Текст 6 о черных дырах – доступным языком

В 1783 году английский физик Джон Митчелл высказал предположение, что если свет представляет собой поток частиц, то на этот поток, так же как и на другие материальные объекты, должны действовать силы тяготения! Стало быть, свет, идущий от тяжелого тела, будет замедляться. А может ли он вообще остановиться?

«Почему бы нет? – подумал физик. – Только тело должно быть очень тяжелым. Каким же?». Митчелл без особого труда получил ответ: если солнце увеличить в 500 раз по радиусу, то от него свет уже не сможет «оторваться!» Через полтора десятка лет великий французский математик Пьер Симон Лаплас в своей книге «Изложение системы мира» высказал аналогичное предположение. Он показал, что если бы Земля увеличилась до размеров, превышающих в 250 раз радиус Солнца, то она стала бы невидимой, поскольку свет не мог бы от нее уйти.

О возможности рождения таких тел в физическом мире, разумеется, тогда никто и мысли не допускал. Поэтому соображения о «невидимых» сверхмассивных небесных объектах лет сто воспринимались как чистая абстракция. О них вспомнили, когда в научный обиход стал входить термин «сингулярность».

Термином «сингулярность» сейчас обозначают некую точку отсчета, с которой началась история всей нашей Вселенной. Сингулярность впервые появилась в расчетах ленинградского математика А.А. Фридмана в 1920-х годах как «точка с радиусом кривизны, равным нулю», в которой некогда была сосредоточена вся масса нынешней Вселенной! Эта догадка Фридмана долгое время считалась математическим фокусом, а сам ученый называл ее курьезом.

Всего несколько месяцев после обнародования Эйнштейном своей знаменитой теории относительности немецкий физик-теоретик Карл Шварцшильд предложил математическое описание поля тяготения, возникающего вокруг шарообразного материального тела. В этих вычислениях появилась некая величина, получившая геометрическую интерпретацию «радиуса Шварцшильда», или «гравитационного радиуса», определяемого величиной массы тела. Оказалось, что если какой-то материальный объект сжать в сферу этого радиуса, то пространство-время (по представлениям Эйнштейна) около него деформируется столь сильно, что свет не сможет выйти за пределы этой сферы! А поскольку, согласно теории относительности, движение света невозможно, значит, сферу с радиусом Шварцшильда вообще не сможет покинуть никакой материальный объект или сигнал!

В физическом мире возникает черная дыра! Имеется в виду один из удивительных объектов, отделен от остального пространства определенной границей, которую никто не может пересечь! Гравитационное поле черной дыры обладает столь чудовищной силой, что даже свет задерживается ее мертвой хваткой, искривляющей пространство и тормозящей время! Черная дыра кажется более уместной в фантастических романах или мифах древности, чем в реальной Вселенной! И тем не менее законы современной физики требуют, чтобы черные дыры существовали …»

Обычно их считают порождением современной релятивистской физики. Но и классическая физика Исаака Ньютона признавала в принципе их существование. Но черная дыра у Ньютона и у Эйнштейна не есть одно и то же. По Ньютону, частицы света отрываются от сферы Шварцшильда, но тормозятся силами тяготения и возвращаются обратно. А по Эйнштейну, свет, выходящий с поверхности сферы Шварцшильда, тем не менее никак не сможет ее покинуть. Это различие обусловлено представлением Эйнштейна о силах гравитации как об искривлениях пространства-времени.

Современникам Эйнштейна казалось совершенно немыслимым сжатие материального тела, например планеты Земля, до размеров шарика диаметром в … один сантиметр (для Солнца диаметр сферы Шварцшильда равен всего лишь трем километра!). Даже такие крупные ученые теоретической физики как С. Чандасекар, А. Эддингтон, Э. Милн отказались признавать черные дыры за реальность. Дело изменилось в 1960-х годах после обнаружения во Вселенной так называемых пульсаров (сверхплотных нейтронных звезд). Возникло резонное предположение: если пульсары являются реальными объектами, то почему бы не быть таковыми и черным дырам? И правда, в конце 1970 года американский научно-исследовательский спутник «Ухуру» обнаружил рентгеновский источник «Лебедь Х-1», ставший общепризнанным кандидатом в черные дыры! А в последние десятилетия открыты десятки таких кандидатов.

Современная наука видит в черных дырах последнюю стадию жизни звезд определенной массы. Массивные звезды, израсходовав свои энергетические ресурсы, начинают катастрофически сжиматься! Происходит взрыв – одно из грандиознейших явлений в космических масштабах, называемое вспышкой сверхновой! Если масса оставшегося от взрыва вещества меньше двух солнечных, то сжатие останавливается и образуется нейтронная пульсирующая звезда – пульсар. Если же коллапсирует вещество с тремя солнечными массами и более, то пока науке неизвестна сила, способная предотвратить неудержимое сжатие звезды в точечную массу, называемую, как говорилось выше, сингулярностью.

Черные дыры могут возникать из вещества сравнительно малой плотности – лишь бы оно составляло значительную массу. Так что в принципе гипотетический космонавт мог бы залететь в такую дыру, даже не заметив этого. При таком, разумеется, чисто условном полете сложилась бы совершенно невероятная ситуация: по мере приближения космонавта к сфере Шварцшильда время на космическом корабле по часам земного наблюдателя будет катастрофически замедляться и в момент пересечения кораблем этой сферы – остановится совсем! Иначе говоря, для пересечения сферы Шварцшильда космонавту с земной точки зрения потребуется бесконечное время. Совершенно иные события происходят на космическом корабле. Космонавт в совершенно конкретный отрезок времени пересекает сферу Шварцшильда и с чудовищной скоростью устремляется навстречу своей погибели в сингулярности. И это для него, увы, вполне реальное, ощущаемое и – последнее событие! Кто же прав, земной наблюдатель или космонавт? Так вот, правы оба, и в то же время никто! Тут уж ничего не поделаешь, таковы парадоксы теории относительности Эйнштейна.

(По Герману Гордееву. О черных дырах –

доступным языком. – Тайны 20 века. – №14. – 2007. – С. 4-5.)