Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности

Читатель вправе спросить, как это объект, не испускающий никакого света, может быть источником энергии для объекта, испускающего рекордное количество света во Вселенной? В конце 60-х и в 70-е годы астрофизики довольно быстро успели разобраться, что экзотические свойства черных дыр добавляют в арсенал теоретиков поистине поразительные инструменты. Согласно некоторым хорошо известным законам гравитационной физики, когда газообразное вещество устремляется в черную дыру, то прежде, чем опуститься за горизонт событий, оно разогревается и испускает интенсивное излучение. Энергию оно получает от почти безотходной переработки потенциальной энергии гравитации в тепло. Между прочим, преобразование потенциальной энергии гравитации все мы наблюдали в обычной жизни на Земле, хотя не всегда понимали, что это такое. Если вам случалось уронить тарелку на пол и разбить ее, если вы когда-то сталкивали что-то с подоконника во двор и оно разбивалось вдребезги внизу, значит, вы понимаете, что такое потенциальная энергия гравитации и на что она способна. Проще говоря, это неприкосновенный запас энергии, которым тело обладает просто благодаря расстоянию от другого тела, о которое оно ударится, если упадет. Когда тело падает, то обычно набирает скорость. Но если что-то остановит падение, вся энергия, которую тело успело накопить, преобразуется в ту разновидность энергии, которая все ломает и разбивает. Именно поэтому у вас больше шансов погибнуть при прыжке с высокого здания, чем с низкого.

Если что-то мешает телу набрать скорость, однако оно продолжает падать, то преобразование потенциальной энергии происходит как-то иначе – обычно в тепло. Это наглядно видно на примере того, как нагреваются космические корабли и метеоры, когда входят в атмосферу Земли: им хочется набрать скорость, но мешает сопротивление воздуха. Английский физик XIX века Джеймс Джоуль поставил опыт, ставший знаменитым: он придумал устройство, которое размешивало воду в емкости, вращая лопасти энергией опускающихся грузов. Потенциальная энергия грузов передавалась воде и успешно повышала ее температуру. Вот как Джоуль описывал, что у него получилось:

Лопасть двигалась в емкости с водой, преодолевая сильное сопротивление, так что грузы (по четыре фунта каждый) опускались медленно – со скоростью около фута в секунду. Блоки находились на высоте двенадцати ярдов от земли, а следовательно, когда грузы опускались до самого низа, их требовалось поднимать обратно, чтобы возобновить движение лопастей. Когда эта операция была повторена шестнадцать раз, при помощи весьма чувствительного и точного термометра было зарегистрировано повышение температуры воды. … Из этого я могу заключить, что получено доказательство наличия эквивалентных отношений между теплом и обычными видами механической мощности… Если мои представления верны, то температура реки Ниагары из-за падения с высоты 160 футов поднимается примерно на одну пятую градуса.

(Shamos 1959, p. 170)

Речь в мысленном эксперименте Джоуля идет, само собой, о великом Ниагарском водопаде. Но если бы он знал о существовании черных дыр, то, пожалуй, сказал бы: «Если мои представления верны, то температура газа, устремившегося к черной дыре, поднимается на миллион градусов в результате падения с высоты в миллиард миль».

* * *