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.

---

Однако по мере того, как орбита медленно сокращается, начинается происходить что-то странное. Уже при длине окружности в 100000 километров вы начинаете это чувствовать. Плавая внутри капсулы при положении тела ногами по направлению к черной дыре, а головой к звездам, вы чувствуете слабое усилие, приложенное к ногам в сторону дыры и такое же усилие, приложенное к вашей голове; вас мягко растягивает как тянучку. Вы понимаете, что причина — это гравитация дыры. Ваши ноги ближе к дыре, чем ваша голова, поэтому дыра тянет их сильнее, чем вашу голову. Конечно, точно так же обстоит дело, и когда вы стоите на Земле, но разница в расстоянии головы и ног от центра Земли в этом случае ничтожна, меньше чем одна миллионная, так что вы никогда ее не заметите. Наоборот, когда вы плаваете в своей капсуле по окружности в 100000 километров, разница «голова — ноги» составляет одну восьмую ускорения свободного падения на Земле (1/8 g). В середине вашего тела центробежная сила орбитального движения в точности сравнивается с гравитацией дыры. Получается, что гравитация как будто отсутствует, и вы плаваете свободно. Но действующая на ноги более сильная гравитационная сила тянет вниз с дополнительным ускорением 1/16 g, а на голову действует более слабая гравитационная сила, позволяющая центробежной силе толкать вас вверх с дополнительным ускорением в 1/16 g.

Развеселившись, вы продолжаете двигаться по нисходящей спирали; но вскоре ваша веселость сменяется тревогой. По мере того как орбита уменьшается, силы, действующие на голову и ноги, возрастают. На длине окружности в 80000 километров разница составляет 1/4 g, на 50000 километров — это уже как сила тяжести на Земле; на 30000 километрах оно равно 4 g. Сжимая зубы от боли, поскольку голова и ноги растягиваются в противоположные стороны, вы спускаетесь до 20000 километров при 15 g растягивающей силы. Больше вам не выдержать! Вы пытаетесь решить эту проблему, свернувшись клубком, так чтобы ноги и голова были ближе, а разница в силах меньше, но растягивающие силы настолько велики, что они не позволяют вам свернуться и распрямляют ваше тело вдоль радиуса дыры. Если орбита капсулы еще уменьшится, ваше тело будет разорвано! Надежда достичь окрестности горизонта пропала.

Расстроенный и измученный, вы останавливаете спуск капсулы, поворачиваете ее и начинаете осторожно и мягко форсировать свой путь назад, увеличивая высоту орбиты, и возвращаетесь в чрево звездолета.

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»[23].

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-времени[24]. 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 силы[25].

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 направлениях[26]. 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.