Осторожно — черная дыра! (часть 1)



Два слова о термине
По количеству публикаций — как научных, так и популярных — проблема черных дыр и сингулярности занимает сейчас, видимо, одно из первых мест среди книг и статей по физике и астрономии. До конца шестидесятых годов появлялись буквально считанные работы, касающиеся черных дыр, а «широкая общественность» вообще ничего об этой проблеме не знала. Впрочем, не знала потому, что не было еще и самого термина. Термина не было, но теоретически полученный объект, известный теперь всем как черная дыра, был и назывался специалистами по-разному — гравитационный коллапс, коллапсирующая звезда, гравитационная могила, непрерывный коллапс, застывшая звезда, умершая звезда, объект под сферой Шварцшильда... Каждое из этих названий схватывало некую черту, сторону многоименного объекта, но все они, согласитесь, чем-то уступают образному, хотя и несколько зловещему сочетанию — черная дыра.
Сейчас, пожалуй, уже трудно установить, кто ввел его. Сразу после первых публикаций по поводу недавно открытых пульсаров - в 1967 году — термин этот употреблялся как жаргонный только в устных сообщениях в узком кругу     молодых     профессионалов.
Когда же его стали использовать-в своих публикациях такие физики «с именем», как Уилер, Торн, Пенроуз, Хокинг, словосочетание «черные дыры» завоевало право гражданства, быстро вытеснив своих терминологических конкурентов — правда, поначалу «черные дыры» брали еще в кавычки. Если не быть слишком строгими и позволить себе чуть-чуть отвлечься от физики, то можно вспомнить, что словами «черные дыры» М. Е. Салтыков-Щедрин называл провинциальные русские городки XIX века, в которых бесследно гибла любая живая мысль,— как мы увидим ниже, между этими черными дырами и астрономическими есть какое-то сходство.
Термин «сингулярность», который теперь всегда всплывает, если речь идет о черных дырах, возник значительно раньше — в начале тридцатых годов нашего века; в переводе с латыни «сингулярность» означает особенность, единственность. Хотя сингулярность как особая точка  «сидит»  внутри  черной дыры и потому, казалось бы, ее должны были открыть позже или одновременно с черной дырой, произошло иначе — сначала теоретически была открыта сингулярность и только спустя много лет — черные дыры.

Из истории и психологии открытия
Сингулярность впервые появилась в расчетах ленинградского математика А. А. Фридмана в 1922— 1924 годах. Он показал, что если обратить в уравнениях Эйнштейна, описывающих расширяющуюся Вселенную, время вспять, или, что то же самое, рассмотреть сжимающуюся Вселенную, то окажется, что материя будет занимать все меньший объем и, наконец, должна вся, без остатка, сжаться в точку, превратиться, по словам Фридмана, в ничто. Это «место», за неимением термина, Фридман называл довольно длинно: точка с радиусом кривизны, равным нулю. «Точечная Вселенная», из которой возникает наш мир, имела, стало быть, нулевой объем и бесконечную плотность. Пространство в «точечной Вселенной» схлопывается, перестает существовать, подобно тому, как исчезает окружность, радиус которой стал равен нулю. То же самое относится и ко времени.
Несколько    позже     выяснилось, что «точечная Вселенная» вообще характеризуется набором бесконечных и потому не имеющих смысла, в рамках физики, величин — кроме плотности, там бесконечны гравитационные потенциалы, приливные силы, температура. В общем, в результате манипуляций с уравнениями получилось нечто физически бессмысленное, названное сингулярностью, и не случайно Фридман однажды назвал эту особенность курьезом.
Таким образом, сингулярность была получена не как «начинка» черной дыры, а носила космологический характер как начало расширяющейся Вселенной или как конец сжимающейся, то есть относилась к невообразимо далекому прошлому либо к будущей Вселенной. Сингулярность во фридмановских моделях Вселенной долгое время не считалась физической реальностью — действительно, казалось бы, зачем ее принимать серьезно в расчет, если моделей Вселенной имелось (и имеется) множество, и лишь некоторая часть из них приводит к сингулярности, да и в них она носит абстрактно-гипотетический характер. Предполагалось, что отсутствие симметрии, большие скорости звезд, вращение, флуктуации, вязкость или еще что-нибудь никогда не позволят в будущем и не позволяли в прошлом «настоящей Вселенной» превратиться в ничто, в сингулярность. Поэтому сингулярность рассматривалась как некая математическая экзотика, физический фантом, и психологической потребности у физиков-теоретиков в ее изучении не возникало.
С историей открытия черной дыры дело обстояло в психологическом отношении похоже. Тогда же, когда Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, немецкий астроном Карл Шварцшильд дал решение ее уравнений для гравитационного поля, создаваемого центрально-симметричной массой. В результате решения была получена некая величина, названная гравитационным, или шварцшильдовским радиусом, а сфера этого радиуса — сферой Шварцшильда. Величина эта, если ее вычислить для какого-нибудь реального астрономического тела, весьма мала,— скажем, для Солнца 2,96 километра, а для Земли 0,8 сантиметра.
Сфера Шваршильда обладала рядом интересных свойств — она ярко демонстрировала относительность понятия времени, с ее поверхности не мог вырваться вовне никакой материальный объект, включая свет,— казалось бы, вот она, черная дыра. Правда не совсем, ибо понятие черной дыры включает в себя также расчет процессов, точнее, решение уравнений движения не только до и на сфере Шварц-шильда, но и под ней. Но... это решение было дано Ю. Оппенгей-мером и Г. Снайдером только в 1939 году. Можно было бы подумать, что черную дыру открыли теоретически так поздно только из-за печальных случайностей, скажем, потому, что сам Карл Шварцшильд умер буквально через несколько месяцев после написания своей статьи (в 1916 году), или потому, что Эйнштейн после 1917 года весь свой интеллектуальный потенциал направил на создание теории, объединяющей гравитационные и электромагнитные взаимодействия, и мало интересовался специфическими решениями уравнений гравитации. Однако это не так.
Сфера Шварцшильда не могла долгое время стать физическим объектом (хотя бы и теоретическим) по нескольким причинам. Прежде всего, с физической точки зрения казалось совершенно немыслимым сжать какое-нибудь реальное тело, звезду например, диаметром в несколько миллионов километров до гравитационного радиуса всего в несколько километров, так что гравитационный радиус Шварцшильда считался чем-то вроде абстрактной фикции. В лучшем случае его можно было принять за идеализацию вроде абсолютно твердого тела, абсолютно черного тела, идеального газа, которых, как хорошо известно, в реальности нет и быть в принципе не может...
Вот почему понятно огорчение, которое испытывали многие физики после того, как черные дыры стали, можно сказать, научной сенсацией. Известный американский астроном и физик индийского происхождения С. Чандрасекар несколько лет назад с нескрываемым сожалением говорил о том, как он в 1934 году не поверил в такой объект, как черная дыра, и отказался от чести теоретически открыть его, объясняя это полным неприятием идеи черной дыры ведущими космолога ми того периода, включая А. Эддингтона и Э. Милна.

Черные дыры признаны
Резкий перелом в отношении к черным дырам и сингулярности произошел после 1967 года, когда английский астроном Э. Хьюиш с сотрудниками   открыл   пульсары   и отождествил их с нейтронными звездами, теоретически рассчитанными Ю. Оппенгеймером и Г. Волковым тогда же, что и черные дыры (1939 год). Открытие нейтронных звезд вызвало естественную аналогию: нейтронные звезды и черные дыры получены с помощью одного и того же математического аппарата общей теории относительности, нейтронные звезды — физическая реальность, значит, таковой могут быть и черные дыры. В конце 1970 года с американского исследовательского спутника «Ухуру» был открыт рентгеновский источник «Лебедь Х-1», ныне практически общепризнанный кандидат в черные дыры, а за последующие годы открыто еще не менее десяти кандидатов.
Надо сказать, что все-таки до середины семидесятых годов существование черных дыр, казалось, противоречило некоторым фундаментальным законам физики. Эти противоречия вызвали к жизни ряд работ, «примиривших» черные дыры   с   термодинамикой.      Вначале американский физик Д. Бекенштейн показал, что свойства черной дыры не противоречат второму началу термодинамики, что энтропия черной дыры может только расти — это означает одновременно уменьшение информации о ее. «внутреннем устройстве». При образовании черной дыры у вещества исчезают, погребенные под сферой Шварцшильда, все свойства, кроме массы, электрического заряда и (в случае вращения) момента вращения. Внешний наблюдатель теряет информацию о частицах при их коллапсе в черную дыру (их становится невозможно идентифицировать), и эта потеря соответствует максимальному росту энтропии.
Окончательно термодинамические возражения против черной дыры были устранены открытием в 1974 году молодым английским теоретиком С. Хокингом так называемого испарения черных дыр. Испарение представляет собой порождение в сильном гравитационном поле черной дыры (за счет квантовых флуктуации) фотонов и других элементарных частиц, благодаря чему масса черной дыры со временем уменьшается, как бы переходя во внешнее излучение. Открытие этого эффекта, которое многие физики считают одним из самых значительных достижений после создания теории относительности, устанавливает полное совпадение излучения черной дыры с излучением обычного нагретого тела. Испарение черной дыры превратило этот объект из своего рода мистической «гравитационной могилы», из объекта, который никогда не мог перейти ни в какое иное состояние, в разряд обычных эволюционирующих объектов.
Правда, «обычных» в кавычках. Во-первых, сам механизм испарения необычен. Он связан с представлением о вакууме как о пространстве, «забитом» до отказа парами виртуальных (возможных) частиц-античастиц. Мощные гравитационные силы в окрестности сингулярности, сидящей «внутри» черной дыры, разрывают виртуальные пары на отдельные частицы и анти- частицы и заряжают их достаточной энергией, чтобы превратить из виртуальных в обычные, наблюдаемые. Затем благодаря тоннельному эффекту частицы, обладающие одновременно волновыми свойствами, могут просочиться через сферу Шварцшильда наружу (тоннелировать через потенциальный барьер) и быть зарегистрированными удаленным наблюдателем. Скорость излучения просочившихся частиц и обеспечивает как раз температуру черной дыры.
Здесь уместно сказать, что судьба самого Хокинга не менее поразительна, чем его открытия. Этот молодой профессор Кембриджского университета уже в 1970 году, в возрасте 28 лет, стал одним из ведущих теоретиков-космологов. К этому времени Хокинг был совершенно поражен редкой формой амиотрофического склероза, который превратил его в полного инвалида. Он даже не может писать, его невнятную речь разбирают только близкие ему люди. Все математические выкладки Хокинг составляет и держит в уме.    «Такое положение дел,— говорит он,— заставляет меня искать какой-то общий подход и, вероятно, если бы я пользовался для своих вычислений бумагой, я бы никогда не смог найти кратчайший путь к решению поставленных перед собой вопросов. Другой положительной стороной моего беспомощного состояния является то, что я не знаю, как долго я еще проживу. А это до такой степени сокращает предъявляемые мною к жизни требования, что для меня дорог каждый прожитый час жизни... у меня очень много времени остается для того, чтобы сидеть и думать. Я считаю, что у меня даже больше оснований считать себя счастливым сейчас, чем если бы я был здоровым человеком».

Продолжении статьи - читать.