Маленькая книга о чёрных дырах

Чтобы улучшить наше понимание шварцшильдовской черной дыры, мы исследовали много возможных путей движения массивных объектов (таких, как Алисин челнок или злополучный зонд) и фотонов. В совокупности все такие пути называются «причинно-следственными»: одно пространственно-временное событие может повлиять на другое, если оба они лежат на таком причинно-следственном пути, на котором первое событие предшествует второму. Если мы немного расширим наш взгляд на пространство-время и рассмотрим не причинно-следственные пути, то найдем другую замечательную особенность решения Шварцшильда: так называемую кротовую нору, или мост Эйнштейна – Розена, соединяющий внешний мир, в котором живут Алиса и Боб, с другим внешним миром, который имеет ту же самую геометрическую структуру. В этом мире подобные Алисе и Бобу авантюристы Алисия и Брэдли могли бы выполнить те же эксперименты над своей черной дырой. И они пришли бы ровно к тем же выводам, что Алиса и Боб. Однако ни одна из этих пар никогда бы не узнала о существовании другой, так как единственной связью между их мирами являются не причинно-следственные пути через внутренность либо черной, либо белой дыры, по которым не может пройти ни одна частица, массивная или безмассовая. Другими словами, две внешние области в причинно-следственном смысле отрезаны друг от друга, а внутренние области пересекаются. Считается, что кротовая нора может соединять очень далекие друг от друга части Вселенной, – эта идея породила множество научно-фантастических произведений. Беда в том, что если вы соединяете удаленные друг от друга области пространства-времени без причинно-следственной связи, то на деле это в любом практическом смысле вообще не означает никакого соединения. Если выражаться точно, не причинно-следственное соединение означает, что ничего (буквально – совсем ничего) не может перейти по этому каналу из одной области в другую. Кротовая нора непроходима. В общей теории относительности есть решения уравнений поля, описывающие проходимые кротовые норы, но все они требуют каких-то экзотических форм вещества, которые пока не открыты или, возможно, даже вообще не существуют. К обсуждению того, что может происходить в «обычных», то есть непроходимых, кротовых норах, мы вернемся в конце главы 7.

Несмотря на бурную неразбериху под горизонтом (не говоря уж о том, что может происходить в альтернативных мирах), вовне оттуда не доносится ни шороха. В сущности, это обстоятельство является проявлением одного общего свойства черных дыр, которое называют «теоремой об отсутствии волос». В этой главе мы в основном говорим лишь об одной частной категории черных дыр: о невращающихся шварцшильдовских черных дырах. В следующей главе мы рассмотрим вращающиеся черные дыры (так называемые керровские) и черные дыры, обладающие электрическим зарядом. Вы можете спросить: сколько же существует видов черных дыр? Ответ на этот вопрос такой: если вы знаете массу, заряд и спин черной дыры, то ее геометрия полностью определена. Именно это довольно сильное утверждение и называется теоремой об отсутствии волос, или, иногда, теоремой однозначности. Словом «однозначность» при этом хотят сказать, что если мы выберем некоторое конкретное значение массы, спина и заряда, то с этими параметрами будет существовать одна и только одна форма горизонта черной дыры. Термин «теорема об отсутствии волос» возник как раз из юмористического представления о том, как могли бы выглядеть неоднозначные формы горизонта, будь они возможны. Холмики, горы, ямки или долины – каким должен был бы быть общий термин для этих гипотетических особенностей рельефа горизонта черных дыр? Остановились на «волосах», и надо признать, что какая-нибудь академическая «теорема об отсутствии особенностей» запоминалась бы гораздо труднее, чем хлесткое «черные дыры не имеют волос».