Невероятно, но факт!
Через четыре года после смерти Фридмана Хаббл установил, что все звезды и галактики удаляются, разбегаются друг от друга, как и должно быть, если окружающее их пространство раздвигается во всех своих точках, разбухает, подобно тесту в квашне. И как это предсказывали формулы Фридмана, скорость разбегания космических объектов тем больше, чем дальше они удалены друг от друга. Самые близкие звезды удаляются от нас каждую секунду на десятки и сотни километров. А самые далекие космические объекты, находящиеся на краю видимой нами части Вселенной, убегают со скоростями, близкими к скорости света.
Благодаря распуханию пространства растягивается и наше тело, но на ничтожно малую величину, приблизительно на 10-11 сантиметров за всю нашу жизнь. За это время Земля и Солнце успевают разойтись примерно на десять микрон — тоже очень маленькая величина. Эффект разбегания важен для межгалактических расстояний и интервалов времени в сотни миллионов и миллиарды лет.
Еще одно убедительное доказательство теории расширяющейся Вселенной связано с именем американского физика русского происхождения Г. А. Гамова. Он выдвинул гипотезу о том, что рождение Вселенной представляло собой гигантский взрыв пространства и какой-то неизвестной нам праматерии, из которой в условиях огромных температур и давлений «сварилось» затем атомное вещество нашего мира. За неимением более подходящей наглядной картины это явление часто называют «Большим взрывом», или «Биг Бэнгом», если использовать соответствующий звучный английский термин. Гипотеза Гамова позволила разработать теорию «Огненного шара», в котором происходил синтез атомных ядер, и рассчитать концентрацию водорода, гелия и других химических элементов во Вселенной. Результаты вычислений хорошо согласуются с данными о составе Земли, лунных пород и метеоритов и с результатами изучения спектров испускаемого звездами света, которые зависят от того, какие атомные ядра «горят» на той или иной звезде. И самое главное, американские инженеры с помощью радиотелескопов обнаружили предсказанное Гамовым рассеянное по всему пространству остаточное тепловое излучение Большого взрыва.
В пользу теории Фридмана говорило также множество косвенных данных. И шаг за шагом поражающая воображение, кажущаяся пришедшей из научно-фантастических романов картина взрывающейся и быстро расширяющейся Вселенной завоевала всеобщее признание.
Безусловно, это одна из тех идей, которые знаменитый датский физик Нильс Бор относил к разряду «сумасшедших». Александр Александрович Фридман открыл самое грандиозное явление природы из всех, которые мы можем сегодня себе представить. Рождение и расширение Вселенной — что может быть грандиознее?! По научному значению и влиянию на умы людей теорию Фридмана можно сравнить лишь с теориями Коперника и Джордано Бруно.
Черные дыры-малютки
Теперь мы в состоянии понять, как образуются такие дыры. Это могло произойти в катаклизме «первородного взрыва». В колоссальных перепадах давлений и плотностей могли возникать области очень малых размеров и такой большой массы, что вокруг них происходило практически полное свертывание пространства и времени. Исходная масса каждой такой самозамкнувшейся области компенсируется, «съедается», отрицательной энергией гравитационного притяжения ее внутренних частиц. Это похоже на то, как из слияния тяжелых элементарных частиц образуется легкая. Для внешнего пространства масса замкнутого мира оказывается почти равной нулю. Если не учитывать квантовых эффектов, она была бы точно равна нулю, и замкнувшийся мир полностью бы исчез из нашего пространства.
В процессе «Биг Бэнга» могли образоваться черные дыры самых различных масс и размеров — от очень больших до субъядерных, как у элементарных частиц. Микроскопические черные дыры-малютки — это ворота, через которые спрятавшийся внутри полузамкнутый мир связан с внешним пространством, с его ритмом времени. Чем уже ворота, тем меньшей массой во внешнем пространстве обладает находящийся за ними полузамкнутый мир.
Несмотря на малость их размеров, дыры-малютки — очень тяжелые объекты. Например, черная дыра с радиусом 10-13 сантиметров, то есть такой же величины, как большинство элементарных частиц, имеет массу приблизительно в миллиард тонн. Это масса астероида с радиусом около километра или горы средней величины на поверхности Земли. Черная дырочка с размерами электрона весит миллион тонн. Не видимые глазом точки с весом целой горы!
Среди известных нам физических тел самые плотные — атомные ядра. Их вещество спрессовано в десятки миллиардов раз сильнее, чем в стальном шарике. А плотность микроскопической дыры-малютки еще в 1040 раз больше. Космические масштабы в микромире.
И наконец, самое удивительное: оказывается, черные дыры-малютки неустойчивы и теряют свою массу путем… испарения! Это может показаться просто невероятным — ведь черная дыра потому и называется черной, что она ничего не испускает. Тем не менее расчет показывает, что это так. Уравнения теории относительности, на которых основывались первоначальные выводы о свойствах черных дыр, не учитывают квантовых эффектов, а для объектов с размерами, как у элементарных частиц, это уже незаконно.
Мы уже знаем, что протон на очень короткое время может превратиться в протон и пи-мезон. Подобным же образом в пустом пространстве может родиться пара — позитрон плюс электрон или даже пара более тяжелых частиц, родиться и тут же исчезнуть, аннигилировать в ничто. Квантовая механика допускает такие процессы. И вот может случиться так, что родившиеся частицы не успеют еще аннигилировать, а одну из них уже поглотит прожорливая черная дыра. Тогда второй компонент пары уже не имеет партнера для аннигиляции и излучится, полетит в пространство прочь от дыры. Такие события повторяются одно за другим, поэтому вокруг черной дыры происходит как бы «вскипание» вакуума, а внешне это выглядит, как постепенное ее испарение. Похоже на вскипание капли воды на горячей сковородке. Масса черной дыры уменьшается, соответственно уменьшается и ее радиус — дыра стягивается в точку. Ворота в полузамкнутый мир стремятся сомкнуться!
Температура горящей спички около семисот градусов. А черная дыра — малютка с радиусом, как у протона, — ведет себя, подобно телу, нагретому до температуры в сотню миллионов градусов, примерно впятеро горячее, чем в центре Солнца. Мощность ее излучения равна мощности полутора Братских гидроэлектростанций. И такая мощность извергается из объема, который в сотни раз меньше атомного ядра! Не видимая глазом пылинка, которая способна осветить и отопить огромный город. Концентрация энергии просто чудовищная!
По мере того как размеры черной дыры уменьшаются, «квантовое кипение» вакуума вокруг нее становится все более интенсивным. Начинают рождаться тяжелые частицы, температура черной дыры, а следовательно, и мощность ее излучения возрастают. Для черных микродыр с размерами, как у элементарных частиц, такой процесс нарастающего излучения продолжается один-два десятка миллиардов лет. Завершается он взрывом, мощность которого эквивалентна одновременному взрыву почти триллиона атомных бомб, подобных той, что была сброшена американцами на Хиросиму. Двери во внутренний мир закрываются с грохотом! Таков результат вычислений английского физика Хоукинга, выполненных в предположении, что в последние моменты ее жизни вокруг перегретой черной дыры образуются и излучаются частицы с массой в несколько нуклонных масс. Если возможно излучение более тяжелых частиц (а почему нет?), взрыв будет еще более мощным — в сотни тысяч и даже миллионы раз. Эффекты действительно космические.
Зная скорость расширения пространства (ее измерил еще Хаббл), можно вычислить время, которое потребовалось для того, чтобы Вселенная «распухла» до ее современных размеров. Оказывается, для этого нужно пятнадцать — двадцать миллиардов лет. Наш мир достиг возраста, когда очень маленькие черные дырочки уже успели распасться, и теперь пришло время взрываться дырам с адронными размерами.
Поиск излучений и взрывов черных микродыр вели с помощью ракет и спутников. Были обнаружены излучения, которые можно приписать черным дырам. К сожалению, это очень неоднозначно, этим излучениям можно найти и другие, более привычные объяснения. Неумолимая «бритва Оккама» — «не вводить сущностей сверх необходимого» — заставляет искать дальнейшие доказательства. А если все же допустить, что замеченное излучение принадлежит в основном черным дырам, то их число в окружающем пространстве очень велико. Можно сказать, что Вселенная буквально нафарширована крошечными черными дырами.
Невольно приходит мысль: нельзя ли как-то поймать одну такую дырочку и использовать ее в качестве компактного и практически неисчерпаемого источника энергии? Например, поместить внутрь сферы с двойными жароупорными стенками, между которыми циркулирует и превращается в пар вода или какой-либо легкоплавкий металл. Их энергию нетрудно перевести в электрическую. Интересно было бы создать проект такой космической электростанции для снабжения горючим космических ракет и спутников. Кто знает, возможно, в будущем ловля маленьких черных дыр станет важным занятием специальных звездолетов. Казалось бы, чистая фантастика, но атомная энергия и спутники полвека назад тоже выглядели утопией. Кстати, о том, насколько серьезно некоторые ученые относятся к возможности столкновения космического корабля с черной дырой, говорит тот факт, что Лондонское научное общество имени Бэкона объявило конкурс на лучшее предложение, как избежать такой встречи. В конкурсе приглашают участвовать физиков, математиков и астрономов.
Может, кто-то из юных читателей примет участие в экспедиции, которой будет поручено «заарканить» и посадить в клетку свирепо брызжущую излучениями черную микродыру! Наука и техника в наши дни развиваются необычайно быстро.
Мощный поддержкой гипотезе черных дыр-малюток было бы обнаружение больших черных дыр — ведь если существуют большие дыры, то вполне могут быть и маленькие.
Большие черные дыры являются по-настоящему черными, ничего не излучающими. Попадающие в них брызги «вакуумного кипения» ничтожны по сравнению с массой дыр и повышают их температуру на миллионы доли градуса. Время, которое требуется для испарения крупных черных дыр, составляет 1060 — 1070. Чудовищная величина даже в условиях космоса! Очень слабенькое тепловое излучение объектов, температура которых почти не отличается от абсолютного нуля, теряется на фоне других излучений. Большие черные дыры может выдать лишь их ненасытный аппетит. Как уже говорилось выше, засасываемое ими окружающее вещество испускает рентгеновские лучи, которые можно зафиксировать нашими приборами. И хотя, строго говоря, нет еще ни одной достоверно установленной черной дыры, доводов в пользу их существования сегодня больше, чем против. Некоторые из подозреваемых объектов — почти заведомо черные дыры.