1. Знание

«Черные дыры страннее всего, что выдумывали писатели-фантасты». Стивен Хокинг — о самых загадочных космических объектах

Почему для ученых они такие невероятные

© Фото: Wikimedia / Коллаж: Вика Шибаева

Фи­зик-тео­ре­тик Сти­вен Хокинг чи­тал лек­ции о чер­ных ды­рах в эфи­ре BBC Ra­dio 4. Имен­но он сде­лал кос­мо­ло­гию по­пу­ляр­ной на­у­кой и мно­гие годы изу­чал эф­фек­ты, свя­зан­ные с чер­ны­ми ды­ра­ми. Те­перь его лек­ции до­ступ­ны в рус­ском пе­ре­во­де — в сбор­ни­ке из­да­тель­ства АСТ «Чер­ные дыры. Лек­ции BBC». «Цех» пуб­ли­ку­ет фраг­мент о том, по­че­му эти кос­ми­че­ские объ­ек­ты так удив­ля­ли уче­ных.







Го­во­рят, что ино­гда фак­ты ока­зы­ва­ют­ся бо­лее уди­ви­тель­ны­ми, чем вы­мы­сел — и это как нель­зя бо­лее спра­вед­ли­во в от­но­ше­нии чер­ных дыр. Име­ю­щие твер­дое на­уч­ное обос­но­ва­ние, чер­ные дыры «стран­нее» все­го, что ко­гда-либо вы­ду­мы­ва­ли пи­са­те­ли-фан­та­сты. На­уч­ное со­об­ще­ство дол­го си­ли­лось при­ми­рить­ся с иде­ей о том, что мас­сив­ные звез­ды мо­гут кол­лап­си­ро­вать — сжи­мать­ся — сами по себе, под дей­стви­ем соб­ствен­ной силы тя­же­сти, и о том, как та­кие объ­ек­ты мог­ли бы эво­лю­ци­о­ни­ро­вать, если были бы предо­став­ле­ны сами себе. Аль­берт Эйн­штейн в 1939 году даже на­пи­сал ста­тью, в ко­то­рой утвер­ждал, что звез­ды не мо­гут кол­лап­си­ро­вать под дей­стви­ем гра­ви­та­ци­он­ных сил, по­то­му что ве­ще­ство не мо­жет быть сжа­то силь­нее опре­де­лен­но­го пре­де­ла. Мно­гие со­вре­мен­ни­ки Эйн­штей­на до­ве­ря­ли его ин­ту­и­ции и вполне раз­де­ля­ли его мне­ние, а глав­ным оп­по­нен­том был аме­ри­кан­ский уче­ный Джон Уи­лер, во мно­гих от­но­ше­ни­ях один из глав­ных пер­со­на­жей в ис­то­рии чер­ных дыр. В ра­бо­тах 1950–1960-х го­дов Уи­лер под­чер­ки­вал, что мно­гие звез­ды на фи­наль­ной ста­дии эво­лю­ции мо­гут кол­лап­си­ро­вать, и ука­зы­вал на воз­ни­ка­ю­щие в свя­зи с этим про­бле­мы для тео­ре­ти­че­ской фи­зи­ки. Уче­ный пред­ви­дел и мно­гие свой­ства объ­ек­тов — чер­ных дыр, — в ко­то­рые пре­вра­ща­ют­ся кол­лап­си­ру­ю­щие звез­ды.

Дэ­вид Шук­ман, на­уч­ный ре­дак­тор BBC: Сло­во­со­че­та­ние «чер­ная дыра», как ка­жет­ся, вполне до­ступ­но для по­ни­ма­ния, од­на­ко труд­но во­об­ра­зить та­кой объ­ект в кос­ми­че­ском про­стран­стве. Мне пред­став­ля­ет­ся что-то вро­де ги­гант­ской вра­ща­ю­щей­ся во­рон­ки, по ко­то­рой ве­ще­ство спус­ка­ет­ся по спи­ра­ли вниз, к цен­тру. Сто­ит ка­ко­му-либо объ­ек­ту ока­зать­ся на краю этой во­рон­ки, на­зы­ва­е­мом «го­ри­зон- том со­бы­тий», — и пути на­зад не бу­дет. Об­ла­дая неве­ро­ят­но мощ­ной гра­ви­та­ци­ей, чер­ные дыры вса­сы­ва­ют даже свет, и по­это­му фак­ти­че­ски та­кие объ­ек­ты неви­ди­мы для на­блю­да­те­ля. Уче­ные узна­ют об их су­ще­ство­ва­нии по разо­рван­ным в кло­чья звез­дам, имев­шим неосто­рож­ность ока­зать­ся слиш­ком близ­ко, а еще по «дро­жи про­стран­ства». По­след­нее про­ис­хо­дит, на­при­мер, в ре­зуль­та­те сли­я­ния двух чер­ных дыр, при ко­то­ром рож­да­ют­ся гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны. Одно та­кое со­бы­тие, про­изо­шед­шее бо­лее мил­ли­ар­да лет на­зад, было недав­но за­ре­ги­стри­ро­ва­но уче­ны­ми, что яви­лось зна­чи­тель­ным на­уч­ным до­сти­же­ни­ем.

На про­тя­же­нии мно­гих мил­ли­ар­дов лет сво­е­го су­ще­ство­ва­ния обыч­ная звез­да под­дер­жи­ва­ет рав­но­ве­сие гра­ви­та­ци­он­ных сил и теп­ло­во­го дав­ле­ния, вы­зван­но­го ядер­ны­ми про­цес­са­ми пре­об­ра­зо­ва­ния во­до­ро­да в ге­лий.

Д.Ш.: НАСА опи­сы­ва­ет звез­ды как эда­кие ско­ро­вар­ки: взрыв­ная мощ­ность ядер­но­го син­те­за внут­ри звезд со­зда­ет внеш­нее дав­ле­ние, ко­то­рое пре­пят­ству­ет си­лам гра- ви­та­ци­он­но­го сжа­тия.

На­сту­па­ет мо­мент, ко­гда звез­да ис­чер­пы­ва­ет свое ядер­ное топ­ли­во. И то­гда она на­чи­на­ет сжи­мать­ся. В неко­то­рых слу­ча­ях звез­да до­сти­га­ет со­сто­я­ния рав­но­ве­сия, пре­вра­ща­ясь в бе­ло­го кар­ли­ка. Од­на­ко, как в 1930 году вы­чис­лил Суб­ра­ма­ньян Чанд­рас­е­кар, мак­си­маль­но воз­мож­ная мас­са та­ко­го объ­ек­та не долж­на пре­вы­шать 1,4 сол­неч­ной мас­сы. К та­ко­му же вы­во­ду при­шел и со­вет­ский фи­зик Лев Лан­дау, про­ве­дя рас­чет для звез­ды, це­ли­ком со­сто­я­щей из ней­тро­нов.

Д.Ш.: Бе­лые кар­ли­ки и ней­трон­ные звез­ды ко­гда-то тоже были солн­ца­ми, но с тех пор со­жгли все топ­ли­во. Ис­чер­па­лись раз­ду­ва­ю­щие их силы, и боль­ше ни­че­го не мог­ло оста­но­вить их гра­ви­та­ци­он­ное сжа­тие. Так они ста­ли од­ни­ми из са­мых плот­ных объ­ек­тов во Все­лен­ной. Од­на­ко по срав­не­нию с дру­ги­ми звез­да­ми их раз­ме­ры неве­ли­ки. Это озна­ча­ет, что их гра­ви­та­ци­он­ное поле не на­столь­ко силь­но, что­бы за­ста­вить их пол­но­стью кол­лап­си­ро­вать. Са­мое ин­те­рес­ное — для Сти­ве­на Хокин­га и дру­гих ис­сле­до­ва­те­лей — это то, что слу­ча­ет­ся с са­мы­ми боль­ши­ми звез­да­ми, ко­гда их жиз­нен­ный путь бли­зит­ся к за­вер­ше­нию.

Что же про­изой­дет при пол­ном ис­чер­па­нии ядер­но­го топ­ли­ва с огром­ным ко­ли­че­ством звезд, мас­са ко­то­рых боль­ше мас­сы бе­ло­го кар­ли­ка или ней­трон­ной звез­ды? Этой про­бле­мой за­ни­мал­ся Ро­берт Оп­пен­гей­мер, имя ко­то­ро­го свя­за­но с со­зда­ни­ем атом­ной бом­бы. В несколь­ких ста­тьях, на­пи­сан­ных в 1939 году сов­мест­но с Джор­джем Вол­ко­вым и Харт­л­эн­дом Снай­де­ром, он по­ка­зал, что су­ще­ство­ва­ние та­кой звез­ды не мо­жет под­дер­жи­вать­ся ее соб­ствен­ным внут­рен­ним дав­ле­ни­ем. Если взять про­стую за­да­чу, рас­смат­ри­ва­ю­щую сжа­тие од­но­род­но­го сфе­ри­че­ско­го тела, ис­клю­чив из рас­че­та дав­ле­ние, то по­лу­чит­ся, что та­кое тело со­жмет­ся в точ­ку с бес­ко­неч­ной плот­но­стью. Та­кая точ­ка на­зы­ва­ет­ся син­гу­ляр­но­стью.

Д.Ш.: Син­гу­ляр­ность — это то, что по­лу­чит­ся в ко­неч­ном ито­ге, если ги­гант­ская звез­да со­жмет­ся в нево­об­ра­зи­мо ма­лый объ­ект. Имен­но син­гу­ляр­ность ока­за­лось клю­че­вой те­мой на­уч­ных ис­сле­до­ва­ний Сти­ве­на Хокин­га. Это по­ня­тие от­но­сит­ся не толь­ко к фи­наль­ной ста­дии эво­лю­ции мас­сив­ной звез­ды, но и к куда бо­лее фун­да­мен­таль­ной идее о на­чаль­ной точ­ке за­рож­де­ния всей Все­лен­ной. Ми­ро­вую из­вест­ность Хокин­гу при­нес­ли ма­те­ма­ти­че­ские ра­бо­ты о син­гу­ляр­но­стях.

Все наши тео­рии о про­стран­стве ос­но­ва­ны на пред­по­ло­же­нии, что про­стран­ство-вре­мя глад­кое и по­чти плос­кое и что оно «ло­ма­ет­ся» толь­ко внут­ри син­гу­ляр­но­сти, где кри­виз­на про­стран­ства-вре­ме­ни ста­но­вит­ся бес­ко­неч­ной. В дей­стви­тель­но­сти син­гу­ляр­ность обо­зна­ча­ет ко­нец са­мо­го вре­ме­ни — факт, ко­то­рый Эйн­штейн счи­тал со­вер­шен­но непри­ем­ле­мым.

Д.Ш.: Со­глас­но об­щей тео­рии от­но­си­тель­но­сти Эйн­штей­на все тела вбли­зи себя ис­ка­жа­ют про­стран­ство-вре­мя. На­гляд­ную ил­лю­стра­цию сил гра­ви­та­ци­он­но­го при­тя­же­ния пред­став­ля­ет тя­же­лый шар для игры в бо­улинг, ле­жа­щий на ба­ту­те: по­верх­ность про­ги­ба­ет­ся, вы­нуж­дая рас­по­ло­жен­ные ря­дом с ша­ром неболь­шие пред­ме­ты со­скаль­зы­вать в углуб­ле­ние во­круг него. Если мас­са шара очень ве­ли­ка, то пред­ме­ты опус­ка­ют­ся глуб­же и глуб­же, в неко­то­ром пре­де­ле па­дая в бес­ко­неч­но глу­бо­кий ко­ло­дец, в ко­то­ром пе­ре­ста­ют дей­ство­вать обыч­ные за­ко­ны про­стран­ства-вре­ме­ни.