Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

В статье, опубликованной в Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Мичелл предложил ответ: «Если бы в природе существовали некие тела, имеющие плотность не меньше солнечной и диаметр, более чем в 500 раз превышающий диаметр Солнца, то, поскольку их свет не смог бы дойти до нас… о существовании [этих] тел… мы не смогли бы получить визуальной информации». Иными словами, если свет не способен преодолеть их силу тяготения, они будут для нас невидимыми. Мичелл, однако, назвал такие тела не черными дырами, а черными звездами.

Разумеется, черные звезды Мичелла никак не связаны с искривленным пространственно-временным континуумом – в 1783 г. этой концепции не существовало. Ученые XVIII в. не знали, что скорость света является самой большой возможной скоростью в природе. Поэтому гипотетические черные звезды Мичелла не считались объектами, которые, как ЧД, ничто никогда не сможет покинуть. Пускай свет не может отойти от черной звезды, космический корабль, вероятно, сумеет, если его двигатели проработают достаточно долго (разумеется, за вычетом того, что в 1783 г. космических кораблей не существовало).

Современное понятие черной дыры возникло в начале 1916 г. Всего за несколько месяцев до этого Альберт Эйнштейн обнародовал ОТО. Возможно, вы помните его уравнения поля (одно из которых увековечено на восточной стене Музея Бургаве в Лейдене). Оказалось, они допускают существование в пространстве областей с гравитацией, достаточно сильной, чтобы искривленный пространственно-временной континуум замкнулся сам на себя. Эти решения уравнений поля независимо получили двое блестящих ученых: 42-летний немецкий физик и астроном Карл Шварцшильд и голландский специалист в области математической физики Йоханнес Дрост, 29-летний студент-дипломник Хендрика Лоренца.

В начале Первой мировой войны, в 1914 г., Шварцшильд вступил в германскую армию и зимой 1915/16 г. одновременно сражался с русскими солдатами на Восточном фронте и с редкой кожной болезнью, пузырчаткой, вероятно приведшей к его смерти в мае 1916 г. Однако в этот период он нашел время и силы написать три научные статьи, в том числе об объектах, которые мы теперь называем черными дырами. Кроме того, Шварцшильд переписывался с жившим в Берлине Эйнштейном по поводу полученных им результатов. Решение Дроста, также высоко оцененное Эйнштейном, было более изящным, но опубликовано только в 1917 г.

Как бы то ни было, стало ясно, что достаточно сильное точечное гравитационное поле должно проявлять ряд необычных свойств. Во-первых, вплоть до некоторого расстояния от него (названного радиусом Шварцшильда) пространственно-временной континуум испытывает настолько сильное искривление, что любое возможное движение в любом направлении завершается ближе к центру, чем началось. Иначе говоря, ничто не может покинуть область внутри радиуса Шварцвальда, будь то элементарная частица, космический корабль или свет. Во-вторых, гравитационное красное смещение в радиусе Шварцвальда насколько велико, что время не только существенно замедляется, но и полностью останавливается – по крайней мере с точки зрения внешнего наблюдателя. В-третьих, любая материя, пересекшая радиус Шварцвальда (иначе – горизонт событий), в итоге оказывается в самом центре с бесконечной плотностью, в математической точке нулевых размерностей. Во всяком случае, это следует из уравнений – что, возможно, свидетельствует о чрезвычайной неполноте нашего представления о процессах, происходящих в ЧД.

Неудивительно, что большинство физиков, включая самого Эйнштейна, сочли «метрику Шварцшильда» не более чем занятным математическим вывертом ОТО. Подобные курьезы не могут быть частью нашей физической реальности, не так ли? В конце концов, «допускается общей теорией относительности» далеко не равнозначно «существует в природе».

В 1934 г. Вальтер Бааде и Фриц Цвики предсказали существование нейтронных звезд (см. главу 6). Нейтронная звезда – это коллапсировавшее ядро массивной звезды, жизнь которой завершилась катастрофическим взрывом сверхновой. Как вы помните, она состоит из плотно упакованных нейтронов (незаряженных ядерных частиц). Фактически нейтронную звезду можно охарактеризовать как атомное ядро размером с мегаполис, и она, бесспорно, имеет ту же невероятную плотность, что и ядро атома.

Через пять лет после предсказания Бааде и Цвики физик-теоретик Роберт Оппенгеймер – впоследствии отец атомной бомбы – заявил, что слишком массивные нейтронные звезды не смогут противостоять гравитации. Нейтронная звезда массой около трех солнечных должна коллапсировать еще глубже – просто потому, что никакой известный закон физики этому не воспрепятствует. Фактически, по мнению теоретика, гравитационный коллапс никогда бы не прекратился. Согласно расчетам Оппенгеймера и его коллеги Харлана Снайдера, материя спрессовывалась все плотнее, в конечном счете образовав в пространстве область настолько мощной гравитации, что ее ничто не могло бы преодолеть.