Читать книгу "Сейчас. Физика времени - Ричард А. Мюллер"

Достижение световой скорости и уход в бесконечность

Когда вы находитесь близко к черной дыре, время течет очень медленно, и хотя длина орбиты может быть очень маленькой, между вами способно расположиться большое пространство. Для студентов, изучающих физику, оно обычно рисуется в виде диаграммы. Представьте ее как двухмерное изображение черной дыры. Сама дыра расположена в центре, ниже плоскости – там, куда направлено искривленное пространство.

Это полезная диаграмма, однако она несколько ошибочна, потому что подразумевает необходимость искривления пространства в другое измерение (в этом случае имеется в виду измерение, которое уходит вниз), чтобы захватить огромные расстояния около черной дыры. На самом деле такое измерение не нужно. Пространство просто сжимается из-за релятивистского сокращения длины. Эта диаграмма, изображающая черные дыры, часто присутствует в популярных фантастических триллерах. Когда Джоди Фостер падает в кротовую нору в фильме «Контакт»[93], это место очень напоминает нашу виртуальную диаграмму. (Кротовые норы выглядят как две почти черные дыры, соединенные до возникновения радиуса Шварцшильда; вы падаете с одного края норы и вылетаете из другого.) В реальности черная дыра выглядит совсем не так. Если вместе с вами в нее падают другие объекты, она должна выглядеть абсолютно черным шаром.

С таким разъяснением диаграмма полезна. Она иллюстрирует основные свойства черных дыр и помогает ответить на простой вопрос: каково расстояние от внешнего мира (относительно плоского пространства) до поверхности черной дыры? Мы уже знаем – это бесконечность. Попробуйте измерить участок «падения» внутри черной дыры, и вы столкнетесь с бесконечностью. Вы упретесь в радиус черной дыры только в самом низу, но это бесконечно далеко.

Если до поверхности черной дыры бесконечно далеко, то что тогда я имел в виду, говоря о каких-то 16 километрах? Признаю, вводил вас в заблуждение. Я использовал обычную систему координат. Радиус r определяется тем, что мы говорим об окружности вокруг черной дыры как 2πr, аналогично обычному пространству. Но законы обычной геометрии здесь не работают, и мы не можем высчитать расстояние между двумя точками, просто найдя разницу в их координатах.

На самом деле никаких черных дыр нет

Список галактических объектов, похожих на черные дыры, можно найти в астрономических справочниках и в интернете. Статья в «Википедии» «Список черных дыр» упоминает более 70. Но вот в чем загвоздка: мы имеем основания полагать, что ни один из этих объектов на самом деле черной дырой назвать нельзя.

Метод, которым руководствуется астроном в поиске объекта Вселенной – кандидата на черную дыру, – это поиск космического тела, масса которого в несколько раз больше массы Солнца, но при этом от него регистрируется очень мало излучения или вообще ничего. Некоторые из потенциальных объектов испускают импульсы рентгеновских лучей, которые, как полагают, указывают на то, что какие-то формирования (комета? планета?) «падают» в них. По мере падения эти тела распадаются и нагреваются за счет большой разницы в гравитации, ограниченной самим объектом, которой достаточно, чтобы испускать рентгеновское излучение. Другие потенциальные кандидаты, которых называют сверхмассивными черными дырами, имеют массу сотен наших Солнц.

Один из таких сверхтяжелых объектов существует в нашей галактике Млечный Путь. Мы наблюдаем звезды, расположенные поблизости от этого центра, которые невероятно быстро ускоряются. Это указывает на присутствие очень большой массы. Однако из этого объекта не исходит свет, поэтому сам он, притягивающий звезды, не звезда. Физические теории заставляют полагать, что такая огромная концентрация массы без какого-либо излучения может быть только черной дырой.

Почему я утверждаю, что в действительности их не существует? Вспомните расчеты, показывающие, что «падение» в черную дыру будет длиться бесконечно. Подобные расчеты указывают и на то, что формирование черной дыры в нашей системе отсчета тоже займет бесконечное время. Все вещество для ее создания должно преодолеть бесконечное расстояние. Если только черные дыры не существовали к моменту формирования нашей Вселенной, то есть если не были первичными объектами космоса, нельзя считать, что они достигли статуса настоящих черных дыр. Не прошло еще достаточно времени (во внешней системе отсчета), чтобы материя «упала» на бесконечное расстояние, характеризующее черную звезду. И у нас нет оснований думать, что какие-то объекты Вселенной могли быть первичными (хотя некоторые ученые рассуждают, что мог быть один или несколько таких объектов).

Возможно, я слишком педантичен. Действительно, «падение» в черную дыру может длиться бесконечно, однако вы можете продвинуться очень далеко всего за несколько минут в собственном времени, измеряемом падающими с вами часами. С точки зрения внешней системы отсчета вы никогда не достигнете поверхности черной дыры, но за сравнительно короткое время преобразуетесь в сверхтонкую материю, что, в некотором смысле, будет уже неважно. Возможно, в этом заключалась причина того, что в 1990 году Стивен Хокинг решил объявить о своем поражении в пари Кипу Торну, признав, что один из самых популярных объектов современной астрономии «Лебедь Х-1» в созвездии Лебедь, заметный источник рентгеновского излучения, действительно черная дыра. Технически прав был Хокинг, а не Торн. «Лебедь Х-1» на 99,999 % в самом деле черная дыра, но потребуется бесконечное время (в системе отсчета Хокинга и Торна), чтобы он стал таковой полностью.

В квантовой теории есть одна лазейка, позволяющая обойти мое утверждение, что черных дыр не существует. Хотя согласно теории относительности Эйнштейна, формирование такого объекта – процесс бесконечный, для завершения процесса нужно сравнительно немного времени. С того мгновения, когда «падающая» материя достигнет расстояния в два радиуса Шварцшильда от него, до момента, когда она будет от него в непосредственной близости и проявятся сильные квантовые эффекты (на так называемой планковской длине), пройдет менее одной тысячной секунды. Мы не думаем, что в этой точке продолжится действие обычной общей теории относительности.

Что случится потом? Неизвестно. Над этой проблемой работают многие ученые, но ничего еще не было обнаружено и экспериментально проверено. Конечно, интересен сам факт того, что Хокинг отдал Торну выигрыш в пари относительно классификации «Лебедя Х-1» как черной дыры. Вероятно, он посчитал объект настолько близким к этому, что «чуть-чуть» уже не важно, а возможно, убедился, что включение в дело квантовой физики бросает тень сомнения на определение бесконечности времени.

Признание того, что черных дыр пока нет, во всяком случае в том «пока», которое соответствует нашей внешней системе отсчета, – это тонкость, которая обычно не известна неспециалистам. Так что, вооружившись этим фактом, вы тоже могли бы выиграть пари: реальность допускает возможность и верить, и не верить в существование черных дыр.