установлена невозможность передачи вещества или информации со скоростью больше максимально возможной. Из этой теории возникла и знаменитая формула эквивалентности энергии и массы, выражаемая ставшей общеизвестной формулой E = mc2. Однако в 1915 г. Эйнштейн предложил общую теорию относительности, глубоко изменившую наши представления о массе, гравитации и пространстве, что и позволило возродиться идее о черных дырах{8}. Математика ОТО позволяет по-новому визуализировать окружающую нас реальность. Как описывалось в предыдущей главе, новая теория привела к возникновению новой модели Вселенной, ставшей первым крупным пересмотром картины мира со времен Ньютона. При этом, однако, к глубокому разочарованию самого Эйнштейна, эта теория допускала существование черных дыр.

Рискуя навлечь на себя обвинения в искажении светлого образа Эйнштейна, мы должны отметить, что он выступал против концепции расширяющейся Вселенной и ненавидел идею черных дыр. Это может быть объяснено, кстати, следующим обстоятельством: восхищение физиков работами Эйнштейна связано, хотя бы частично, с тем фактом, что ему удалось построить великую ОТО буквально из ничего (ex nihilo), то есть без объяснения каких-то наблюдаемых явлений. Это безупречно настолько, насколько может быть безупречна физическая теория. Поэтому ОТО вызывала особое уважение в качестве примера демонстрации могущества умозрительных рассуждений, позволяющих достичь чисто математического описания природы. Его теория предполагала глубокое понимание природы гравитации — таинственной силы, удерживающей в единстве не только Солнечную систему, но и Вселенную в целом. В течение всей своей научной деятельности Эйнштейн руководствовался стремлением постичь единство и простоту устройства мира. Именно эти философские убеждения иногда мешали ему воспринимать и признавать необычные результаты, даже если они вытекали из его собственных работ и теорий. Так было и в случае черных дыр.

Теория Эйнштейна была не только математически элегантной и независящей от наблюдений, но сделала несколько важных научных проверяемых предсказаний. При этом теория значительно обгоняла существующие потребности и возможности ее проверки или применения. В некотором смысле можно сказать, что в начале прошлого века ОТО представляла собой «стерильно чистую» область физики, далекую от мейнстрима научных изысканий эпохи. Она имела важное значение для астрономии, но и в астрономии не была связана с реально существующими физическими объектами, по крайней мере в самом начале прошлого века. ОТО стала использоваться для описания Вселенной (как единого целого) уже в первые десятилетия после своего создания. Поскольку предсказываемые теорией наблюдаемые эффекты были очень слабыми для астрономических объектов с небольшой массой, теория оставалась незадействованной в наблюдениях вплоть до обнаружения в космосе новых экзотических объектов (типа нейтронных звезд, пульсаров и квазаров), при описании которых и проявились ее богатые возможности. Таким образом, когда в начале 1960-х гг. астрономы обнаружили в космосе эти сверхтяжелые объекты, теория Эйнштейна уже была достаточно развита и разработана для их описания.