Кип Торн - Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

• Название: Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна
• Автор: Кип Торн
• Жанр: Физика
• Год: 2007

---

Войдя в капитанскую кабину, вы отводите душу на главном компьютере корабля, который называется ЗАРЯ. «Тише, тише!» — успокаивает компьютер (используя слова древнего русского языка). «Я знаю, что вы расстроены, но это действительно ваша вина. Вам же говорили об этих «головоножных» силах во время занятий. Помните? Это те же самые силы, которые создают приливы океанов на Земле»22.

Вы припоминаете, что океан на той стороне Земли, которая ближе к Луне, притягивается ее гравитацией сильнее и выпячивается по направлению к Луне. Вода океана с противоположной стороны Земли притягивается слабее, и поэтому тоже собирается в выпуклость, но направленную от Луны. В результате получается два разных океанических горба; которые вследствие вращения Земли проявляются в виде двух приливов, происходящих каждые двадцать четыре часа. Именно из-за этих приливов, вспоминаете вы, эта «головоножная» гравитационная сила, о которой вы забыли, называется приливной силой. Вы также припоминаете, что общая теория относительности Эйнштейна описывает эту приливную силу как следствие искривления пространства и свертывания времени, или на языке Эйнштейна, искривление пространства-времени19. Приливные силы и искривление пространства-времени идут рука об руку: одно всегда сопровождает другое, хотя в случае океанских приливов искривление пространства-времени так незначительно, что измерить его можно только сверхчувствительными приборами.

А как же Арнольд? Почему же у него был такой жизнерадостный иммунитет по отношению к приливным силам дыры? По двум причинам, объясняет ЗАРЯ: во-первых, потому что он намного меньше вас, высотой только в 10 сантиметров, и приливная сила, которая равна разнице между гравитационными силами в области головы и ног, была, соответственно, меньше; и во-вторых, потому что он был сделан из сверхпрочного титанового сплава, который мог противостоять растягивающей силе гораздо лучше, чем ваши ткани и кости.

Потом вы с ужасом осознаете, что когда Арнольд проносился через горизонт по направлению к сингулярности, он должен был почувствовать увеличение приливной силы до такой степени, когда даже его сверхпрочное титановое тело уже не смогло бы ей противостоять. Менее чем через 0,0002 секунды после пересечения горизонта его разрушающееся, растягиваемое тело должно было приблизиться к сингулярности в центре дыры. Там, как подсказывают ваши знания общей теории относительности, полученные на Земле, приливные силы вовлекли останки Арнольда в хаотический танец, растягивая его то в одном, то в другом направлении, все быстрее и быстрее, все сильнее и сильнее, до тех пор, пока даже отдельные атомы его вещества не изменятся до неузнаваемости. Фактически, это и есть одна из сущностей сингулярности. Это место, где хаотически осциллирующая кривизна пространства-времени порождает огромные, хаотические приливные силы20.

Размышляя над историей исследования черных дыр, вы вспоминаете, что в 1965 г. британский физик Роджер Пенроуз использовал описание законов физики с помощью общей теории относительности, чтобы доказать, что внутри каждой черной дыры должна находиться сингулярность, а в 1969 г. российская тройка: Лифшиц, Халатников и Белинский, тоже на основе общей теории относительности, сделали вывод, что вблизи сингулярности приливные силы должны испытывать хаотические осцилляции, подобно силам, которые прикладывает к тянучке автомат по ее изготовлению, растягивающий ее в разных направлениях25. Это были золотые годы теоретических исследований черных дыр, 1960-е и 1970-е! Но поскольку физики той золотой поры еще не полностью освоили решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна, одно из ключевых свойств поведения черных дыр ускользнуло от их внимания. Они смогли только предположить, что всякий раз при схлопывании звезды с образованием сингулярности одновременно создается и окружающий ее горизонт, прячущий сингулярность из вида, — сингулярность никогда не может быть создана «голой» так, чтобы оказаться на виду у Вселенной. Пенроуз назвал это явление «соглашение о космической цензуре», поскольку, если это так, то любая экспериментальная информация о сингулярности будет подвержена цензуре: никто никогда не сможет поставить прямой эксперимент по проверке теории сингулярности, не поплатившись жизнью за возможность попадания в черную дыру, и даже не сможет передать свои результаты другим как памятник своим усилиям.

Хотя в 2023 г. Дейм Абигаль Лиман наконец-то разрешил проблему существования космической цензуры, для вас сейчас это неважно. Единственные сингулярности, зафиксированные в атласах вашего корабля, это те, которые находятся внутри черных дыр, и вы не желаете платить цену своей жизни за их исследование.

К счастью, вблизи горизонта черной дыры, но снаружи есть еще достаточно много явлений, которые можно изучать. Вы намерены прежде всего исследовать эти явления и доложить о результатах Всемирному географическому обществу, однако вы не можете экспериментировать вблизи горизонта Аида. Приливные силы здесь слишком велики. Поэтому вы хотите исследовать черную дыру с меньшими приливными силами.

ЗАРЯ напоминает, что согласно предсказаниям общей теории относительности с ростом массы черной дыры приливные силы над ее горизонтом становятся слабее. Этот кажущийся парадокс имеет простое объяснение: приливная сила пропорциональна массе дыры, деленной на куб длины ее окружности: с ростом массы длина окружности горизонта растет линейно, а приливная сила вблизи горизонта уменьшается. Для дыры, имеющей массу миллион солнечных масс, т.е. в 100000 раз более массивной, чем Аид, горизонт будет в 100000 раз больше, а приливная сила в 10 миллиардов (1010) раз слабее. Это удобно — никакой боли! Итак, вы начинаете планировать следующий маршрут вашего путешествия: путешествие к ближайшей черной дыре

в миллион солнечных масс — дыре, названной Стрелец в атласе черных дыр Шехтера, которая расположена в центре нашей галактики Млечный Путь на расстоянии в 30100 световых лет от нас.

Через несколько дней ваша команда пересылает на Землю готовый детальный отчет ваших исследований Аида, включая изображения атомов, падающих на черную дыру, и вашего растягиваемого приливными силами тела. Чтобы покрыть расстояние в 26 световых лет до Земли, отчету потребуется 26 лет, после чего он будет с триумфом опубликован Всемирным географическим обществом.

В сообщении команда описывает ваш план путешествия к центру Млечного Пути: двигатели корабля будут все время работать с ускорением 1 g, и команда будет находиться на корабле в условиях комфортной гравитации, равной земной. Корабль будет ускоряться по направлению к центру галактики в течение половины путешествия, затем он повернется на 180 градусов и будет замедляться с ускорением в 1 g в течение второй половины пути. Весь путь — расстояние в 30100 световых лет потребует 30102 года, если его измерять по земному времени, по корабельным же часам путь займет всего 20 лет. В соответствии с законами специальной теории относительности Эйнштейна21, высокая скорость вашего корабля приведет к тому, что время на корабле «сожмется»; и это сжатие времени заставит звездолет вести себя подобно машине времени, переносящей вас в далекое будущее Земли, а вы лишь немного состаритесь22.

Вы объясняете Всемирному географическому обществу, что ваше следующее сообщение придет из некоторой области центра галактики, после того как вы обнаружите дыру Стрелец в миллион солнечных масс. Если члены Общества хотят получить ваше сообщение, им придется погрузиться в анабиоз на 60186 лет (30102 — 26 = 30076 лет с момента получения вашего сообщения и до момента достижения вами центра галактики плюс 30110 лет, которые требуются, чтобы ваше следующее сообщение из центра галактики достигло Земли).

Стрелец

После 20-летнего по часам звездолета путешествия ваш звездолет замедляется в центре Млечного Пути. Вдалеке вы видите плотное газопылевое облако, устремляющееся внутрь огромной черной дыры. Чтобы перевести корабль на свободную круговую орбиту вблизи горизонта, Карее регулирует тягу двигателей. Измерив длину окружности и период вращения и подставив результаты в формулу Ньютона, вы определяете массу дыры. Она равна 1 миллиону масс Солнца, как и заявлено в Атласе черных дыр Шехтера. Поскольку завихрения у притягиваемых дырой газа и пыли нет, вы делаете вывод, что дыра сильно не вращается, ее горизонт должен быть сферическим, а его длина окружности равна 18,5 миллионам километров, что в восемь раз больше орбиты Луны вокруг Земли.

После дальнейшего тщательного исследования втягивающегося газа вы готовитесь к спуску на горизонт. Для безопасности Карее устанавливает лазерную связь между спускаемой капсулой и главным компьютером звездолета ЗАРЯ. Затем вы вылетаете из люка звездолета, разворачиваете капсулу так, чтобы дюзы указывали в направлении кругового орбитального движения, включаете двигатели и начинаете медленно тормозить, переходя в плавной спирали с одной круговой орбиты на другую.