Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики

Если бы Солнце было немного — раза в полтора — тяжелее, добавочная масса стиснула бы его сильнее, чем до состояния белого карлика. Электроны в звезде вдавились бы в протоны, образуя невероятно плотный шар из нейтронов. Нейтронная звезда столь плотна, что одна лишь чайная ложка её вещества весит несколько миллиардов тонн. Но и нейтронная звезда ещё не искомая тёмная; скорость убегания с её поверхности уже близка к скорости света (около 80 % c), но всё же не равна ей.

Если коллапсирующая звезда ещё тяжелее, скажем, в пять раз массивнее Солнца, тогда даже плотный нейтронный шар не сможет противостоять сжимающему гравитационному притяжению. В результате финального направленного внутрь взрыва звезда сожмётся в сингулярность — точку почти бесконечной плотности и разрушительной силы. Скорость убегания для этого крошечного ядра многократно превосходит скорость света. Так возникает тёмная звезда, или, как мы сегодня говорим, чёрная дыра.

Эйнштейну так не нравилось само представление о чёрных дырах, что он отрицал возможность их существования, утверждая, что они никогда не смогут образоваться. Но нравится это Эйнштейну или нет, чёрные дыры — это реальность. Сегодня астрономы запросто изучают их, причём не только одиночные сколлапсировавшие звёзды, но и находящиеся в центрах галактик чёрные гиганты, образованные слиянием миллионов и даже миллиардов звёзд.

Компьютерная модель чёрной дыры в 10 солнечных масс

Солнце недостаточно массивно, чтобы самостоятельно сжаться в чёрную дыру, но, если помочь ему, сдавив его в космических тисках до радиуса в 3 км, оно стало бы чёрной дырой. Можно подумать, что, если потом ослабить тиски, оно снова раздуется, скажем, до 100 км, но в действительности будет уже поздно: вещество Солнца перейдёт в состояние своего рода свободного падения. Поверхность быстро преодолеет радиус в одну милю, один метр, один сантиметр. Никакие остановки невозможны, пока не образуется сингулярность, и этот коллапс необратим.

Представьте, что мы находимся вблизи чёрной дыры, но в точке, отличной от сингулярности. Сможет ли свет, выйдя из этой точки, покинуть чёрную дыру? Ответ зависит как от массы чёрной дыры, так и от конкретного места, из которого свет начинает своё движение. Воображаемая сфера, называемая горизонтом [21], делит Вселенную на две части. Свет, который идёт изнутри горизонта, неминуемо будет затянут в чёрную дыру, однако свет, идущий извне горизонта, может чёрную дыру покинуть. Если бы Солнце стало однажды чёрной дырой, радиус его горизонта составил бы около 3 км.

Радиус горизонта называют шварцшильдовским радиусом в часть астронома Карла Шварцшильда, который первым стал изучать математику чёрных дыр. Шварцшильдовский радиус зависит от массы чёрной дыры; на самом деле он ей прямо пропорционален. Например, если массу Солнца заменить тысячей солнечных масс, у светового луча, испущенного с расстояния в 3 или 5 км, не будет шансов уйти прочь, поскольку радиус горизонта вырастет тысячекратно, до трёх тысяч километров.

Пропорциональность между массой и радиусом Шварцшильда — первое, что физики узнали о чёрных дырах. Земля примерно в миллион раз менее массивна, чем Солнце, поэтому её шварцшильдовский радиус в миллион раз меньше солнечного. Для превращения в тёмную звезду её пришлось бы сжать до размеров клюквины. Для сравнения: в центре нашей Галактики притаилась гигантская чёрная дыра со шварцшильдовским радиусом около 150 000000 км — примерно как у земной орбиты вокруг Солнца. А в других уголках Вселенной встречаются и ещё более крупные монстры.

Приливы и 2000-мильный человек

Что заставляет моря подниматься и отступать, как будто ежедневно они делают два глубоких вдоха-выдоха? Дело, конечно, в Луне, но как она это делает и почему дважды в день? Я сейчас объясню, но сначала расскажу о падении 2000-мильного человека.

Представьте себе гиганта, ростом от темечка до пяток в 2000 миль (3200 км), который падает ногами вперёд из космоса на Землю. Далеко в открытом космосе гравитация слаба, так слаба, что он ничего не чувствует. Однако по мере приближения к Земле в его длинном теле возникает странное ощущение: но это не чувство падения, а чувство натяжения.

Дело не в ускорении гиганта в направлении Земли. Причина его дискомфорта в том, что гравитация в космосе неоднородна. Вдалеке от Земли она почти полностью отсутствует. Но по мере того как он приближается, гравитация возрастает. 2000-мильному человеку это доставляет неприятности, даже когда он находится в свободном падении. Бедняга столь высок, что его ноги притягиваются гораздо сильнее, чем голова. Результирующий эффект — неприятное чувство, как будто его ноги и голову тянут в противоположных направлениях.

Пожалуй, он мог бы избежать растяжения, падая в горизонтальном положении, так, чтобы ноги и голова были на одной высоте. Но когда гигант это попробует, то столкнётся с другим неудобством: чувство натяжения сменяется равным чувством сжатия. Он чувствует, что его голова придавливается к ногам.

Чтобы понять, почему так происходит, представим на время, что Земля плоская. Вертикальные линии со стрелками указывают направление гравитационных сил, тянущих, естественно, прямо вниз.

Более того, сила гравитационного притяжения совершенно одинакова. У 2000-мильного человека в таких условиях не было бы проблем, падай он в вертикальном положении или в горизонтальном, — по крайней мере, пока он не долетит до земли.

Но Земля не плоская. Как сила, так и направление её тяготения меняются. Вместо того чтобы тянуть в одном направлении, гравитация притягивает прямо к центру планеты, как показано здесь:

Это порождает новые проблемы для гиганта, когда он падает горизонтально. Силы, действующие на его голову и ноги, не будут одинаковыми, поскольку гравитация, тянущая их к центру Земли, будет прижимать его голову к ногам, вызывая странное ощущение сдавливания.

Вернёмся к вопросу об океанских приливах. Причина двукратных ежедневных подъёмов и спадов моря та же, что вызывает дискомфорт у 2000-мильного человека: неоднородность гравитации. Только в данном случае это гравитация лунная, а не земная. Лунное притяжение сильнее всего действует на океаны на той стороне Земли, которая обращена к Луне, а слабее всего — на противоположной стороне. Может показаться, что Луна должна порождать один океанский горб на ближней стороне, но это ошибка. По той же причине, по которой голова высокого человека оттягивается от его ног, вода с двух сторон Земли — ближней и дальней — выпячивается над её поверхностью. Один из способов понять это — считать, что на ближней стороне Луна оттягивает воду от Земли, а на дальней — Землю от воды. В результате получается два горба на противоположных сторонах Земли, обращённых к Луне и от неё. Пока Земля делает один оборот под этими горбами, каждая точка на её поверхности испытывает два прилива.

Деформирующие силы, вызванные изменениями величины и направления гравитационного притяжения, называют приливными силами, будь они вызваны Луной, Землёй, Солнцем или любым другим массивным небесным телом. Может ли человек обычных размеров почувствовать приливные силы, например, когда прыгает с трамплина в воду? Нет, но лишь потому, что мы так малы, что земное гравитационное поле практически не меняется в пределах тела.