Читать книгу "Ноль. Биография опасной идеи - Чарльз Сейфе"

Рис. 52. В отличие от других звезд черная дыра разрывает пространство-время

Этот цензор — гравитация. Если вы кинете вверх камень, он упадет вниз под влиянием земного притяжения. Однако если вы кинете камень достаточно быстро, он не упадет на землю, он вырвется за пределы атмосферы и ускользнет от земной гравитации. Примерно так поступает НАСА, отправляя корабль к Марсу. Минимальная скорость, с которой нужно бросить камень, чтобы он вырвался из-под власти притяжения, называется скоростью убегания. Черные дыры обладают такой высокой плотностью, что если вы приблизитесь к ним слишком близко (за так называемый горизонт событий), то скорость убегания превысит скорость света. За горизонтом событий притяжение черной дыры настолько сильно и пространство настолько искривлено, что ничто не может вырваться наружу, даже свет.

Хотя черная дыра — это звезда, ее свет никогда не минует пределов горизонта событий, поэтому она и называется черной. Единственный способ увидеть сингулярность черной дыры — проникнуть за горизонт событий и посмотреть на нее собственными глазами. Впрочем, даже если бы у вас был невероятно прочный скафандр, который не дал бы вам превратиться в астронавта-спагетти, вы никогда не сможете никому рассказать о том, что увидели. Как только вы пересечете горизонт событий, никакие ваши сигналы (и вы сами) не смогут вырваться из гравитационной ловушки черной дыры. Переместиться за горизонт событий — все равно что сделать шаг за границу Вселенной. Вы никогда не сможете вернуться. Такова власть космического цензора.

Несмотря на то, что природа скрывает сингулярность черной дыры, ученые знают, что она существует. В направлении созвездия Стрельца, в самом центре нашей Галактики, находится супермассивная черная дыра, вес которой равен весу 4,5 миллиона Солнц. Астрономы наблюдают, как звезды танцуют вокруг этого невидимого партнера. Движение звезд выдает присутствие черной дыры, хотя она и невидима. Впрочем, даже будучи способными обнаруживать черные дыры, ученые так и не выявили нолей в их центре, потому что эти ужасные сингулярности скрыты за горизонтом событий.

Это и к лучшему. Если бы не было горизонта событий, не было космического цензора, прячущего сингулярности от остальной Вселенной, могли бы произойти очень странные события. Теоретически голая сингулярность без горизонта событий могла бы позволить путешествовать быстрее света или перемещаться обратно во времени. Этого можно было бы достичь с помощью структуры, названной кротовой норой.

Если вернуться к аналогии резинового полотна, сингулярность — это точка, где пространство имеет бесконечную кривизну, это разрыв в ткани пространства-времени. При определенных условиях разрыв может быть растянут. Например, если черная дыра вращается или имеет электрический заряд, сингулярность, по расчетам математиков, оказывается не точкой (проколом в пространстве-времени), а кольцом. Физики предполагают, что две такие растянутые сингулярности могут быть соединены туннелем: кротовой норой (рис. 53). Тот, кто будет путешествовать по кротовой норе, вынырнет в другой точке пространства, а может быть, и времени. Точно так же, как кротовая нора может отправить вас в мгновение ока через половину Вселенной, она может переместить вас назад или вперед во времени (см. Приложение E). Вы могли бы даже выследить свою мать и убить ее до того, как она повстречает вашего отца, что помешало бы вам родиться и создать ужасный парадокс.

Рис. 53. Кротовая нора

Кротовая нора — парадокс, порожденный нолем в уравнениях общей теории относительности. Никто на самом деле не знает, существуют ли кротовые норы, однако НАСА надеется, что это так.

Кое-что за ничто?

Не существует такой вещи, как бесплатный обед

Второй закон термодинамики

НАСА питает надежду, что ноль может открыть секрет путешествий к далеким звездам. В 1992 году НАСА провело симпозиум, названный «Физика третьего тысячелетия», на котором ученые обсуждали особенности кротовых нор, скачки сквозь пространство, двигатели, использующие энергию вакуума и другие нетрадиционные идеи.

Проблема космических путешествий связана с тем, что не от чего отталкиваться. Когда вы плаваете в бассейне, вы отталкиваетесь от воды, заставляя ее отступать назад и двигать вас вперед. Когда вы идете по земле, ваши ноги отталкиваются от почвы, создавая продвигающую вас вперед силу. В космосе отталкиваться не от чего, вы можете сколько угодно грести, но это ничего вам не даст.

Ракеты несут собственный запас вещества, от которого могут отталкиваться. Топливо ракеты сгорает в двигателе и выбрасывается назад, двигая космический корабль вперед, так же, как дуновение воздуха из воздушного шарика заставляет его летать по комнате. Однако выброс топлива — очень дорогой и трудный способ передвижения, и даже современные улучшения химических двигателей, такие как использование электричества для выброса вещества из дюз ракеты, не могут обеспечить достаточную энергию для того, чтобы космические зонды могли достичь далеких звезд за приемлемое время. Чтобы добраться даже до ближайшей звезды, вам понадобилось бы чудовищное количество топлива — огромные затраты.

Физик Марк Миллис, глава проекта НАСА «Физика прорыва в реактивном движении», надеется преодолеть эту трудность благодаря физике ноля. К несчастью, ноли черных дыр — сингулярности — в ближайшее время представляются маловероятными кандидатами. Не только чрезвычайно трудно создать голую сингулярность, требующуюся для кротовой норы. Есть вероятность, что такая сингулярность разорвет космического путешественника в клочья. В 1998 году двое физиков из Еврейского университета в Иерусалиме показали, что даже вращающаяся или электрически заряженная черная дыра — с прекрасной кольцевой сингулярностью — благодаря нарастанию массы убьет космонавта. По мере вашего приближения к сингулярности масса черной дыры увеличивается, и увеличивается до бесконечности. Гравитация делается такой сильной, что вы в долю секунды будете разорваны на части. Кротовые норы опасны для здоровья.

Даже если ноли в центре черной дыры не обеспечат легкого способа перемещаться через пространство, ноль квантовой механики предлагает альтернативу: энергия нулевых колебаний может оказаться неисчерпаемым топливом. Именно здесь заканчивается физика мейнстрима и начинается граница.

В соответствии с взглядами Миллиса, астронавты могли бы использовать энергию вакуума для движения корабля, как моряки использовали энергию ветра для движения парусников. «Я провожу аналогию с эффектом Казимира, когда пластины могут соединяться благодаря заметному давлению радиации извне, — говорит он. — Если бы существовал способ извлечь из этого асимметричную силу, действующую в одном направлении и не действующую в другом, это можно было бы использовать как движитель». К сожалению, до сих пор эффект Казимира проявлялся только симметрично: обе пластины притягивались друг к другу — действие одной было равным и противоположно направленным по отношению к действию другой. Однако если бы существовало нечто подобное квантовому парусу, одностороннее зеркало, которое отражало бы виртуальные частицы от одной стороны и позволяло им беспрепятственно проходить сквозь другую, энергия вакуума толкала бы объект в сторону неотражающей поверхности паруса. Миллис признает, что никто не знает, как этого добиться. «Нет теорий того, как создать подобный агрегат», — печально говорит он.