Вселенная. Вопросов больше, чем ответов

Представьте себе обычную трехмерную декартову систему ко­ординат, только вместо х, у, z по осям подписаны с (скорость све­та), G (гравитационная постоянная), h (постоянная Планка). Тогда вдоль оси G располагается классическая ньютоновская теория гравитации, вдоль оси с — специальная теории относительности, вдоль оси h — квантовая механика. Плоскость cG отвечает общей теории относительности, плоскость ch — не до конца еще разрабо­танной релятивистской квантовой теории (с ее наиболее успешной частью — квантовой электродинамикой). Всему кубу в целом отве­чает релятивистская квантовая теория гравитации, которая долж­на (по идее) описывать наш мир во всем его многообразии.

Из этих же констант (с, G, h) можно составить выражения для так называемых планковских величин — времени, расстояния, плотности. При выходе за границы, задаваемые этими величи­нами, мы должны использовать общую, еще не созданную тео­рию; так, для плотности граничное значение составляет порядка ю⁹³ г/см³. Пока же эта теория не создана, внутреннее устройство черной дыры в немалой степени остается предметом предполо­жений и домыслов.

К сожалению, именно в этой области лежат и наиболее «вкус­ные» идеи типа «машин времени», «пространственных мостов» и «ворот в другую Вселенную».

На внешний же мир гипотетическая внутренняя сингуляр­ность влияния оказать не может — по принципу «космиче­ской цензуры», разработанной английским ученым Роджером Пенроузом в 1969 году: прежде чем в результате гравитацион­ного коллапса неограниченно возрастет кривизна и разовьется

211

сингулярность, гравитационное поле достигнет такой силы, что перестанет выпускать информацию наружу, т. е. возникнет гори­зонт событий, окружающий сингулярность.

И вот теперь мы постепенно переходим к предпосылкам так называемого информационного парадокса черных дыр.

Черные дыры образуются на конечных стадиях эволюции мас­сивных звезд, причем массы, химический состав и внутреннее устройство этих звезд могут варьироваться в довольно широких пределах. Черные дыры ведут весьма бурную жизнь: они погло­щают окружающее вещество и целые звезды, излучают, могут сли­ваться, наконец. Существуют даже первичные черные дыры, об­разовавшиеся на начальных стадиях эволюции Вселенной. И если нижняя граница массы черной дыры (определенная из условия не­возрастания энтропии при коллапсе) определена довольно точно (примерно Ю¹⁵ г — впрочем, к первичным черным дырам это не от­носится), то верхняя до сих остается предметом предположений.

Казалось бы, такой разброс условий должен приводить к по­явлению разновидностей черных дыр, сильно отличающихся друг от друга — так же, как, например, отличаются звезды раз­ных спектральных классов и разных последовательностей.

Но на самом деле это не так. Усилиями многих ученых в 6о-х го­дах было показано, что черная дыра для внешнего наблюдателя характеризуется всего тремя величинами — массой М, моментом количества движения J (в случае вращающейся черной дыры) и электрическим зарядом Q (при его наличии). Все же осталь­ные индивидуальные особенности звезды-«родительницы» черной дыры в процессе гравитационного коллапса стираются. Отклонения от сферичности «высвечиваются» гравитационны­ми волнами, магнитное поле отрывается, остальная информа­ция исчезает под границей горизонта событий. Остается иде­ально сферичная область пространства (ведь никакой «твердой» поверхности у черной дыры, конечно же, нет).

Область идеально сферична даже в случае вращающейся чер­ной дыры, просто помимо горизонта событий у черной дыры по­является еще одна характерная поверхность — поверхность бес­конечного красного смещения, или же предел устойчивости. Она

212

совпадает с горизонтом событий на полюсах и, обладая централь­ноосевой симметрией, отходит на максимальное расстояние от него на экваторе. Решение для вращающейся черной дыры было получено Роем Керром в 1963 году, поэтому такие черные дыры зачастую называют керровскими (а невращающиеся, соответ­ственно, — шварцшильдовскими).

Между горизонтом событий и пределом устойчивости рас­полагается эргосфера. Обсуждение ее свойств — тема отдельного разговора, заметим лишь, что никакая материальная частица, попав в эргосферу, не может находиться в покое. Помимо этого, материальное тело способно не только проникнуть в эргосферу, но и выйти из нее за конечное время по часам далекого наблюда­теля. Причем при некоторых условиях — даже обладая энергией большей первоначальной. Впервые эти условия были определе­ны Роджером Пенроузом.

Таким образом, в мире черных дыр полностью отсутствует индивидуальность, все различие между ними может заключать­ся максимум в трех параметрах. Эта теорема получила широкую известность в шутливой формулировке, данной американским астрофизиком Джоном Уилером: «У черных дыр нет волос» (именно Уилеру, кстати, принадлежит авторство и самого тер­мина «черная дыра», впервые предложенного им в 1969 году. До этого использовались термины «темные» или «застывшие» звезды).