Страница 7 из 88
Схождение в преисподнюю
Низшёл путём лесистым в мрак пучин.
Для человека, падающего в чёрную дыру солнечной массы, приливные силы уже не будут столь слабыми. Огромная масса, сжатая в крошечный объём чёрной дыры, делает гравитацию вблизи горизонта не только очень сильной, но ещё и крайне неоднородной. Задолго до подлёта к радиусу Шварцшильда, на расстоянии более 100 000 км от чёрной дыры, приливные силы вызовут сильнейший дискомфорт. Подобно 2000-мильному человеку, вы окажетесь слишком велики для быстро меняющегося гравитационного поля чёрной дыры. К моменту сближения с горизонтом вы деформируетесь — почти как зубная паста, выдавливаемая из тюбика.
Есть два способа справиться с приливными силами на горизонте чёрной дыры: уменьшиться самому или сделать больше чёрную дыру. Бактерия не заметила бы приливных сил на горизонте чёрной дыры солнечной массы, но и вы не почувствовали бы приливных сил на горизонте чёрной дыры в миллион солнечных масс. Это может показаться странным, поскольку воздействие гравитации более массивной чёрной дыры сильнее. Но в этом суждении игнорируется важный факт: горизонт крупной чёрной дыры настолько велик, что будет казаться почти плоским. Вблизи горизонта гравитационное поле будет очень сильным, но практически однородным.
Если вы немного знакомы с ньютоновской теорией гравитации, то сможете рассчитать приливные силы на горизонте тёмной звезды. И тогда окажется, что чем она больше и массивнее, тем меньше приливные силы на горизонте. Поэтому пересечение горизонта очень большой чёрной дыры будет ничем не примечательным событием. Но в итоге от приливных сил не спастись даже в величайшей из чёрных дыр. Её размеры лишь отсрочат неизбежное. В конце концов неминуемое падение к сингулярности будет столь же ужасным, как и любая пытка, придуманная Данте или применённая Торквемадой в процессах испанской инквизиции. (В памяти всплывает дыба.) Даже мельчайшая бактерия будет разорвана на части вдоль вертикальной оси и сплющена по горизонтальной. Небольшие молекулы проживут дольше бактерий, а атомы ещё немного дольше. Но рано или поздно сингулярность одержит верх даже над отдельным протоном. Не знаю, прав ли Данте, утверждая, что ни один грешник не избежит адских мук, но я совершенно уверен: ничто не сможет устоять против чудовищных приливных сил вблизи сингулярности чёрной дыры.
Но, несмотря на всю чуждость и брутальность свойств сингулярности, не в ней заключены глубочайшие загадки чёрной дыры. Мы знаем, что происходит с любым объектом, который угораздило попасть в чёрную дыру, — судьба его незавидна. Однако нравится нам сингулярность или нет, она и близко не подходит по парадоксальности к горизонту. В современной физике практически ничто не вызывало большей путаницы, чем вопрос о том, что происходит с материей, когда она проваливается сквозь горизонт? Любой ваш ответ, вероятно, будет ошибочным.
Митчел и Лаплас жили задолго до рождения Эйнштейна и не могли знать о двух открытиях, совершённых им в 1905 году. Первым из них была специальная теория относительности, в основе которой лежит принцип: ничто — ни свет, ни что-либо другое — никогда не может превысить скорость света. Митчел и Лаплас понимали, что от тёмной звезды не может уйти свет, но они не догадывались о невозможности этого ни для чего другого.
Вторым открытием Эйнштейна, сделанным в 1905 году, было то, что свет действительно состоит из частиц. Вскоре после того, как Митчел и Лаплас выдвинули свои соображения относительно тёмных звёзд, ньютоновская корпускулярная теория света оказалась в опале. Накопились доказательства того, что свет состоит из волн, подобных звуковым или тем, что бегут по поверхности моря. К 1865 году Джеймс Клерк Максвелл показал, что свет состоит из колеблющихся электрического и магнитного полей, которые распространяются сквозь пространство со скоростью света, и корпускулярная теория вовсе перестала подавать признаки жизни. Похоже, никто и не задумывался, что электромагнитные волны тоже могут притягиваться гравитацией, так что тёмные звёзды были забыты.
Забыты, пока в 1917 году астроном Карл Шварцшильд не решил уравнения новой, общей теории относительности Эйнштейна и не переоткрыл тёмные звёзды[23].
Принцип эквивалентности
Как и большинство эйнштейновских работ, общая теория относительности была сложной и изысканной, но она строилась на исключительно простых наблюдениях. Фактически они настолько элементарные, что были доступны каждому, но никто их не сделал.
Это было в стиле Эйнштейна — делать далеко идущие выводы из простейших мысленных экспериментов. (Лично меня этот способ мышления восхищает более всех прочих.) В случае общей теории относительности в мысленном эксперименте участвовал наблюдатель в лифте. Учебники часто модернизируют эксперименты, заменяя лифт ракетой, но в эпоху Эйнштейна лифты были захватывающей новой технологией. Он первым представил себе лифт, свободно плывущий в открытом космосе, вдали от любых тяготеющих объектов. Всякий, кто находится в таком лифте, будет испытывать полную невесомость, а снаряды будут пролетать мимо по идеально прямым траекториям с постоянной скоростью.
С лучами света будет происходить то же самое, но, конечно, на скорости света.
Далее Эйнштейн представил, что случится, если начать ускорять лифт вверх, скажем, с помощью кабеля, прикреплённого к какому-то далёкому якорю, или посредством укреплённых под днищем ракет. Пассажиров начнёт прижимать к полу, а траектории снарядов станут загибаться вниз, образуя параболические орбиты. Всё будет в точности также, как и под воздействием гравитации. Все знают об этом со времён Галилея, но Эйнштейну выпало превратить этот простой факт в новый мощный физический принцип. Принцип эквивалентности гласит, что не существует абсолютно никакой разницы между воздействием гравитации и воздействием ускорения. Никакой эксперимент, проведённый внутри лифта, не позволит отличить, покоится лифт в гравитационном поле или ускоряется в открытом космосе.
Само по себе это не было удивительно, однако имело важнейшие следствия. В то время, когда Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности, было очень мало известно о том, как гравитация влияет на другие явления, такие как течение электричества, поведение магнитов или распространение света Согласно эйнштейновскому подходу, начинать следовало с того, чтобы разобраться, как на все эти явления воздействует ускорение. При этом обычно не появлялось какой-то новой физики. Всё, что делал Эйнштейн, — это представлял себе, как известные явления будут выглядеть в ускоряющемся лифте. А затем принцип эквивалентности подсказывал ему, каково будет влияние гравитации.
В первом примере рассматривалось поведение света в гравитационном поле. Представьте себе световой луч, движущийся горизонтально слева направо поперёк лифта. Если бы лифт свободно двигался вдали от любых тяготеющих масс, свет шёл бы по идеально прямой горизонтальной линии.
Но теперь допустим, что лифт ускоряется вверх. Свет начинает движение с левой стороны лифта в горизонтальном направлении, но из-за того, что лифт ускоряется, ко времени прихода на другую его сторону у света появится составляющая движения, направленная вниз. С одной точки зрения, лифт ускоряется вверх, но, с другой, — его пассажирам кажется, что свет ускоряется вниз.
Фактически световой луч искривляется так же, как и траектория очень быстрой частицы. Этот результат никак не зависит от того, состоит свет из волн или из частиц; это просто эффект направленного вверх ускорения. Но, рассуждал Эйнштейн, если ускорение заставляет изгибаться траекторию светового луча, то же самое должна делать и гравитация. В действительности можно сказать, что гравитация притягивает свет и заставляет его падать. Это полностью совпадает с догадками Митчела и Лапласа.
22
Перевод Д. Мина. — Прим. перев.
23
Чёрные дыры бывают разных видов. В частности, они могут вращаться вокруг своей оси, если вращалась исходная звезда (в той или иной мере вращаются все звёзды), и они могут быть электрически заряжены. Сбросив электрон в чёрную дыру, мы её зарядим. Шварцшильдовскими чёрными Дырами принято называть только те, которые не вращаются и не имеют заряда.