Гравитация

Итак, в руках у Эйнштейна оказался самый мощный инструмент в истории физики — общая теория относительности. Но даже гении могут ошибаться. Удивительно, но он упустил из вида несколько самых важных выводов из своей теории. Эти выводы — существование чёрных дыр и теория Большого взрыва — показывают, что, хотя Эйнштейн и сделал огромный шаг вперёд по сравнению с Ньютоном, его суждения тоже не были безошибочными.

Для дополнительного чтения

Einstein A. Relativity: The Special and General Theory. — London: Folio Society, 2004.

Fölsing A. Albert Einstein. — London: Penguin, 1998.

Levenson T. Einstein in Berlin. — New York: Bantam Books, 2003.

Levenson T. The Hunt for Vulcan... And how Albert Einstein destroyed a planet, discovered relativity and deciphered the Universe. — London: Head of Zeus, 2015.

Levin J. Black Hole Blues. — London: The Bodley Head, 2016.

Overbye D. Einstein in Love: A Scientific Romance. — London: Viking, 2000.

Pais A. «Subtle is the Lord...»: The Science and the Life of Albert Einstein. — Oxford: Oxford University Press, 1983.

7. Когда Бог делит на ноль Как теория Эйнштейна предсказывает странные явления в «сингулярности» чёрной дыры и почему нужна другая теория, которая этого не делает.

В течение многих лет наша с Пенроузом работа имела катастрофические последствия для науки. Мы показали, что, если общая теория относительности Эйнштейна была верна, началом Вселенной должна была быть сингулярность. А это означало, что наука не могла предсказать, когда начнётся образование новой Вселенной.

Стивен Хокинг[191]

Чёрные дыры показывают нам, что пространство можно смять, как бумагу, до невероятно маленькой точки, что время можно погасить, как пламя, и что законы физики, которые мы считали священными и неизменными, таковыми не являются.

Джон Уилер[192]

В феврале 1916 года Эйнштейну пришла необычная посылка от солдата с Восточного фронта. Карл Шварцшильд работал директором Астрофизической обсерватории в Потсдаме, недалеко от Берлина. Но с началом войны в 1914 году в порыве патриотизма он бросил всё и ушёл на фронт добровольцем. За те 18 месяцев, которые он провёл в кайзеровской армии, Шварцшильд успел побывать управляющим метеорологической станцией в Бельгии, занимался расчётом траекторий снарядов в артиллерийской батарее во Франции, а потом оказался в России.

Несмотря на военную службу, Шварцшильд нашёл время на то, чтобы написать несколько научных работ. Две из них были посвящены эйнштейновской теории гравитации, с которой Шварцшильд ознакомился вскоре после её публикации в конце 1915 года. Удивительным было то, что за столь короткий срок он сумел развить некоторые идеи Эйнштейна.

Уравнения общей относительности очень сложны. Например, они включают десять уравнений, которые Эйнштейн вывел только для описания закона обратных квадратов. Из-за этой сложности рассчитать форму пространства-времени вблизи реально существующего тела очень тяжело. Но Шварцшильд сделал несколько упрощающих предположений, которые придали эйнштейновским уравнениям более простую и управляемую форму и позволили Шварцшильду решить их.

Решение Шварцшильда описывало форму искривлённого пространства-времени вблизи локализованной массы, например звезды. Эйнштейн был поражён. «Я не ожидал, что кто-то сумеет сформулировать настолько простое решение этой задачи», — писал он Шварцшильду.

В частности, Шварцшильд продемонстрировал, что, если достаточное количество массы сжать до небольшого объёма, пространство-время искривится настолько, что превратится в бездонный колодец. Его стены будут такими крутыми, что любой луч света, пытающийся выбраться из него, в конце концов лишится всей своей энергии и погибнет. А без света такой участок пространства-времени окажется чернее ночи.

Шварцшильд не придумал названия для своего открытия. Его предложит американский физик Джон Уилер только в 1967 году. Но сегодня вряд ли можно найти человека, который не знает выражения «чёрная дыра».[193] Именно её и описал Шварцшильд в своём решении.[194]