Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

На диаграммах рис. 13.4 изображена последовательная эволюция звезды. Звезда начинает коллапсировать в нашей Вселенной (а). Она превращается в черную дыру, вокруг черной дыры образуется горизонт событий, и коллапс продолжается (б). Вещество в звезде сжимается настолько, что пространство вокруг нее искривляется и замыкается, образуя маленькую закрытую вселенную, напоминающую воздушный шар (в, г); эта новая маленькая вселенная отпочковывается от нашей Вселенной и начинает передвигаться самостоятельно в гиперпространстве. (Нечто похожее может произойти и на острове в океане, если туземцы построят лодку и захотят отправиться в плавание по океану.) Отпочковавшаяся вселенная со звездой внутри движется от нашей большой Вселенной к другой большой вселенной (г, д) (как лодка плывет от одного острова к другому). Маленькая вселенная достигает другой большой вселенной (е) (как лодка, которая пристает к берегу другого острова), расширяется и извергает из себя звезду. Наконец, звезда взрывается в другой вселенной (ж, з).

Я понимаю, что все это звучит как чистая научная фантастика. В свое время черные дыры явились прямым следствием решения Шварцшильда, полученного для уравнения поля Эйнштейна (глава 3); точно так же предложенный сценарий эволюции — непосредственный вывод из другого решения уравнения Эйнштейна, решения, найденного Гансом Райсснером и Гуннаром Нордстремом в 1916–1918 гг., но не понятого ими до конца. В 1960 г. ученики Уилера, Дитер Брилл и Джон Грейвс, раскрыли физический смысл решения Райсснера — Нордстрема. Вскоре стало ясно, что это решение с небольшими изменениями можно применить для описания коллапсирующей и взрывающейся звезды (рис. 13.4). Такая звезда отличается от звезды Оппенгеймера-Снайдера только одним существенным моментом: она электрически заряжена, и при ее сжатии формируется сильное электрическое поле, которое некоторым образом причастно к взрыву, происходящему со звездой в другой вселенной.

* * *

Подведем итог. В 1964 г. конечные стадии эволюции звезды, которая в результате схлопывания превращается в черную дыру, выглядели следующим образом (во многом благодаря стараниям Уилера, который считал эти исследования основным делом своей жизни):

1. Известно решение уравнения Эйнштейна, предложенное Оппенгеймером и Снайдером для звезды идеальной формы (в том числе для идеальной сферы). Из этого решения следует, что в центре черной дыры возникает сингулярность с бесконечно большими приливными силами гравитации. Эта сингулярность захватывает, разрушает и проглатывает абсолютно все, что попадает в черную дыру.

2. Известно также другое решение уравнения Эйнштейна (частный случай решения Райсснера — Нордстрема) для звезды, имеющей не вполне идеальную форму или сферическую форму, но при этом еще электрический заряд. Глубоко внутри черной дыры такая звезда отпочковывается от нашей Вселенной, прикрепляется к другой вселенной (или к отдаленной области нашей собственной Вселенной) и там взрывается.

3. Было далеко не ясно, какое из этих двух решений (а возможно, ни то и ни другое) «устойчиво по отношению к малым, случайным возмущениям» и, следовательно, может иметь место в реальной Вселенной.

4. В то же время Халатников и Лифшиц утверждали, что сингулярности всегда неустойчивы по отношению к малым возмущениям и поэтому они никогда не возникают. Следовательно, сингулярность Оппенгеймера — Снайдера никогда не может возникнуть в нашей реальной Вселенной.

5. По поводу этого утверждения Халатникова и Лифшица среди физиков существовал некий скептицизм, по крайней мере, в Принстоне. Возможно, он был отчасти вызван желанием Уилера, чтобы эти сингулярности существовали в природе, ибо они могли стать вожделенным местом для слияния общей теории относительности и квантовой механики.

1964-й год стал переломным моментом. В этом году Роджер Пенроуз революционизировал математические инструменты, которыми мы с тех пор пользуемся для анализа свойств пространства-времени. Его революция была настолько важной и оказала настолько сильное влияние на поиск «священного Грааля» Уилера, что я отвлекусь от основного повествования и уделю несколько страниц в книге рассказу о Пенроузе и его революции.

Революция Пенроуза