Пять возрастов Вселенной

Несмотря на то, что происхождение сверхмассивных черных дыр в центрах галактик еще до конца не изучено, они появились, когда первичные газовые облака коллапсировали, образуя галактики. Когда начинается коллапс галактики, в центре рождающейся галактики собирается столько вещества, новорожденных звезд и газа, что просто вынуждена образоваться черная дыра. Когда рождается черная дыра, переполненные окрестности ядра молодой галактики естественным образом заставляют дыру поглощать все больше и больше вещества, которое подходит слишком близко, вследствие чего черная дыра постоянно увеличивается. Квазары, чрезвычайно ярко светящиеся ядра далеких и древних галактик, «питаются» от сверхмассивных черных дыр, собирающих пыль, газ и остатки погибших звезд в вихреподобный аккреционный диск. По мере того как газ по узкому каналу движется в центральную черную дыру, из-за возникающего трения аккреционный диск нагревается и получающаяся энергия поддерживает яркое свечение квазара.

Наша третья категория, первичные черные дыры, имеет более спекулятивную основу, чем две первые. Если первичные черные дыры существуют, они должны были возникнуть вскоре после Большого взрыва. Они также, скорее всего, имеют очень маленький размер; они гораздо менее массивны, чем звезды. Подобно тому как в кимберлитовой трубке образуется алмаз, крошечная первичная черная дыра является следом, оставшимся от чудовищных давлений и температур — условий, которые властвовали в самые первые мгновения истории космоса.

Несмотря на свою репутацию нерушимых, черные дыры не будут существовать вечно. Как мы увидим, энергия, образующаяся при медленном испарении черных дыр, питает Вселенную в эпоху черных дыр. Более крупные и массивные черные дыры живут гораздо дольше маленьких. На самом деле, самые маленькие черные дыры, которые весят менее 10 ²⁵граммов и предположительно возникли в первичную эпоху, испаряются еще до начала эпохи черных дыр. Максимальный размер этих так рано гибнущих черных дыр составляет лишь около одной сотой миллиметра, хотя они весят столько же, сколько и довольно большая Луна в нашей Солнечной системе. Более крупные черные дыры с массами, превышающими одну шестисотую долю массы Земли, выживут и проявят себя в эпоху черных дыр.

Необычность черных дыр

Черные дыры — это насмешка над теми представлениями о пространстве и времени, которые диктует нам здравый смысл. В эпоху черных дыр Вселенная становится очень недобрым местом. С наших сегодняшних выгодных позиций в эпоху звезд, черные дыры — не более чем любопытная штука. Они имеют очень малое отношение к нашей земной жизни и не оказывают сколько-нибудь значительного влияния на эволюцию Галактики. Однако в эпоху черных дыр общая теория относительности и черные дыры оказываются верховными правителями: они совершенно необходимы для каждодневного управления Вселенной. Но прежде чем перевести часы за сороковую космологическую декаду, мы должны рассмотреть ряд идей из общей теории относительности. Только тогда мы сможем вкусить пленительную смесь простоты, изящества и явной странности, которая характеризует черные дыры.

Вообразите ракету, которая парит в космическом пространстве в удалении от гравитационного притяжения планет или звезд. Двигатели заглушены, и ракета движется по прямой линии с постоянной скоростью. Внутри этой ракеты невесомый груз. Астронавты находятся в подвешенном состоянии, а апельсиновый напиток превращается в блестящие оранжевые сферы, по мере того как ракета и ее содержимое движутся сквозь космическое пространство. Внезапно кто-то на полную мощность включает двигатели ракеты. Из двигателей малой тяги выбрасывается газ, корпус делает рывок вперед, и напуганные астронавты видят, как пол начинает двигаться к ним навстречу. Апельсиновый напиток расплескивается. По мере дальнейшей работы двигателей ракета ускоряется и ее скорость непрерывно возрастает. Астронавты оказываются прижатыми к полу.

Ускорение ракеты, оснащенной слабыми двигателями, происходит не слишком быстро. Если бы астронавты подпрыгнули к потолку, пол ракеты «догнал» бы их лишь постепенно. Им показалось бы, будто они на Луне, где сила гравитации мала и подпрыгнуть легко. Однако когда двигатели создают большее ускорение, пол ракеты начинает походить на поверхность Земли. То есть если двигатели отрегулированы так, что каждую секунду скорость ракеты увеличивается на 9,8 метров в секунду, то предметы будут падать на пол точно так же, как они падают на поверхность Земли. Что самое важное, если у ракеты нет иллюминаторов, космические путешественники, которые находятся внутри, не имеют возможности узнать, обусловлено ли ощущаемое ими ускорение силой, создаваемой двигателями ракеты или гравитационным притяжением планеты.

На первый взгляд, это заявление об эквивалентности, приравнивающее эффекты гравитации и ускорения, возможно, не покажется особенно интересным. Однако Эйнштейн осознал, что эквивалентность гравитации и ускорения имеет чрезвычайно глубокий смысл. Он взял данную концепцию за отправную точку при создании общей теории относительности, которая, в свою очередь, просветила нас в отношении странных свойств черных дыр.

Безусловное принятие этого принципа эквивалентности вынуждает нас отказаться от нашего обычного представления об абсолютном времени. Рассмотрим одни часы, прикрепленные к полу большой ракеты, и вторые часы, прикрепленные к ее потолку. Часы устроены так, что через радиопередатчик объявляют время: «Сейчас…». Когда ракета движется в пустом пространстве, астронавт, который парит прямо над полом ракеты, может сверять время, которое отсчитывают часы, слушая радиопередатчик. По истечении часа часы издают звуковой сигнал. Астронавт принимает сигнал часов, которые расположены около него на полу, а затем, через крошечную долю секунды, он получает сигнал от часов с потолка. Эта чрезвычайно маленькая, но все же реальная, разница во времени прибытия двух сигналов возникает из-за того, что часы, находящиеся на потолке, в большей степени удалены от астронавта. Радиосигналу, который со скоростью света движется от часов на потолке, нужно чуть больше времени, чтобы достигнуть астронавта, чем сигналу, испущенному близко расположенными часами на полу. После тщательного сравнения сигналов в течение нескольких часов астронавт приходит к заключению, что часы отмеряют время с одной и той же скоростью, но часы на потолке немного отстают (на время, которое занимает движение света от потолка к полу). Все часы на ракете идут с одинаковой скоростью, если ракета движется в космическом пространстве с постоянной скоростью.

При ускорении ракеты ситуация становится гораздо более интересной. Астронавт, стоящий на полу, не замечает никакого изменения в скорости часов, находящихся рядом с ним. Однако из-за ускорения ракеты, которое направлено вверх, он замечает, что часы на потолке идут быстрее. Часы на потолке посылают сигнал (в виде радиоволны) к полу. Поскольку пол ускоряется вверх, он принимает радиоволну быстрее, чем в случае движения ракеты с постоянной скоростью. Если ускорение продолжается, последующие сигналы также прибывают раньше, чем их ожидает астронавт. С точки зрения астронавта, который находится на полу, часы на потолке сообщают о пройденных промежутках времени чаще и идут быстрее по сравнению с часами на полу.

Согласно принципу эквивалентности несовпадение скоростей хода часов, происходящее из-за ускорения ракеты, также имеет место и в однородном гравитационном поле. Следовательно, принцип эквивалентности настойчиво утверждает, на первый взгляд, очень странную вещь. Двое часов, расположенные на разной высоте над поверхностью Земли, должны измерять поток времени с разной скоростью. Столь странное поведение является внутренней особенностью гравитации. Изменение потока времени в гравитационном поле совершено не зависит от механизма, который используется для измерения времени. Атомные часы, кварцевые часы, биологические ритмы — все они ощущают, что течение времени растягивается или сжимается одним и тем же образом.