Черные дыры и молодые вселенные

Первые тридцать лет XX века стали свидетелями появления трех теорий, радикально изменивших взгляд человека на физику и на саму реальность. Физики все еще пытаются изучить и собрать воедино их последствия. Эти три теории – специальная теория относительности (1905), общая теория относительности (1915) и теория квантовой механики (1926). Альберт Эйнштейн в большой степени разработал первую, полностью создал вторую и сыграл значительную роль в развитии третьей. И все же Эйнштейн никак не мог принять квантовую механику из-за наличия в ней элемента случайности и неопределенности. Его чувства выразились в часто цитируемой фразе: «Бог не играет в кости». Однако большинство физиков с готовностью приняли и специальную теорию относительности, и квантовую механику, потому что эти теории описывали прямо наблюдаемые эффекты. Общую же теорию относительности большинство оставили без внимания, потому что она представлялась слишком сложной в математическом смысле, ее было не проверить в лаборатории, и это была чисто классическая теория, то есть казалось, что она не стыкуется с квантовой механикой. Поэтому общая теория относительности была в загоне почти пятьдесят лет.

Огромное расширение астрономических наблюдений, начавшееся в шестидесятых годах, стало причиной возрождения интереса к классической теории относительности, так как оказалось, что многие ранее неизвестные явления, такие как квазары, пульсары и компактные источники рентгеновского излучения, говорят о существовании очень сильных гравитационных полей, описать которые может лишь общая теория относительности. Квазары – это похожие на звезды объекты, которые должны быть в несколько раз ярче целых галактик, если они в самом деле удалены на то расстояние, о котором говорит смещение их спектра к красному краю; пульсары – это быстро мигающие остатки взрыва сверхновой, предположительно сверхплотные нейтронные звезды; компактные источники рентгеновского излучения, открытые приборами с космических аппаратов, могут быть тоже нейтронными звездами или, возможно, гипотетическими объектами еще большей плотности, а именно черными дырами.

Одной из проблем, с которой столкнулись физики, старавшиеся применить общую теорию относительности к этим открытым или гипотетическим объектам, стали попытки состыковать ее с квантовой механикой. За последние несколько лет были проведены работы, дающие надежду на то, что не так далеко время, когда мы получим полную непротиворечивую теорию гравитации, согласующуюся с общей теорией относительности для макроскопических объектов и, можно надеяться, свободную от математических бесконечностей, преследующих другие квантовые теории поля. Эти работы основаны на некоторых недавно открытых квантовых эффектах, имеющих отношение к черным дырам, что обеспечивает замечательную связь черных дыр с законами термодинамики.

Позвольте мне кратко описать, как могли возникнуть черные дыры. Представьте себе звезду с массой в десять раз больше солнечной. Бо́льшую часть своей жизни, то есть около миллиарда лет, звезда генерирует в своих недрах тепло, преобразуя водород в гелий. Высвобожденная энергия создает достаточное давление, чтобы уравновешивать созданную звездой силу тяжести и поддерживать размеры звезды с радиусом примерно в пять раз больше солнечного. Скорость для отрыва от поверхности такой звезды будет около 1000 км/с. То есть объект, выстреленный с поверхности звезды вертикально вверх со скоростью меньше 1000 км/с, будет притянут гравитационным полем звезды назад и вернется на поверхность, в то время как объект, вылетевший с большей скоростью, улетит в бесконечность.

Когда звезда выработает все свое ядерное топливо, ничто уже не сможет поддерживать внутреннее давление, и под действием собственной силы тяжести она начнет сжиматься. По мере сжатия звезды сила тяжести на ее поверхности становится все больше и необходимая для отрыва скорость возрастает. Когда радиус уменьшится до 30 км, необходимая для отрыва скорость достигнет 300 000 км/с – скорости света. После этого никакой свет, испускаемый звездой, не сможет уйти в бесконечность, а будет притягиваться обратно гравитационным полем. Согласно специальной теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, так что если не может вырваться свет, то не может и ничто другое.

В результате получается черная дыра – область пространства-времени, откуда ничто не может улететь в бесконечность. Границы черной дыры называются горизонтом событий. Он соответствует фронту тех световых волн от звезды, которым не удалось улететь в бесконечность, но которые и не упали обратно, а парят на радиусе Шварцшильда: 2 GM/c, где G – Ньютонова гравитационная константа, M – масса звезды, а c – скорость света. Для звезды примерно в десять масс Солнца радиус Шварцшильда составляет около 30 км.