Общая теория относительности говорит что черные дыры имеют
Черные дыры могут иметь «волосы». Эйнштейн не прав?
Недавно проведенное исследование американских физиков об экстремальных черных дырах может опровергнуть знаменитую теорему об отсутствии волос.
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, черные дыры обладают только тремя наблюдаемыми свойствами: массой, спином (момент импульса) и зарядом. Дополнительных характеристик, или, как называют их физики, «волос», не существует.
Чтобы объяснить идею, представим однояйцевых близнецов. Они имеют одинаковый генотип, это генетические копии, но даже такие близнецы будут различаться множеством вещей: от темперамента до прически. Черные дыры, согласно теории гравитации Альберта Эйнштейна, могут иметь всего три характеристики: массу, спин и заряд. Если эти значения одинаковы для любых двух черных дыр, то они идентичны, будет невозможно отличить одну от другой. У черных дыр нет волос.
«Согласно классической общей теории относительности, такие черные дыры были бы абсолютно идентичны», — отмечает Пол Чеслер, физик-теоретик из Гарвардского университета.
Однако ученые задаются вопросом, верна ли теорема об отсутствии волос. В 2012 году математик Стефанос Аретакис, работавший тогда в Кембриджском университете, а теперь в Университете Торонто, предположил, что некоторые черные дыры могут иметь нестабильности (instabilities) на горизонте событий.
Нестабильности придали бы одним участкам горизонта черной дыры более сильное гравитационное притяжение, чем другим. Получается, что в таком случае даже идентичные черные дыры будут различимыми.
Однако уравнения Аретакиса показали, что это возможно только для так называемых экстремальных черных дыр — тех, которые имеют максимально возможное значение для массы, спина или заряда. И, по словам Чеслера, такие черные дыры не могут существовать в природе.
Но допустим, что есть почти экстремальная черная дыра, которая приближается к максимальным значениям, но не достигает их. Такая черная дыра может существовать, по крайней мере, теоретически. Опровергнет ли это теорему об отсутствии волос?
В докладе, опубликованном в конце января, показано, что это возможно.
Более того, земные детекторы гравитационных волн могут уловить такие волосы.
«Аретакис предположил, что существует некоторая информация, которая остается на горизонте событий», — прокомментировал Гаурав Ханна, физик из Массачусетского университета и Университета Род-Айленда, один из соавторов исследования.
Ученые предполагают, что свидетельства образования черной дыры или более поздних возмущений горизонта событий (например, падение вещества в черную дыру) могут создавать гравитационную нестабильность на горизонте событий почти экстремальной черной дыры или рядом с ним.
«Мы предполагаем, что гравитационный сигнал, который мы обнаружим, будет сильно отличаться от обычных черных дыр, которые не являются экстремальными», — говорит Ханна.
Если у черных дыр есть волосы, значит сохраняется некоторая информация об их прошлом, — это затронет и знаменитый информационный парадокс черных дыр, который сформулирован Стивеном Хокингом, как отмечает Лия Медейрос, астрофизик из Института перспективных исследований в Принстоне.
Этот парадокс обнажает фундаментальный конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой, двумя столпами физики XX века.
Если опровергнем одно из условий информационного парадокса, мы сможем решить сам парадокс. Одно из условий — это теорема об отсутствии волос.
Последствия этого открытия будут значительным. «Если мы сможем доказать, что реальное пространство-время черной дыры за пределами черной дыры отличается от того, что мы ожидаем увидеть, тогда, я думаю, это будет иметь действительно огромное значение для общей теории относительности», — сказала Медейрос, соавтор октябрьского доклада, который посвящен тому, соответствует ли наблюдаемая геометрия черных дыр предположениям.
Однако, пожалуй, самым захватывающим моментом исследования является то, что оно открывает путь, как объединить наблюдения за черными дырами и фундаментальную физику. Обнаружение волос на черных дырах, пожалуй, на самых экстремальных астрофизических лабораториях во Вселенной, может позволить исследовать такие идеи, как теория струн и квантовая гравитация, таким способом, каким раньше это было невозможно.
Оказывается, уравнения Эйнштейна настолько сложны, что мы ежегодно открываем новые их свойства.
«Одна из больших проблем с теорией струн и квантовой гравитацией заключается в том, что эти предположения сложно проверить, — утверждает Медейрос, — так что, если у нас есть что-то, что можно проверить даже удаленно, это просто потрясающе».
Однако встречаются и серьезные препятствия. Нет уверенности в существовании почти экстремальных черных дыр. По словам Чеслера, в лучших моделях на данный момент обычно образуются черные дыры, которые на 30% отличаются от экстремальных значений. И даже если почти экстремальные дыры существуют, не совсем понятно, достаточно ли чувствительны детекторы гравитационных волн для определения нестабильности по волосам.
Более того, предполагается, что волосы крайне скоротечны, они длятся доли секунды.
Но сам доклад выглядит основательным. «Я не думаю, что кто-то в сообществе сомневается в этом», — сказал Чеслер.
Следующий этап — посмотреть, какие сигналы мы будем обнаруживать с помощью детекторов гравитационных волн: сейчас мы работаем с LIGO и Virgo, но запускается новые инструменты, например, LISA, совместный эксперимент Европейского космического агентства и НАСА по исследованию гравитационных волн.
«Теперь следует опираться на их работу и действительно вычислить, какой будет частота гравитационного излучения. Важно понять, как мы можем измерить и идентифицировать его», — отмечает Хельви Витек, астрофизик из Университета Иллинойса, Урбана-Шампейн.
Хотя шансы обнаружить волосы не так велики, такое открытие поставит под сомнение общую теорию относительности Эйнштейна и докажет существование почти экстремальных черных дыр.
«Мы хотели бы знать, позволяет ли природа существовать такому зверю», — говорит Ханна.
Путешествие во времени Как теория Эйнштейна предсказала черные дыры и кротовые норы
В ноябре 1915 года Альберт Эйнштейн направил на публикацию работу с основными уравнениями общей теории относительности (ОТО). Позднее стало понятно, что новая теория гравитации, которой в 2015 году исполняется сто лет, предсказывает существование черных дыр и пространственно-временных тоннелей. О них и расскажет «Лента.ру».
Что такое ОТО
В основе ОТО лежат принципы эквивалентности и общей ковариантности. Первое (слабый принцип) означает пропорциональность инертной (связанной с движением) и гравитационной (связанной с тяготением) масс и позволяет (сильный принцип) в ограниченной области пространства не различать гравитационное поле и движение с ускорением. Классический пример — лифт. При его равноускоренном движении вверх относительно Земли находящийся в нем наблюдатель не в состоянии определить, находится он в более сильном гравитационном поле или перемещается в рукотворном объекте.
Второй принцип (общей ковариантности) предполагает сохранение уравнениями ОТО своего вида при преобразованиях специальной теории относительности, созданной Эйнштейном и другими физиками к 1905 году. Идеи эквивалентности и ковариантности привели к необходимости рассмотрения единого пространства-времени, которое искривляется в присутствии массивных объектов. Это отличает ОТО от классической теории тяготения Ньютона, где пространство всегда плоское.
ОТО в четырехмерии включает в себя шесть независимых дифференциальных уравнений в частных производных. Для их решения (нахождения явного вида метрического тензора, описывающего кривизну пространства-времени) необходимо задание граничных и координатных условий, а также тензора энергии-импульса. Последний описывает распределение материи в пространстве и, как правило, связан с используемым в теории уравнением состояния. Кроме того, уравнения ОТО допускают введение в них космологической постоянной (лямбда-члена), с которой часто связывают темную энергию и, вероятно, отвечающее ей скалярное поле.
Черные дыры
В 1916 году немецкий математический физик Карл Шварцшильд нашел первое решение уравнений ОТО. Оно описывает гравитационное поле, созданное центрально-симметричным распределением масс с нулевым электрическим зарядом. Это решение содержало так называемый гравитационный радиус тела, определяющий размеры объекта со сферически-симметричным распределением материи, который не способны покинуть фотоны (движущиеся со скоростью света кванты электромагнитного поля).
Определенная таким образом шварцшильдова сфера тождественна понятию горизонта событий, а массивный ограниченный ею объект — черной дыре. Восприятие приближения к нему тела в рамках ОТО различается в зависимости от позиции наблюдателя. Для связанного с телом наблюдателя достижение шварцшильдовой сферы произойдет за конечное собственное время. Для внешнего наблюдателя приближение тела к горизонту событий займет бесконечное время и будет выглядеть как его неограниченное падение на шварцшильдову сферу.
Советские физики-теоретики также внесли свой вклад в теорию нейтронных звезд. В статье 1932 года «К теории звезд» Лев Ландау предсказал существование нейтронных звезд, а в работе «Об источниках звездной энергии», опубликованной в 1938 году в журнале Nature, предположил существование звезд с нейтронным ядром.
Как массивные объекты превращаются в черные дыры? Консервативный и наиболее признанный в настоящее время ответ на этот вопрос дали в 1939 году физики-теоретики Роберт Оппенгеймер (в 1943 году он стал научным руководителем Манхэттенского проекта, в рамках которого в США была создана первая в мире атомная бомба) и его аспирант Хартланд Снайдер.
Сверхмассивная чёрная дыра потребляет материю вращающейся вокруг нее звезды (в представлении художника)
Изображение: East News
Предельное значение массы белого карлика, не дающее ему превратиться в нейтронную звезду, в 1932 году впервые оценил индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар. Этот параметр вычисляется из условия равновесия вырожденного электронного газа и сил гравитации. Современное значение предела Чандрасекара оценивается в 1,4 солнечной массы.
Верхнее ограничение на массу нейтронной звезды, при которой она не превращается в черную дыру, получило название предела Оппенгеймера-Волкова. Определяется из условия равновесия давления вырожденного нейтронного газа и сил гравитации. В 1939 году получили значение в 0,7 солнечной массы, современные оценки варьируются от 1,5 до 3,0.
Кротовая нора
Физически червоточина (кротовая нора) представляет собой тоннель, связывающий две удаленные области пространства-времени. Эти области могут находиться в одной и той же вселенной или связывать разные точки разных вселенных (в рамках концепции мультивселенной). В зависимости от возможности вернуться сквозь нору обратно их подразделяют на проходимые и непроходимые. Непроходимые дыры быстро закрываются и не позволяют потенциальному путешественнику проделать обратный путь.
С математической точки зрения червоточина — это гипотетический объект, получаемый как особое несингулярное (конечное и имеющее физический смысл) решение уравнений ОТО. Обычно червоточины изображают в виде согнутой двумерной поверхности. Попасть с одной ее стороны на другую можно как обычным способом, так и по соединяющему их тоннелю. В наглядном случае двумерного пространства видно, что это позволяет существенно сократить расстояние.
В двумерии горловины червоточины — отверстия, с которых начинается и заканчивается тоннель — имеют форму окружности. В трехмерии горловина кротовой норы похожа на сферу. Образуются такие объекты из двух сингулярностей в разных областях пространства-времени, которые в гиперпространстве (пространстве большей размерности) стягиваются друг к другу с образованием норы. Поскольку нора — это пространственно-временной тоннель, путешествовать по нему можно не только в пространстве, но и во времени.
Обыкновенная (сверху) и неориентируемая (внизу) кротовые норы
Впервые решения уравнений ОТО типа кротовой норы привел в 1916 году Людвиг Фламм. Его работа, описывавшая кротовую нору со сферической горловиной без гравитирующей материи, не привлекла внимания ученых. В 1935 году Эйнштейн и американо-израильский физик-теоретик Натан Розен, не знакомые с работой Фламма, нашли аналогичное решение уравнений ОТО. Ими двигало в этой работе желание объединить гравитацию с электромагнетизмом и избавиться от сингулярностей решения Шварцшильда.
В 1962 году американские физики Джон Уилер и Роберт Фуллер показали, что червоточина Фламма и мост Эйнштейна-Розена быстро схлопываются и потому являются непроходимыми. Первое решение уравнений ОТО с проходимой кротовой норой предложил в 1986 году американский физик Кип Торн. Его червоточина заполнена материей с отрицательной средней плотностью массы, препятствующей закрытию тоннеля. Элементарные частицы с такими свойствами науке пока неизвестны. Вероятно, они могут входить в состав темной материи.
Гравитация сегодня
Решение Шварцшильда — самое простое для черных дыр. Сейчас уже описаны вращающиеся и заряженные черные дыры. Последовательная математическая теория черных дыр и связанных с ними сингулярностей развита в работах британского математика и физика Роджера Пенроуза. Еще в 1965 году в журнале Physical Review Letters он опубликовал статью под названием «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности».
В ней описывается образование так называемой ловушечной поверхности, приводящей к эволюции звезды в черную дыру и возникновению сингулярности — особенности пространства-времени, где уравнения ОТО дают некорректные с физической точки зрения решения. Выводы Пенроуза считаются первым крупным математически строгим результатом ОТО.
Вскоре после этого ученый вместе с британцем Стивеном Хокингом показал, что в далеком прошлом Вселенная находилась в состоянии с бесконечной плотностью массы. Сингулярности, возникающие в ОТО и описанные в работах Пенроуза и Хокинга, не поддаются объяснению в современной физике. В частности, это приводит к невозможности описания природы до Большого взрыва без привлечения дополнительных гипотез и теорий, например, квантовой механики и теории струн. Развитие теории кротовых нор в настоящее время также невозможно без квантовой механики.
Черные дыры
Черные дыры — самые необычные объекты во Вселенной. Их никто и никогда не видел, но большинство астрономов убеждено, что они существуют. Это небольшие области в космосе, в которых сила тяготения так велика, что из них ничто не может вырваться наружу, даже свет.
Звезда как шарик
Вдалеке, на расстоянии миллиардов световых лет, колоссальный диск из пыли и газа быстро вращается вокруг гигантской черной дыры в ядре квазара
Все тела в пространстве обладают тяготением. Чем больше объект, тем сильнее его притяжение и тем труднее удалиться от него. Запущенная с Земли ракета должна двигаться со скоростью не менее 40000 км/ч (развить так называемую «скорость убегания»), чтобы преодолеть притяжение Земли. Солнце во много тысяч раз больше Земли, так что ракета должна двигаться гораздо быстрее, со скоростью больше 2000000 км/ч, чтобы преодолеть его притяжение. Если же объект гораздо больше или плотнее Солнца, то необходимая скорость убегания может достигать скорости света. Звезды, масса которых в 10 раз превышает массу Солнца, сжигают свои запасы ядерного топлива за несколько миллионов лет, разбухают и становятся массивными сверхгигантами, после чего взрываются, превращаясь
Представьте себе, что звезда в пространстве — это шарик на тонком резиновом коврике. Такой массивный объект. как звезда, «искривит» пространство, и все, что было поблизости, скатится во впадину. Если шарик будет таким тяжелым, что впадина превратится в длинную глубокую трубу, результатом окажется черная дыра.
в сверхновые звезды. Ядро сверхновой звезды, сжимаясь за секунды, превращается в маленькое сверхплотное тело, называемое нейтронной звездой. Чтобы отдалиться от такого тела, скорость убегания должна быть равна скорости света. Тяготение оказывается настолько большим, что даже свет не может покинуть это тело, и оно оказывается невидимым. Это и есть черная дыра.
Общая теория относительности Эйнштейна
В своей общей теории относительности, разработанной в 1915 году, великий немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879—1955) предположил, что тяготение объекта приводит к «искривлению» пространства. Массивный объект создает в пространстве «впадину», в которую скатываются свет и материя. Чем плотнее объект, тем глубже впадина. Черная дыра, самый плотный объект во Вселенной, создает такую глубокую впадину, из которой ничто не может вырваться наружу.
Квазары
Для Альберта Эйнштейна тяготение было свойством пространства, а не силой притяжения между объектами
Необыкновенно массивные черные дыры могут, по мнению астрономов, таиться в центральных частях галактик. Астрономы обнаружили кольцо из раскаленного газа, быстро вращающееся вокруг центра нашей галактики. Млечного Пути. По-видимому, оно удерживается мощными силами тяготения, создаваемыми, скорее всего, черной дырой. Но активность в центре галактики — ничто по сравнению с квазарами. Эти объекты выглядят как звезды, находящиеся на невероятных расстояниях от нас — самый дальний квазар располагается на расстоянии 13 миллиардов световых лет. Чтобы быть видимым на таком расстоянии, объект должен излучать фантастическое количество энергии. Квазары являются центрами чрезвычайно активных галактик, содержащих сверхмассивные черные дыры. Ярчайший свет исходит от газопылевого диска, скатывающегося по спирали в черную дыру.
Звезда Лебедь Х-1
Увидеть черные дыры нельзя, но о них можно судить, исследуя сопутствующие эффекты. Наблюдая звезду, известную как Лебедь Х-1, астрономы обнаружили, что она излучает невероятное количество энергии (верный признак вспышки активности во Вселенной). Они установили, что эта огромная голубая звезда вращается вокруг невидимого объекта, обладающего колоссальной силой притяжения. Как полагают, этот невидимый объект является черной дырой, втягивающей в себя звездный газ. Перед тем, как всосаться в черную дыру, газ образует вращающийся диск. Падая в дыру, газ движется все быстрее, пока его скорость не приблизится к скорости света.
Новое в блогах
Тайна черных дыр
| Альберт Эйнштейн считал, что черная дыра – схлопнувшаяся звезда такой огромной плотности, что даже свет не может преодолеть ее притяжения, – понятие слишком нелепое, чтобы быть правдой. Эйнштейн ошибался. |
Наша звезда, Солнце, умрет спокойной смертью.
При довольно посредственной для звезды массе примерно через пять миллиардов лет оно сожжет последние запасы водородного топлива; внешние слои улетят прочь, а ядро в итоге сожмется до размеров так называемого белого карлика – космического уголька размером с Землю.
Звезда раз в десять крупнее Солнца умрет гораздо интереснее. Внешние слои будут выброшены в пространство во время взрыва сверхновой, которая примерно на месяц станет одним из ярчайших объектов во Вселенной. Тем временем под воздействием гравитации ядро превратится во вращающуюся нейтронную звезду диаметром около 20 километров. Кусочек нейтронной звезды размером с кубик сахара-рафинада на Земле весил бы миллиард тонн. Сила притяжения нейтронной звезды настолько сильна, что, если бы вы на нее бросили зефирку, выброс энергии при столкновении был бы по мощности равен взрыву атомной бомбы.
Что будет потом, никто не знает. В попытках объяснить столь невероятный феномен обе господствующие теории о работе Вселенной – общая теория относительности и квантовая механика – сходят с ума, как приборы самолета, вошедшего в штопор.
Звезда стала черной дырой.
Если что и делает черную дыру самой темной пропастью во Вселенной, так это скорость, необходимая для того, чтобы сбросить оковы ее притяжения. Для преодоления земной гравитации нужно разогнаться где-то до 11 километров в секунду. Вселенский предел скорости составляет 299792 километра в секунду, скорость света. Но даже этого недостаточно, чтобы перебороть притяжение черной дыры, – и все, что попадает в нее, не может выбраться наружу, даже лучик света. Поэтому невозможно и заглянуть внутрь. Черная дыра – место, изолированное от остальной Вселенной. Линию на границе ее внешней и внутренней среды называют горизонтом событий. Все, что пересекает горизонт – звезда, планета, человек, – пропадает навеки.
Альберт Эйнштейн никогда не верил в реальность черных дыр. Его формулы допускали существование таких тел, но он чувствовал, что природа не стала бы их создавать. Наименее правдоподобным ученому казалось предположение о том, что гравитация может превзойти предположительно более сильные взаимодействия – электромагнитные и ядерные – и заставить ядро гигантской звезды исчезнуть, словно по мановению волшебной палочки.
Тысячелетиями визуальные способности человека ограничивались видимым спектром. Но в 1960-х начали широко применяться рентгеновские и радиотелескопы. Они позволили ученым улавливать диапазоны волн, пробивающихся через межзвездную пыль, и, словно на рентгеновском снимке рассматривать «скелеты» галактик.
К своему удивлению, ученые обнаружили, что сердцевину большинства галактик – а во Вселенной их более 100 миллиардов – занимают плотные скопления звезд, газа и пыли. В самой гуще всего этого хаоса, практически в каждой из наблюдаемых галактик, в том числе и в нашем Млечном Пути, находится исключительно тяжелый и плотный объект с таким мощным гравитационным притяжением, что, как его ни измеряй, есть лишь одно возможное объяснение: черная дыра.
Эти дыры огромны. Та, что располагается в центре Млечного Пути, в 4,3 миллиона раз тяжелее Солнца. Соседняя галактика Андромеды вращается вокруг тела массой в 100 миллионов Солнц. Предполагается, что в других галактиках есть черные дыры массой в миллиарды и даже в десятки миллиардов Солнц. Они не были огромными с рождения, а набирали массу с каждым новым обедом, как и все мы. А маленькие черные дыры, бродящие по окраинам галактик, по мнению экспертов, и вовсе встречаются не реже бездомных собак.
На памяти одного поколения физиков черные дыры превратились из шутки – математического курьеза в стилеreductio ad absurdum– в широко признанный факт. Оказывается, черные дыры – обычное явление. Во Вселенной их, по всей видимости, триллионы.
Никто никогда не видел черную дыру, и не увидит. Там нечего видеть. Это просто пустое место в пространстве – огромная уйма ничего, как любят говорить физики. Наличие черной дыры вычисляется по воздействию, которое она оказывает на окружение. Это все равно что выглянуть в окно и увидеть, как все макушки деревьев склонились в одном направлении. Вы будете правы, предположив, что на улице дует сильный невидимый ветер.
Если спросить экспертов, насколько они уверены в существовании черных дыр, вам с готовностью ответят: на 99,9 процента; если в центре большинства галактик нет черных дыр, там должно находиться нечто еще более поразительное. Возможно, все сомнения разрешатся через несколько месяцев. Астрономы планируют подсмотреть, как одно такое чудище питается.
Черная дыра в центре Млечного пути, на расстоянии 26 тысяч световых лет от нас, называется Стрелец А*, в стандартном сокращении – Sgr A*. И Sgr А* готовится обедать. Она притягивает к себе газовое облако G2 со скоростью 3 тысячи километров в секунду. Менее чем через год G2 приблизится к горизонту событий. В этот момент все радиотелескопы мира будут направлены на Стрельца А*, и ученые надеются, синхронизировав их в одну всепланетную обсерваторию под названием «Телескоп горизонта событий», сфотографировать черную дыру в действии. Мы увидим не само тело, а, скорее всего, так называемый аккреционный диск, кольцо мусора на краю дыры – этакие крошки, оставшиеся на обеденном столе после семейного ужина. Предположительно, это развеет большинство сомнений в том, что черные дыры существуют.
И не просто существуют. Они могут помочь нам разобраться в устройстве Вселенной. Материя, стремящаяся к черной дыре, при трении выделяет большое количество тепла. А сами черные дыры вращаются – в принципе они похожи на глубокие водовороты в космосе. Комбинация трения и вращения приводит к тому, что значительная часть материи, стремящейся к черной дыре (иногда больше 90 процентов), не пересекает горизонт событий, а отбрасывается прочь, словно искры с вращающегося точильного колеса.
Эта нагретая материя отшвыривается в космос струйными потоками на феноменальной – чуть меньше световой – скорости. Такие струи могут растягиваться на миллионы световых лет. Иными словами, черные дыры перетряхивают старые звезды в центре галактики и выплевывают образовавшиеся в процессе горячие газы в самые дальние ее уголки. Газ остывает, уплотняется и в итоге образует новые звезды, служа источником вечной молодости галактики.
Здесь важно кое-что прояснить.Начнем с популяризованного научной фантастикой мнения, будто черные дыры пытаются нас всех засосать. У черной дыры всасывающей силы не больше, чем у обычной звезды, просто эта сила очень велика относительно ее собственных размеров.
Если бы наше Солнце внезапно превратилось в черную дыру – это невозможно, но давайте представим, – оно сохранило бы прежнюю массу, вот только диаметр с 1392000 километров сократился бы до 6,5 километра. На Земле стало бы темно и холодно, но орбита планеты осталась бы прежней. Солнце в новом амплуа притягивало бы нашу планету с той же силой, что и раньше.
Точно так же Земля, превратившись вдруг в черную дыру, сохранила бы прежнюю массу в шесть секстиллионов тонн (это шестерка с 21 нулем), но сжалась бы до размеров глазного яблока. Луна осталась бы на своем месте.
Итак, черные дыры не засасывают. Следующая тема доставляет куда больше головной боли – речь пойдет о времени. У него с черными дырами очень сложные отношения. По сути, время как таковое (забудем на минутку о черных дырах) довольно причудливое понятие. Вы, вероятно, слышали фразу: «Время относительно». Это значит, что время не течет для всех с одинаковой скоростью. Эйнштейн обнаружил, что на него влияет сила притяжения.
Если вы расставите чрезвычайно точные часы на каждом этаже небоскреба, они будут идти с разной скоростью. Нижние этажи находятся ближе к центру Земли, где гравитация сильнее, и часы там будут тикать немножко медленнее, чем те, что располагаются на верхних этажах. Вы никогда этого не замечали, потому что различия фантастически малы – лишние миллиардные доли секунды. Часы на GPS-спутниках специалисты настраивают так, чтобы они шли немного медленнее часов на поверхности Земли. В противном случае данные GPS были бы неточными.
Черные дыры с их невероятной силой притяжения можно считать машинами времени. Сядьте в ракету, летите к Sgr A*. Подплывите как можно ближе к горизонту событий, но не пересекайте его. За каждую минуту, которую вы там проведете, на Земле пройдет тысяча лет. Сложно поверить, но это правда: гравитация побеждает время.
Что же будет, если пересечь горизонт событий? Сторонний наблюдатель не увидит, как вы проваливаетесь. Вы будете выглядеть застывшим на краю дыры, окаменевшим на целую вечность. Ну, технически – не так долго, ибо ничто не вечно, даже черные дыры. Британский физик Стивен Хокинг доказал, что эти объекты постепенно теряют массу – процесс называется излучением Хокинга – и за определенное количество времени должны полностью испаряться. Но в таком случае мы говорим о триллионах триллионов еще многих триллионов лет. Это достаточно долго, чтобы в отдаленном будущем черные дыры могли остаться единственными объектами в нашей Вселенной.
Раз сторонний наблюдатель не увидит, как вы проваливаетесь в черную дыру, что же с вами произойдет? Sgr A* настолько велика, что горизонт событий находится на расстоянии примерно в 13 миллионов километров от ее центра. Физики не сошлись во мнениях относительно того, что именно происходит в момент пересечения. Возможно, вы встретите там так называемую стену огня и просто сгорите. Однако общая теория относительности предсказывает, что по пересечении горизонта событий происходит нечто совсем другое: ничего. Вы просто попадаете внутрь, не имея ни малейшего понятия о том, что отныне вы потеряны для остальной Вселенной. Все в порядке. Часы на вашей руке тикают как обычно.
Часто говорят, что черные дыры бесконечно глубоки, но это неправда. У них есть дно, вот только вы до него не доживете. По мере вашего падения гравитация будет усиливаться. Если вы падаете ногами вперед, то ноги будут притягиваться с гораздо большей силой, чем затылок, и ваше тело начнет растягиваться – до тех пор, пока не разорвется.
Фрагменты достигнут дна. В центре черной дыры располагается загадка по имени «сингулярность». Поняв, что это такое, вы совершите один из крупнейших научных прорывов в истории. Для начала вам понадобится изобрести новую теорию, которая выйдет за пределы общей теории относительности Эйнштейна, определяющей движение звезд и галактик. Вам также придется превзойти квантовую механику, которая описывает то, что происходит с микроскопическими частицами. Обе теории неплохо отражают реальность, но в экстремальных условиях (а во внутренностях черной дыры условия именно такие) обе они неприменимы.
Сингулярности воображают исключительно крошечными. Менее чем крошечными: мощнейший в мире микроскоп не разглядит сингулярность, увеличенную в триллион триллионов раз. Но что-то в ней есть, по крайней мере в математическом смысле. Нечто не только маленькое, но и невообразимо тяжелое. Не утруждайтесь, пытаясь это представить.
Подавляющее большинство физиков говорит: да, черные дыры существуют, но это сферический Форт-Нокс в вакууме; туда невозможно проникнуть. Мы никогда не узнаем, что находится внутри сингулярности.
Тем не менее парочка инакомыслящих позволила себе с этим не согласиться. В последние годы среди физиков-теоретиков все активнее распространяется мнение, что бытие не ограничивается нашей Вселенной. Скорее, мы живем в так называемой Мультивселенной – широком ассортименте вселенных, коллекции дырок в швейцарском сыре реальности.
Все это – лишь спорные гипотезы, но вполне возможно, что для рождения новой Вселенной необходимо сперва взять немного материи из уже существующей, сжать ее хорошенько и изолировать.
Где-то вы это уже слышали? В конце концов, мы знаем, что стало с одной сингулярностью. Наша Вселенная появилась 13,8 миллиарда лет назад в колоссальном Большом взрыве. За мгновение до него все было сжато в бесконечно маленькую и невероятно плотную крупинку – сингулярность.