Маленькая книга о чёрных дырах

Июль 2017

Дорогой Альберт, Прежде всего, Вы величайший гений. Ваше E = mc²– единственное физическое уравнение, известное буквально всем. Журнал «Тайм» назвал Вас человеком столетия. Анекдотов про Эйнштейна больше не рассказывают просто потому, что с первого слова все уже знают, в чем соль. Благодаря Вашим открытиям человечество наделало сикстильон сикстильонов ядерных зарядов и, как ни странно, пока еще с их помощью само себя не взорвало. Фактически атомные бомбы, сброшенные в конце Второй мировой войны, так и остались единственными ядерными зарядами, использованными для уничтожения людей.

Мы, пишущие Вам это письмо, очень интересуемся общей теорией относительности и черными дырами, потому что большой инструмент под названием LIGO зарегистрировал гравитационные волны, возникшие при столкновении двух черных дыр, которое случилось больше миллиарда лет назад. Мы написали книгу о черных дырах, и так как мы знаем, что Вас очень интересовало решение Шварцшильда и что, возможно, Вы сомневались иногда в его физическом смысле, мы подумали, что стоит рассказать Вам о том, что произошло за шестьдесят с лишним лет с тех пор, как Вы нас покинули.

Начнем с того, что в решении Шварцшильда называется «горизонтом событий». Если нырнуть под него, то назад уже никогда не выйдешь, разве что если двигаться быстрее света. Если Вы помните математическую форму решения Шварцшильда, то знаете, что в нем возникали странные особенности, когда радиус был равен массе с точностью до ньютоновского множителя. В частности, времениподобная часть метрики исчезает: это то, что мы теперь называем функцией хода. Это происходит как раз там, где находится горизонт событий. Еще у решения Шварцшильда есть странные особенности, когда радиус обращается в нуль, и лучшее, что мы можем предложить для их объяснения, – это что они соответствуют сингулярности пространства-времени, то есть месту, где сама геометрия больше не работает. Если войти в черную дыру Шварцшильда, придется столкнуться с этой сингулярностью, но мы понятия не имеем, что будет потом – и даже будет ли в этом случае какое-нибудь «потом».

Очень жаль, что Вы не увидели, как много всего мы поняли и открыли благодаря общей теории относительности за двадцать с лишним лет после Вас. В центре всех этих работ стоял Джон Уилер. Мы оба были знакомы с ним некоторое время в Принстоне, он умер в 2008 году. Именно благодаря ему стал популярен термин «черная дыра» для описания решения Шварцшильда и связанной с ним метрики. Новозеландец по имени Рой Керр нашел обобщение метрики Шварцшильда, описывающее вращающиеся черные дыры. Его метрика довольно сложная! Но она очень важна, так как именно она описывает конечное состояние коллапсирующих звезд, у которых момент импульса никогда не бывает нулевым. Теперь мы совершенно уверены в том, что во Вселенной множество черных дыр. Еще в 1930-х гг. Чандрасекар, Толмен, Оппенгеймер и Волков говорили, что если собрать очень много массы в одном месте, ничто не сможет помешать ей схлопнуться. Точное значение этой предельной массы вычислить трудно, но если после того, как звезда израсходует все свое ядерное горючее, в ней останется около трех солнечных масс, они обязательно коллапсируют в черную дыру. Что еще удивительнее, это то, что в центрах галактик находятся гораздо бóльшие черные дыры. В центре нашей Галактики, Млечного Пути, прячется черная дыра массой примерно в четыре миллиона Солнц – да, это не шутка! Сейчас общепризнано, что в центрах многих галактик есть гораздо большие черные дыры, возможно, имеющие массу в миллиарды солнечных. Мы не очень хорошо представляем себе, как они могли образоваться, но в случае Млечного Пути мы абсолютно уверены в существовании черной дыры, основываясь на форме орбит отдельных звезд в ее окрестности и измерениях гравитационных эффектов. А уж регистрация гравитационных волн приемником LIGO – это просто потрясающе! По сути, LIGO представляет собой большой интерферометр Майкельсона с длиной плеча четыре километра. Аббревиатура LIGO означает «Лазерная интерферометическая гравитационно-волновая обсерватория» (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Лазеры – это замечательные монохроматические источники света, так хорошо сфокусированные и такие мощные, что с их помощью можно сваривать металл, и одновременно настолько дешевые, что мы встраиваем их в современные проигрыватели вместо иголок. Летающих автомобилей у нас пока нет, но лазеры – классная штука. Так или иначе, вышло, что приемник LIGO был создан для серьезных научных измерений как раз в тот момент, когда на Землю пришла великолепная гравитационная волна. Это вышло почти случайно! Зарегистрированная картина замечательно укладывается в схему слияния двух черных дыр, каждая из которых имеет массу порядка 30 солнечных. И снова все восхищаются общей теорией относительности, потому что она смогла успешно описать как области сильного поля тяготения в окрестности черных дыр, где пространство-время практически разорвано на куски, так и области, где гравитационные поля очень слабы и где гравитационные волны можно сравнить с тихим шепотом, скользящим сквозь пространство-время.

И еще одна из Ваших идей прошла долгий путь развития – это идея космологической постоянной. Хотя Вы и называли ее своей крупнейшей ошибкой, сейчас мы думаем, что она представляет собой просто малую поправку в Ваших уравнениях поля. Но на больших масштабах расстояний она становится важной: астрономы не в состоянии объяснить недавнюю эволюцию расширяющейся Вселенной иначе, чем полагая, что целых 70 % всей энергии Вселенной берется из космологической постоянной, или, другими словами, из чего-то, что мы называем «темной энергией», но что, по сути, ведет себя именно как эта постоянная. Когда Вы вводили в свою теорию космологическую постоянную, то надеялись, что она поможет сохранить картину статической Вселенной. А на деле (держитесь крепче!) темная энергия, наоборот, ускоряет расширение Вселенной, делая его экспоненциальным. Или возьмем другое направление: поиски «объединенной теории всего» привели к интенсивным исследованиям типов пространства-времени с отрицательной космологической постоянной. Общая теория относительности в пяти измерениях с отрицательной космологической постоянной естественно связана с квантовой теорией четырехмерной границы пространства-времени. Это почти означает, что квантовая теория как бы является проекцией общей теории относительности!

А мы – вы уж простите – твердо уверены, что квантовая теория верна. Как показал британский физик Стивен Хокинг, из квантовой теории следует, что черные дыры испускают излучение, хотя и с очень низкой температурой. Еще у черных дыр гигантская энтропия, несмотря на то что они почти уникальны в качестве решений Ваших уравнений поля. Если Вам от этого станет хоть немного легче, знайте, что статья, которую Вы написали вместе с Подольским и Розеном, оказалась очень важной. Используя идеи, связанные с этой статьей, люди сейчас даже пытаются построить квантово-механические компьютеры.

Многие принстонские профессора больше не ходят на работу в галстуках, но носки большинство из нас все-таки носит. Озеро Карнеги все так же прекрасно. Парусных лодок на нем немного, но у самого берега орел вьет гнездо. Мы пока не смогли построить единую теорию поля, но упорно пытаемся это сделать. Лучшее еще впереди.

Искренне Ваши,

Стив и Франс