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

• Название: Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна
• Автор: Кип Торн
• Издательство: Издательство физико-математической литературы
• Жанр: Науки о космосе
• Год: 2007
• ISBN: 9875-94052-144-4

Предлагаемая монография является популярным изложением новейших достижений в области астрофизики и гравитации, которые тесно связаны с фундаментальными предсказаниями А. Эйнштейна. Читатель найдет в книге много интересного о вкладе ученых разных стран в эту область науки, а также в близких к ней областях.

Эта книга переведена с английского на французский, немецкий, японский, китайский, польский, греческий языки. Несколько глав ее были ранее переведены на русский и опубликованы в журнале «Природа».

Книга рассчитана на широкий круг читателей, включая школьников старших классов.

---

После трех недель траура, экспериментов и телескопических исследований команда начинает готовиться к будущему. Доставив материал с далеких планет, вы строите балочное кольцо вокруг дыры. Кольцо имеет длину окружности в 5 миллионов километров, толщину в 552 километра и ширину в 4000 километров. Оно вращается с нужной скоростью — два оборота в час, так чтобы уравновесить центробежные силы гравитационной силой в центральном слое кольца, на расстоянии 276 километров от его внутренней и внешней поверхности. Размеры выбраны очень тщательно, так, чтобы те люди, которые предпочитают жить в условиях гравитации, равной гравитации на Земле, могли построить свои дома вблизи внутренней или наружной стороны кольца, в то время как те, кто предпочитает более слабое тяготение, могли бы жить ближе к его центру. Эта разница в гравитации возникает частично благодаря центробежной силе вращающегося кольца, а частично благодаря приливным силам дыры или, говоря на языке Эйнштейна, из-за искривления пространства-времени.

Электрическая энергия, которая нагревает и освещает это кольцо, извлекается из черной дыры: двадцать процентов массы дыры находится в форме энергии, которая запасена в вихре пространства вблизи горизонта с наружной стороны[42]. Эта энергия в 100000 раз больше энергии, которую в виде тепла и света испустило Солнце за весь период своего существования. И поскольку эта энергия находится за пределами горизонта, она может быть извлечена. Неважно, что извлечение энергии в мире кольца имеет максимальную эффективность только 50 %, все равно этот источник обеспечивает в 5000 раз больше энергии, чем Солнце.

П.6. Город на балочном кольце вокруг вращающейся черной дыры, и электромагнитная система, с помощью которой город извлекает энергию из вращения дыры

Энергетический генератор работает по тому же принципу, что и некоторые квазары[43]. Ваша команда провела через горизонт дыры магнитное поле и удерживает его на дыре, несмотря на неустойчивость с помощью гигантских сверхпроводящих катушек (рис. П.6). При вращении горизонта он вовлекает как в смерче в вихревое движение окружающее пространство, которое, в свою очередь, взаимодействует с пронизывающим его магнитным полем и образует гигантский генератор электрической энергии. Силовые линии магнитного поля работают как линии передачи энергии. Электрический ток выходит из экватора дыры (в виде потока электронов) вверх и вдоль линий магнитного поля направляется к миру кольца. Затем он вытекает из кольца вдоль другого набора силовых линий магнитного поля и опускается вниз на северный и южный полюса дыры (в виде нисходящего потока позитронов). Подбирая силу магнитного поля, население мира может регулировать поток мощности: создавая слабое поле и потребляя мало энергии в ранние годы нового мира и увеличивая поля и расход энергии позже. Постепенно, по мере извлечения энергии, дыра замедляет свое вращение, но, чтобы исчерпать гигантские запасы энергии дыры, потребуется вечность.

Ваша команда и бесчисленные поколения ее потомков могут назвать этот искусственный мир «домом» и использовать его как базу для будущих исследований Вселенной. Но все же это не для вас. Вы тоскуете по Земле и по друзьям, которые остались там, по друзьям, которые должны уже были умереть 4 миллиарда лет тому назад. Ваша тоска настолько глубока, что вы решаетесь рискнуть последней четвертью своего нормального 200-летнего срока жизни и, преодолевая опасности, предпринять, возможно, безрассудную попытку вернуться в идиллическую эпоху вашей юности.

Путешествовать во времени в будущее, как показало ваше путешествие среди черных дыр, довольно просто. Но это не относится к путешествию в прошлое. В действительности, такое путешествие может быть абсолютно запрещено с точки зрения законов фундаментальной физики. Однако ЗАРЯ, вспомнив теоретизирования, относящиеся еще к XX веку, рассказала вам, что путешествие вспять все же возможно с помощью гипотетической свертки пространства, называемой червоточиной[44]. Эта свертка пространства состоит из двух «входных» дыр (входных устьев червоточины), которые выглядят как черные дыры без горизонта и которые могут далеко отстоять друг от друга во Вселенной (рис. П.7).

Все что проходит через одно входное устье, попадает в очень короткую трубку (горловину червоточины), которая ведет к другому входному устью. Эту трубку нельзя увидеть из нашей Вселенной, потому что она располагается в гиперпространстве, а не в нормальном пространстве. ЗАРЯ объясняет, что время идет в червоточине, вероятно, не так, как в нашей Вселенной. Пересекая червоточину в одном направлении, скажем от левого входного устья к правому, можно переместиться назад во времени нашей Вселенной, и, в то же время, двигаясь в обратном направлении, можно перенестись во времени вперед. Такая червоточина будет сверткой не только пространства, но и времени.

П.7. Два входных устья гипотетической червоточины. Войдя в любое из них, вы выйдете из другого, пролетев через короткую трубку (горловину червоточины), которая проходит не в нашей Вселенной, а в гиперпространстве

Законы квантовой гравитации требуют — утверждает ЗАРЯ, — чтобы существовали чрезвычайно крошечные червоточины такого типа[45]. Эти квантовые червоточины должны быть такими крошечными, размером всего 10-33 сантиметра, а время их существования настолько быстротечно — 10-43 секунды, что их невозможно использовать для путешествия во времени. Они должны внезапно появляться и исчезать в нашем мире совершенно случайным и непредсказуемым образом — здесь, там, везде. Совершенно случайно зародившаяся червоточина может иметь одно входное устье вблизи сегодняшнего дня этого мира кольца, а другое — вблизи Земли 4 миллиарда лет тому назад, когда вы отправились в путешествие. ЗАРЯ предлагает попробовать поймать такую червоточину в момент ее появления, растянуть ее, как дети надувают шары, и подержать открытой, пока вы пройдете через нее домой, в пору своей юности.

Но ЗАРЯ предупреждает вас о большой опасности. Физики спорили, хотя это и не было никогда доказано, что в момент расширения, когда червоточина превращается в машину времени, она должна самоуничтожиться в гигантской вспышке. Таким образом, Вселенная должна защищаться от парадоксов путешествий во времени, например, от парадокса человека, вернувшегося в прошлое и убившего свою мать до момента своего зачатия, предотвращая, таким образом, саму возможность убить свою мать[46].

Если предположение физиков неверно, то ЗАРЯ сможет достаточно расширить и удержать в течение нескольких секунд устье червоточины, чтобы вы смогли пройти через нее. Ожидая поблизости, пока она расширяет устье червоточины, и затем войдя в ее горловину, вы за долю секунды вашего собственного времени прибудете домой на Землю в эпоху вашей юности 4 миллиарда лет тому назад. Но если машина времени самоуничтожится, вы погибнете вместе с ней. Использовать ли этот шанс — решать вам…

* * *

Сказка, которую я вам рассказал, похожа на научную фантастику. Действительно, частично это так: я никоим образом не могу вам гарантировать, что около звезды Вега существует черная дыра в 10 солнечных масс, или в центре Млечного Пути — дыра в миллион солнечных масс, или то, что вообще где-то во Вселенной есть дыра в 15 триллионов солнечных масс. Все это чисто умозрительные, но возможные фантазии. Не могу также гарантировать, что человечеству когда-либо удастся разработать технику межгалактических или даже межзвездных путешествий, или сконструировать кольцевые миры, расположенные на балочных конструкциях вокруг дыры. Все это тоже умозрительная фантастика.

С другой стороны, я могу гарантировать с большой, но не абсолютной уверенностью, что черные дыры существуют в нашей Вселенной и имеют именно те свойства, которые я описал в своей сказке. Если вы зависнете в разгоняющемся звездном корабле как раз над горизонтом дыры в 15 триллионов солнечных масс, я могу гарантировать, что законы физики будут такими же, что и на Земле, и когда вы взглянете на небеса вокруг себя, вы увидите всю Вселенную, которая светится как сверкающий маленький световой диск. Я гарантирую, что если вы пошлете робота-испытателя вниз к горизонту вращающейся звезды, как бы он не разгонялся, он никогда не сможет двигаться вперед или назад с иной скоростью, чем скорость вращения самой дыры (270 вращений в секунду в моем примере). Я гарантирую, что быстро вращающаяся звезда запасает 29 процентов своей массы в виде энергии вращения, и если найдется умник, он сможет извлечь эту энергию и использовать ее.

Как же я могу уверенно гарантировать все это? Прежде всего я никогда не видел черной дыры. Их не видел никто. Астрономы нашли только косвенные доказательства существования черных дыр[47], но нет никаких данных наблюдения их детальных свойств, о которых сообщалось выше. Как же я могу быть столь смелым, чтобы так много всего гарантировать? По одной простой причине. Так же как законы физики предсказывают вид океанских приливов на Земле, время и высоту каждого сильного и каждого слабого прилива, так же эти законы, если мы их правильно понимаем, предсказывают свойства черных дыр, причем предсказывают однозначно. Из ньютоновского описания законов физики с помощью математических расчетов можно получать последовательность земных приливов для 1999 или 2010 г., подобным же образом из общей теории относительности Эйнштейна можно получить с помощью математических расчетов все, что касается свойств черных дыр на горизонте и снаружи его.