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

---

ЧТО ТАКОЕ РЕАЛЬНОСТЬ?

глава, в которой пространство-время искривлено по воскресеньям и плоское по понедельникам; горизонты по воскресеньям сделаны из вакуума и по понедельникам из зарядов, но воскресные эксперименты согласуются с понедельничными во всех деталях

Действительно ли пространство-время искривлено? Может быть, оно на самом деле плоское, а «кривы» часы и линейки, с помощью которых мы его измеряем (см. Врезку 11.1)? Может быть, даже самые точные часы немного отстают или спешат, а самые точные линейки сжимаются или растягиваются, когда мы переносим их от точки к точке и крутим их так и сяк? Может быть, пространство-время «кривит» от наших часов и линеек?

Да.

На рис. 11.1 приведен конкретный пример: даны измерения радиусов и окружностей вокруг невращающейся черной дыры. Слева мы видим диаграмму, показывающую искривление пространства у черной дыры. Пространство на этой диаграмме искривлено, потому что расстояния измеряются линейками, которые мы считаем заведомо точными и не меняющими свою длину, куда бы и как бы мы их ни прикладывали. Линейки показывают, что горизонт вокруг черной дыры имеет окружность длиной 100 км. Вокруг дыры проведена также окружность с вдвое большей длиной, 200 км, и расстояние от нее до горизонта измерено с помощью точной линейки; оно составляет 37 км. Если бы пространство было плоским, это радиальное расстояние было бы равно разности радиусов внешней окружности 200/2-л: км и горизонта 100/271 км, т.е. приблизительно 16 км. Чтобы получилось большее радиальное расстояние, 37 км, пространство должно иметь искривленную форму, в виде раструба музыкальной трубы (см. диаграмму).

Врезка 11.1

Совершенные линейки и часы

Под «совершенными часами» и «совершенными линейками» в этой книге подразумеваются часы и линейки, наиболее точные в нашем мире, совершенство которых проверяется на атомно-молекулярном уровне.

Точнее говоря, совершенные часы должны «тикать» в одном ритме с колебаниями атомов и молекул. Лучшие атомные часы в мире для этого и созданы. Поскольку колебания атомов и молекул контролируются тем, что я назвал в предыдущих главах «темпом течения времени», совершенные часы измеряют «временную» часть искривленного пространства-времени Эйнштейна.

Отметки на совершенных линейках должны иметь однородные и стандартные расстояния по сравнению с длинами волн света, излученного атомами и молекулами, например, по отношению к «длине волны 21 см», излучаемой молекулами водорода. Это равносильно тому, что если измерения длины производятся линейкой при фиксированной и стандартной температуре (скажем, ноль градусов Цельсия), то она всегда содержит одинаковое число атомов между отметками длины. Это, в свою очередь, гарантирует, что совершенные линейки измеряют пространственные длины искривленного пространства-времени Эйнштейна.

В этой главе вводится концепция «истинного» времени и «истинной» длины. Причем они не обязательно измеряются совершенными часами и совершенными линейками, т.е. это время и эта длина не обязательно основаны на атомно-молекулярных стандартах и не обязательно должны являться частью изогнутого пространства-времени Эйнштейна.

Если пространство вокруг черной дыры на самом деле плоское, а наши линейки растягиваются, нам может казаться, что искривлено пространство. Тогда истинная геометрия пространства такова, как показано в правой части рис. 11.1, а истинное расстояние от горизонта до окружности 16 км, как это следует из законов плоской геометрии Евклида. Из общей теории относительности, однако, следует, что это истинное расстояние нельзя измерить с помощью наших совершенных линеек. Возьмите линейку и приложите ее вдоль окружности вокруг черной дыры с внешней стороны от ее горизонта (черный отрезок дуги с делениями в правой части рис. 11.1). Будучи расположена по окружности, линейка измеряет истинное расстояние. Отрежьте кусок линейки длиной 37 км. Этот отрезок составляет 37 % всей длины окружности вокруг черной дыры. Теперь поверните линейку в радиальном направлении (прямая черная полоска с делениями на рис. 11.1). В соответствии с общей теорией относительности при повороте она сожмется. Если

Искривленное пространство-время Плоское пространство-время11.1. Измерения длины в окрестности черной дыры с двух различных точек зрения. Слева: пространство-время считается искривленным, и совершенная линейка измеряет точную длину истинного пространства-времени. Справа: пространство-время считается плоским, и линейка является растяжимой. Совершенная линейка длиной 37 км, ориентированная вдоль окружности, измеряет точную длину в истинном плоском пространстве-времени. Но ориентированная по радиусу, эта линейка сжимается, причем тем сильнее, чем ближе она к черной дыре. Поэтому радиальное расстояние, измеренное с ее помощью, оказывается больше истинного (в нашем случае 37 км вместо истинных 16 км)

направить линейку по радиусу, ее истинная длина должна сжаться до 16 км и она будет доставать от горизонта точно до внешнего круга. Однако деления, которые остались на сжавшейся линейке, говорят о том, что ее длина по-прежнему 37 км. Таким образом, расстояние между горизонтом и окружностью равно 37 км. Люди подобные Эйнштейну, которые не знают, что линейка может растягиваться, и верят ее показаниям, делают вывод, что пространство искривлено. Однако те люди, которые, как я и вы, принимают растяжимость, знают, что линейка сжимается, а пространство на самом деле плоское.

Что могло заставить линейку сжаться, когда изменилась ее ориентация? Конечно, гравитация. В плоском пространстве правой части рис. 11.1 существует гравитационное поле. Оно контролирует размеры фундаментальных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, всего на свете и заставляет их сжиматься в радиальном направлении. Сжатие велико возле черной дыры и уменьшается с удалением от нее, так как гравитационное поле, контролирующее это сжатие, генерируется черной дырой и его влияние уменьшается с расстоянием.

Гравитационное поле, влияющее на сжатие, имеет и другие следствия. Когда фотон или какая-нибудь другая частица пролетает рядом с дырой, поле действует на нее и искривляет ее траекторию. Траектория частицы изгибается вокруг черной дыры. Она становится кривой при измерениях в истинной плоской пространственно-временной гео-

метрии черной дыры. Но люди подобные Эйнштейну, принимающие всерьез показания растяжимых линеек и часов, думают, что фотон движется по прямой линии в искривленном пространстве-времени.

Что же происходит на самом деле? Является ли пространство-время плоским, как мы думали до сих пор, или оно искривлено в действительности? Для физика подобного мне это неинтересный вопрос, потому что у него нет физических следствий. Обе точки зрения — изогнутого и плоского пространства-времени — дают совершенно одинаковые предсказания для измерений, выполненных с помощью совершенных линеек и часов, а также с помощью любых других физических приборов. Например, с обеих точек зрения радиальное расстояние между горизонтом и окружностью на рис. 11.1, измеренное совершенной линейкой, равно 37 км. Несогласие между ними заключается только в том, является ли измеренное расстояние «реальным». Но это уже вопрос не физики, а философии. Поскольку результаты всех экспериментов согласуются с обеих точек зрения, они физически эквивалентны. Какая из них сообщает нам «истинную правду», не важно с экспериментальной точки зрения. Пусть об этом спорят философы, а не физики. Более того, физики могут пользоваться попеременно обеими точками зрения (и делают это), пытаясь выводить предсказания из общей теории относительности.

•к -к -к

Умственные процессы, которые характеризуют работу физиков-теоретиков, блестяще описал Томас Кун в своей концепции парадигмы. Кун, получивший степень доктора философии по физике в Гарвардском университете в 1949 г., стал впоследствии выдающимся историком и философом науки. Он ввел концепцию парадигмы в книге, написанной в 1962 г., Структура научных революций. Это одна из самых потрясающих книг, которые я когда-либо читал.

Парадигма — это целый набор средств, который используется сообществом ученых в процессе исследования какого-либо предмета, а также в процессе общения друг с другом при обсуждении результатов этого исследования. Искривленное пространство-время в общей теории относительности — это одна парадигма; плоское пространство-время — другая. Каждая из этих парадигм включает в себя три основных элемента: ряд физических законов, сформулированных на языке математики; ряд иллюстраций (мысленных, вербальных или на бумаге), которые описывают законы и помогают нам понимать друг друга; ряд примеров — проведенных ранее вычислений и решенных задач либо в учебниках, либо в опубликованных научных статьях, которые являются правильными и интересными с точки зрения экспертов по теории относительности и которые мы используем в качестве образца в наших последующих вычислениях.