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

сквозь которую могут входить вещество, свет и информация, но выйти обратно не может ничего. Черная дыра – кошмарная форма клаустрофобии.

Рис. 2. Сделанный Роджером Пенроузом в 1965 году рисунок, иллюстрирующий коллапс звезды с образованием черной дыры. Когда звезда сжимается, в пустом пространстве вокруг нее возникает любопытная поверхность, отмеченная черным кольцом в центре рисунка. С этой поверхности даже свет не может покинуть звезду. На чисто математических основаниях Пенроуз продемонстрировал, что, независимо от ее формы, появление такой ловушки для света является признаком неизбежного образования черной дыры с сингулярностью в центре, окруженной цилиндрическим горизонтом событий. Внутри же черной дыры крайне сильный наклон световых конусов будущего означает, что движение к сингулярности должно продолжаться. Из-за этого наклона, однако, внешний наблюдатель не увидит даже последних стадий коллапса, не говоря уж о самой сингулярности внутри черной дыры.

Мало кто из физиков считает, что на горизонте событий большой черной дыры вообще возможно что-либо увидеть или почувствовать, но само его существование имеет огромное значение для причинной структуры черных дыр. Дело в том, что под горизонтом событий пространство и время в некотором смысле меняются ролями. Если отважный астронавт все же каким-то образом проникнет внутрь горизонта событий черной дыры, неуклонно растущий наклон световых конусов будет означать, что ему неизбежно придется продолжать двигаться по направлению к ее центру. То есть радиальное измерение пространства внутри горизонта приобретает свойства временного измерения – это движение в одном направлении, движение, которое невозможно остановить или обратить вспять, и остается только двигаться вперед. Пространственно-временная сингулярность бесконечной кривизны, которая поджидает нашего астронавта в центре дыры, по сути не является точкой в пространстве, но скорее моментом времени – последним моментом.

ПОВЕРХНОСТЬ ГОРИЗОНТА СОБЫТИЙ ДЕЙСТВУЕТ КАК ПРОПУСКАЮЩАЯ В ОДНУ СТОРОНУ МЕМБРАНА, СКВОЗЬ КОТОРУЮ МОГУТ ВХОДИТЬ ВЕЩЕСТВО, СВЕТ И ИНФОРМАЦИЯ, НО ВЫЙТИ ОБРАТНО НЕ МОЖЕТ НИЧЕГО. ЧЕРНАЯ ДЫРА – КОШМАРНАЯ ФОРМА КЛАУСТРОФОБИИ.

Сингулярность с ее бесконечным скручиванием – это там, где (или когда) уравнение Эйнштейна теряет свою предсказательную силу. В пространственно-временных сингулярностях общая теория относительности работать отказывается. И это озадачивает. Как мог Пенроуз доказать, что гравитационный коллапс массивной звезды приводит к образованию сингулярности, если теоретическая база, на которую он опирался, несовместима с сингулярностью? Оригинальность стратегии Пенроуза проявилась в том, чтобы идентифицировать точку невозврата в гравитационном коллапсе, образование того, что он назвал «ловушечной поверхностью» – которую даже свет звезды не может покинуть. Пенроуз показал, что, как только образуется ловушечная поверхность, дальнейший коллапс в сингулярность неизбежен. Его математические приемы были так искусны, что с их помощью он сумел предсказать исход коллапса, несмотря на то что проследить его развитие вплоть до завершения в реальной звезде оказалось невозможно.

Что же происходит, когда две черные дыры входят в сферы влияния друг друга и начинают вращаться друг вокруг друга? Общая теория относительности предсказывает, что их взаимодействие будет генерировать гравитационные волны – волнообразные возмущения пространства-времени, которые распространяются по Вселенной со скоростью света. Так работают уравнения Эйнштейна: две черные дыры, обращающиеся друг вокруг друга, образуют периодически изменяющуюся конфигурацию масс, на что, как следует из уравнений, пространство-время откликается своими собственными периодическими возмущениями. Эта рябь пространства-времени и есть гравитационные волны.

Геометрическая рябь гравитационных волн уносит огромное количество энергии. Отток энергии из системы обращающихся друг вокруг друга черных дыр приводит к тому, что они по спирали сближаются друг с другом и в конце концов сливаются, образуя черную дыру большего размера. По энергии, которая при этом выделяется, слияния черных дыр оставляют далеко позади все остальные взрывные события во Вселенной. Одно столкновение двух черных дыр может вызвать всплеск гравитационных волн более мощный, чем общая мощность всего света, излучаемого всеми звездами во всей наблюдаемой Вселенной. И тем не менее размер геометрических волн, возбуждаемых такими столкновениями, крайне мал, потому что ткань пространства-времени чрезвычайно жесткая[43]. Вот почему, несмотря на их невероятную мощь, всплески гравитационных волн очень трудно регистрировать.

Более того, так как гравитационные волны не несут никаких частиц, их всплеск, проходя через нашу планету, остается невидимым и неощутимым – если не считать того, что, прежде чем он бесследно уйдет дальше в космос, все измерительные линейки на Земле на протяжении очень короткого времени на микроскопическую величину растянутся и сократятся, а часы чуть ускорятся и снова замедлятся. Чтобы зарегистрировать эти изменения, понадобятся линейки длиной в несколько миль, способные измерять изменения расстояния с точностью, значительно более высокой, чем размер протона. Это кажется невозможным. Однако, совершив настоящее инженерное чудо, две группы ученых, коллаборации LIGO в Соединенных Штатах и VIRGO в Европе, сделали это. Используя лазеры и сложнейшую технику для контроля длины трех пар вакуумных трубок длиной в несколько миль каждая, образующих L-образные конфигурации в трех далеко отстоящих друг от друга местах на поверхности Земли, обе группы устроили хитроумные ловушки для гравитационных волн, проходящих через нашу планету. И вот 14 сентября 2015 года, после нескольких лет ожидания и вслушивания, L-образные ветви установки LIGO вдруг начали вибрировать, сначала невероятно слабо, но постепенно быстрее и сильнее. Спустя долю секунды вибрации угасли, но, пользуясь эйнштейновской теорией, по этой мгновенно исчезнувшей вибрационной картине физики сумели восстановить и отследить всплеск гравитационных волн, порожденный случившимся более миллиарда лет назад спиральным сближением и слиянием пары черных дыр, каждая массой около тридцати Солнц. Спустя пять лет таких гравитационно-волновых всплесков было зарегистрировано уже около сотни. Оказалось, что черные дыры действительно представляют собой неотъемлемую часть космической экосистемы – в точности, как и предсказывал Пенроуз.

Экспериментальное открытие гравитационных волн подтвердило последнее из великих предсказаний общей теории относительности. Во многих отношениях это событие отмечает вступление теории в пору зрелости – им ознаменовано как завершение одной эры, так и начало другой. Начавшись с абстрактных математических уравнений, описывающих пространство, время и тяготение, с открытием гравитационных волн эта теория превратилась в совершенно новый способ видения Вселенной. Больше чем через четыреста лет после того, как Галилей впервые направил телескоп на звезды, у астрономов как будто появился новый орган чувств, который позволяет им видеть темную сторону Вселенной, – в ней доминируют черные дыры, темная материя и темная энергия. Работающие теперь в разных точках Земли гравитационно-волновые обсерватории исследуют космос, улавливая мельчайшие вибрации геометрии самого пространства-времени – поля, которое Эйнштейн впервые описал более столетия назад.

Еще на заре эры общей относительности Эйнштейн быстро понял, что его теория может дать радикально новое видение космоса как целого. В 1917 году он писал известному голландскому астроному из Лейдена Виллему де Ситтеру: «Я хочу решить вопрос о том, можно ли развить основную идею относительности