Книга О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог

и приблизительными. А то, что британский астроном подтвердил теорию немецкого физика, было воспринято и как акт примирения между странами, только что воевавшими друг против друга во время Первой мировой войны.

Световой луч искривляется в поле тяготения Солнца очень слабо – на пару угловых секунд, – потому что по астрономическим меркам гравитационное поле Солнца не очень сильное. Но почти ровно через сто лет, весной 2019 года, первые страницы всех новостных изданий мира украсило запоминающееся изображение, похожее на улыбающееся лицо: фиксация искривления света в его самой крайней форме. Современная версия экспедиции Эддингтона выглядела так: международный коллектив астрономов создал виртуальный телескоп размером с весь земной шар – «телескоп горизонта событий», состоявший из восьми разбросанных по всему миру, от Гренландии до Антарктиды, огромных радиоантенн в форме «тарелок». При их совместной работе достигалось пространственное разрешение, при котором теоретически можно было бы разглядеть теннисный мяч на поверхности Луны. Когда астрономы направили свой глобальный «телескоп горизонта событий» в самый центр Мессье 87 – большой галактики в скоплении Девы на расстоянии около 55 миллионов световых лет от нас – и реализовали всю его разрешающую силу, а затем численно свели воедино все полученные пиксельные изображения, на экранах их компьютеров появился черный диск, окруженный кольцом света. Это было изображение тени гигантской черной дыры, поглощающей окружающее вещество. Темный диск, который мы видим на рис. 10, свидетельствует о том, что в центральной области галактики пространство-время скручивается с чудовищной силой: световые лучи, блуждающие там, не просто отклоняются, но остаются внутри области, как в западне. Кольцо света, окружающее область, порождается нагретым веществом – газом, исчезающим в черной дыре. При этом дыра эта вращается таким образом, что свет, доходящий до нас из-под нижней части черного диска, получает импульс энергии, отчего нижняя часть светового ореола делается ярче. При массе в 6,5 миллиарда Солнц, сжатой внутри области размером примерно с Солнечную систему, эта черная дыра – одна из самых тяжелых в нашей области космоса.

Общая теория относительности предсказала, что черные дыры должны существовать. Всего через несколько месяцев после эпохальной публикации Эйнштейна немецкий астроном Карл Шварцшильд нашел первое решение основных уравнений Эйнштейна, описывавших сильно искривленную геометрию пространства вокруг исключительно плотной идеально сферической массы M. Так как в то время шла Первая мировая война и Шварцшильд находился на Русском фронте, он записал свое решение на почтовой открытке и послал ее в Берлин Эйнштейну. Тот, естественно, пришел в восторг и с энтузиазмом представил полученный результат на заседании Прусской Академии наук.

Рис. 10. Это первое изображение черной дыры, полученное в 2019 году «Телескопом горизонта событий», потрясло мир. Размер центральной «тени» не больше размера Солнечной системы, но в нем заключена масса примерно 6,5 миллиарда Солнц. Объект расположен в центре ядра галактики Мессье 87, на расстоянии около 55 миллионов световых лет. Световое гало образовано излучением вещества, падающего в черную дыру, а тень обозначает границы области пространства, где его кривизна настолько велика, что весь излучаемый свет втягивается внутрь.

Геометрическое решение Шварцшильда описывало весьма необычную поверхность, расположенную на расстоянии 2GM/c2 от центра масс[38]. Оказалось, что на этой поверхности пространство и время меняются ролями. Много лет эта ситуация оставалась очень запутанной. Эйнштейну казалось, что это просто математическая странность предложенного решения, не имеющая никакого физического значения. Сам Шварцшильд думал, что на этой поверхности пространство и время каким-то образом заканчиваются.

Но в 1930-х годах[39] туман, окружавший геометрию поверхности Шварцшильда, начал рассеиваться. Стало понятно, что его решение описывает конечную форму пространства-времени после завершения гравитационного коллапса идеально сферической массивной звезды, когда она истощает свои запасы ядерного горючего и умирает[40]. Конечно, реальные звезды не идеально сферические, и поэтому большинство физиков оставались скептиками в вопросе о том, существуют ли «гравитационно сколлапсировавшие звезды» на самом деле. Только после вдохновленного работой Роджера Пенроуза ренессанса общей теории относительности в 1960-х физическая реальность таких звезд наконец начала осознаваться, и Уилер пустил для них в оборот термин «черные дыры».

Пенроуз, чистый математик, работавший в Бэркбекском колледже в Лондоне, разработал целый ряд новых остроумных методов описания сложных геометрических структур в общей теории относительности и доказал, что все достаточно массивные звезды, какими бы ни были их исходная форма или химический состав, коллапсируют в черные дыры в конце своей жизни. Это означало, что черные дыры не были эксцентричным математическим артефактом, а должны были составлять неотъемлемую часть космической экосистемы. В своей статье 1969 года Пенроуз писал: «Я только хотел бы призвать к тому, чтобы к черным дырам относились серьезно и исследовали бы во всех подробностях последствия их существования. Ибо кто решится заявить, что они не могут играть какую-то важную роль в картине наблюдаемых явлений?»[41] Это замечание оказалось пророческим. В течение нескольких последовавших десятилетий астрономические наблюдения давали все новые и новые свидетельства существования черных дыр. Кульминацией находок и стали первые неясные изображения этих загадочных объектов, полученные в 2019 году. И спустя пятьдесят пять лет после сделанного Пенроузом математического предсказания повсеместного распространения черных дыр во Вселенной за свое изначально чисто теоретическое открытие в 2020 году он был удостоен Нобелевской премии по физике.

Опубликованная в 1965 году статья Пенроуза[42], которая в итоге принесла ему Нобелевскую премию, занимает всего три страницы и почти не содержит уравнений, но в ней помещен захватывающий, как рисунки да Винчи, набросок – схема гравитационного коллапса звезды в черную дыру (см. рис. 11). На пространственно-временной диаграмме Пенроуза показаны два пространственных измерения и дана схема их переплетения с измерением временным. Мы видим, что вдали от объекта световые конусы будущего открыты в обе стороны, а это означает, что пучки света могут быть направлены как к звезде, так и от нее – как мы и ожидаем. Вблизи коллапсирующей звезды, по мере развития коллапса, появляется особая поверхность, на которой конусы изгибаются так сильно, что даже световые лучи, направленные вовне, двигаясь со скоростью света, «зависают» на постоянном расстоянии от центра звезды. И так как ничто не может двигаться быстрее света, ничто не может каким-либо способом преодолеть это гравитационное притяжение.

Коллапсирующая звезда создала вокруг себя область пространства-времени, полностью изолированную от остальной Вселенной, – черную дыру.

Поверхность, отделяющая «безвыходную» зону внутри черной дыры от остальной Вселенной, и есть та необычная поверхность в геометрии Шварцшильда, которая вызвала такое замешательство в первые годы после появления общей теории относительности. Сегодня ее называют горизонтом событий черной дыры. Она приблизительно соответствует кромке черного диска на рис. 10. Поверхность горизонта событий действует как пропускающая в одну сторону мембрана,