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.

---

Через сорок два года по часам звездолета вы замедляетесь в окрестности Гаргантюа. Над вашей головой висит квазар 3C273 с двумя бьющими из центра блестящими голубыми струями[30]; под ним находится черная бездна — Гаргантюа. Выйдя на орбиту вокруг Гаргантюа и проведя обычные измерения, вы убеждаетесь, что действительно его масса равна 15 триллионам солнечных масс и что вращается он очень медленно. Из этих данных вы вычисляете, что длина окружности его горизонта составляет 29 световых лет. Наконец, рассчитываете, что это дыра, окрестность которой вы сможете исследовать, испытывая допустимые приливные силы и ускорения! Вы настолько уверены в безопасности, что решаете опустить к горизонту вместо капсулы весь звездолет.

Однако прежде чем начать спуск, вы приказываете команде сделать фотографии гигантского квазара над вами, триллионов звезд, окружающих Гаргантюа, и миллиардов галактик, мерцающих на небе. Они также фотографируют черный диск Гаргантюа под вами, который по размеру примерно соответствует диску Солнца на Земле. На первый взгляд, кажется, что он загораживает свет всех звезд и галактик, расположенных позади. Но приглядевшись, вы обнаруживаете, что гравитационное поле дыры действует как линза[31], отклоняя свет звезд и галактик вблизи края горизонта и фокусируя его в тонкое яркое кольцо по краю черного диска. На этом кольце вы видите несколько изображений от каждой загороженной звезды: одно изображение образуется световыми лучами, которые отклонились вблизи левого края дыры, другое — лучами, отклоненными от правого края, третье — лучами, которые, прежде чем направиться в вашу сторону, сделали полный оборот вокруг дыры, четвертое — лучами, которые дважды обежали дыру, и т. д. В результате получилась очень сложная кольцеобразная структура, которую сфотографировала для детального будущего изучения ваша команда.

Фотографирование закончено, вы приказываете Карес начать спуск звездолета. Но вам придется набраться терпения: дыра настолько велика, что спуск с последовательными ускорениями и замедлениями с 1 g для достижения цели — орбиты в 1,0001 окружности горизонта, потребует 13 лет по времени звездолета.

Пока происходит спуск, команда регистрирует с помощью аппаратуры изменения неба вокруг звездолета. Наиболее заметное изменение — постепенное увеличение диска черной дыры под кораблем. Вы ожидаете, что он перестанет расти, когда закроет все небо под вами как черный пол, а небо над вами остается таким же ясным, как на Земле. Но нет — черный диск продолжает расти, заворачиваясь по сторонам вашего звездолета, и закрывает постепенное все пространство за исключением яркого круглого отверстия сверху, через которое видна окружающая Вселенная (рис. П.4). Это происходит так, как будто вы попали в пещеру и удаляетесь все дальше и дальше от входа, который кажется все меньшим и меньшим светлым пятном.

П.4. Звездный корабль, зависший над горизонтом черной дыры, и траектории, по которым свет доходит до него из дальних галактик (светлые лучи). Гравитация дыры отклоняет лучи света вниз («эффект гравитационной линзы»). Этот эффект и объясняет, почему люди на корабле видят свет сконцентрированным в яркое круглое пятно над ними

В нарастающей панике вы просите помощи у «ЗАРИ»:

— Неужели Карес ошиблась при расчете траектории? Мы что, прошли через горизонт? Мы обречены?

— Тише, тише! — успокаивает она. — Мы в безопасности, мы все еще выше горизонта. Темнота закрыла большую часть неба только из-за мощного эффекта линзы, обусловленного гравитацией дыры. Посмотри туда, где мой указатель, почти точно над вами — там находится галактика 3С295. Прежде чем вы начали опускаться, она была в горизонтальном положении, 90° от зенита. Но теперь, вблизи горизонта Гаргантюа, гравитация дыры настолько сильно воздействует на почти горизонтальные лучи света, идущие от 3С295, что они, изгибаясь, превращаются в почти вертикальные. В результате кажется, что ЗС295 находится вверху.

Теперь вы продолжаете спуск более уверенно. На мониторе показывается пройденное звездолетом по направлению к центру дыры расстояние и длина окружности вашей орбиты вокруг дыры. На ранних стадиях спуска на каждый километр пройденного радиуса длина окружности уменьшалась на 6,283185307… километров. Отношение уменьшения длины окружности к уменьшению радиуса было равно точно 2π, как и предсказывает стандартная формула Евклида для окружностей. Но теперь, когда ваш корабль приближается к горизонту, отношение уменьшения радиуса становится много меньше, чем 2π: 5,960752960 для 10 окружностей горизонта; 4,442882938 для 2 окружностей; 1,894451650 для 1,1 окружности горизонта; 0,625200306 для 1,01 окружности. Такие отклонения от евклидовой геометрии, изучаемой в школе, возможны только в искривленном пространстве — вы видите кривизну пространства, которая предсказана общей теорией относительности Эйнштейна и которая должна сопровождать приливные силы дыры[32]. На конечной стадии спуска звездолета, чтобы замедлить его падение, Карес еще усиливает тягу двигателей. Наконец, корабль зависает на длине окружности в 1,0001 горизонта, используя 10 g ускорение для противостояния мощной гравитационной тяге дыры. На последнем километре радиального спуска длина окружности уменьшилась всего на 0,062828712 километра.

Еле ворочая руками, преодолевая болезненное 10 g ускорение, команда разворачивает телескопические камеры и начинает долгое и детальное фотографирование. За исключением слабого излучения вокруг, вызванного столкновениями атомов падающего газа, единственными электромагнитными волнами, которые можно сфотографировать, являются те, что приходят из яркого пятна над вами. Пятно уменьшилось всего до 3 градуса в диаметре, что в 6 раз больше диаметра диска Солнца, каким мы его видим на Земле. Но в это пятно стянуто изображение всех звезд, которые вращаются вокруг Гаргантюа и всех галактик Вселенной. Точно в центре находятся галактики, которые действительно находятся прямо над вами. На расстоянии в пятьдесят пять процентов от центра пятна до его края находятся изображения галактик, которые, как ЗС295, если бы не эффект линзы, были бы видны на горизонте, в 90° от зенита. На расстоянии в 35 процентов до края пятна находятся изображения галактик, которые, как вы знаете, в действительности находятся на противоположной стороне дыры, прямо под вами. В 30 процентах от края пятна находится второе изображение каждой галактики, а еще в 2 процентах от края — третье!

Также необычно то, что цвета всех звезд и галактик кажутся неправильными. Галактика, о которой вы точно знаете, что она имеет зеленый цвет, светится теперь в мягком рентгеновском диапазоне: гравитация Гаргантюа, направляя к вам излучение галактики, делает его более высокоэнергетичным, уменьшая длину волны с 5x10-7 метра (зеленый) до 5х10-9 метра (рентгеновские лучи). Подобным же образом внешний диск квазара 3C273, который как вы знаете, излучает инфракрасный свет с длиной волны 5х10-5 метра, выглядит теперь зеленым с длиной волны 5х10-7 метра.

После тщательной регистрации всех особенностей пятна, вы обращаете внимание на свой звездолет. Вы подозреваете, что здесь, так близко к горизонту дыры, законы физики будут как-то изменяться, и эти изменения могут влиять и на вашу физиологию. Но нет. Вы смотрите на вашего первого помощника, Карес — она выглядит нормально. Второй помощник Брет тоже в норме. Вы дотрагиваетесь до них и не чувствуете изменений. Вы пьете стакан воды и, если не считать эффектов, связанных с большим десятикратным ускорением свободного падения, вода проходит нормально. Карес включает аргоновый лазер, появляется, как обычно, зеленый луч. Брет посылает импульсы рубинового лазера и измеряет время, которое требуется световому импульсу для прохождения пути от лазера до зеркала и обратно. Из этих измерений он вычисляет скорость света. Результат в точности такой же, что и в лаборатории на Земле: 299792 километров в секунду.

На звездолете все в порядке, все абсолютно так же, как если бы корабль покоился на поверхности массивной планеты с гравитацией в 10 g. Если бы не причудливое пятно прямо над вами и все поглощающая пустота вокруг, вы бы не узнали, что находитесь очень близко к горизонту черной дыры, а не в безопасности на поверхности планеты. Ну, или почти не узнали. Дыра искривляет пространство-время внутри вашего звездолета так же, как и снаружи, и с помощью достаточно точных измерений вы можете определить эту кривизну, например, измерить силу приливного растяжения между вашей головой и ногами. Но поскольку кривизна исключительно важна в масштабе горизонта длиной в 300 триллионов километров, ее влияние в масштабе вашего однокилометрового звездолета ничтожно. Приливная сила, порождаемая кривизной, между верхом и низом звездолета равна одной сотой от триллионной части земной гравитации (10-14 g), а между головой и ногами еще в тысячу раз ее меньше!