Дыры в пространстве—времени

Вероятно, самое занимательное и впечатляющее предсказание общей теории

относительности — существование черных дыр. Им часто дают довольно при-

земленное определение: «Объекты, гравитационное поле которых настолько

сильно, что покинуть их не могут даже кванты света». В действительности все

намного интереснее.

Даже в ньютоновской теории гравитации ничто не мешает нам рассматри-

вать настолько массивные и плотные объекты, что скорость убегания от них

будет выше скорости света, — это, по сути, «черные» тела. Данная идея не

нова — ее рассматривали, в частности, британский геолог Джон Митчелл

в 1783 году и Пьер-Симон Лаплас в 1796-м.4 В то время ее жизнеспособность

вызывала определенные сомнения, ведь никто не мог однозначно сказать,

влияет ли гравитация на свет, а скорость света еще не приобрела ту фундамен-

тальную значимость, которая ей приписывается в теории относительности.

Однако еще важнее то, что, казалось бы, незначительно отличающиеся форму-

лировки «скорость убегания выше скорости света» и «кванты света не могут

покинуть» на самом деле скрывают огромные различия в базовых понятиях.

Скорость убегания — это скорость, с которой объект должен начать двигать-

ся вверх, для того чтобы вырваться из гравитационного поля тела без какого-

либо дополнительного ускорения. Если я захочу запустить бейсбольный мяч

в космическое пространство, мне придется бросить его в воздух со скоростью,

превышающей скорость убегания. Но почему бы мне, с другой стороны,

 

 

Часть II. Время во Вселенной Эйнштейна

 

не поместить тот же самый мячик в ракету и не отправить в космос путем по-

степенного ускорения? В таком случае мне даже не придется заботиться о том,

чтобы достичь скорости убегания. Другими словами, не обязательно достигать

скорости убегания для того, чтобы фактически покинуть гравитационное поле

тела; если у вас достаточно топлива, вы можете перемещаться с той скоростью,

которая вам удобна, даже если она будет намного ниже.

Однако настоящая черная дыра, согласно общей теории относительности, —

штука куда более суровая. Это настоящая область невозврата: оказавшись

в черной дыре, вы уже не сможете ее покинуть, какие бы технологические ди-

ковинки ни находились в вашем распоряжении. Причина в том, что общая те-

ория относительности, в отличие от ньютоновской гравитации и специальной

теории относительности, допускает искривление пространства—времени.

В каждой точке пространства—времени присутствуют световые конусы, де-

лящие пространство на прошлое, будущее и области, достичь которых невоз-

можно. Однако, в отличие от специальной теории относительности, в общей

теории относительности световые конусы не закреплены и не выстроены; они

могут наклоняться и растягиваться, а пространство—время искривляется под

действием вещества и энергии. Световые конусы, находящиеся вблизи тяже-

лого объекта, наклоняются в его сторону в полном соответствии с утвержде-

нием о том, что объекты притягиваются гравитационными полями. Черная

дыра — это область пространства—времени, в которой световые конусы на-

клонились так сильно, что покинуть ее соответствующие объекты смогли бы,

только превысив скорость света. Несмотря на сходство формулировок, это

намного более серьезное заявление, чем «скорость убегания больше скорости

света». Граница, определяющая область черной дыры и отделяющая области,

из которых у вас еще есть шанс сбежать, от областей, где вам ничего не остает-

ся, кроме как продолжать погружаться в глубь неизвестности, называется го-

ризонтом событий.

В реальном мире черные дыры могут образовываться разными способами,

но стандартным сценарием считается коллапс достаточно массивной звезды.

В конце 1960-х годов Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг доказали одно пора-

зительное свойство общей теории относительности: когда гравитационное

поле становится достаточно сильным, обязательно образуется сингулярность.5

Возможно, вам это кажется само собой разумеющимся, ведь сила притяжения

становится все больше и больше и в итоге стягивает вещество в одну точку.

Однако в ньютоновской гравитационной теории все происходит совсем не так.

Если очень сильно постараться, то добиться сингулярности, конечно, можно,

но в общем случае вещество при сжатии всего лишь достигает максимальной

 

Глава 5. Время гибкое

 

 

Рис. 5.4. Световые конусы наклоняются вблизи черной дыры. Горизонт событий, опре-

деляющий границу черной дыры, — это место, где конусы наклоняются так сильно, что

единственной надеждой на побег становится движение со скоростью, превышающей

скорость света

 

плотности, и больше ничего не происходит. В противоположность этому, в общей

теории относительности плотность и кривизна пространства—времени возрас-

тают неограниченно до тех пор, пока не образуют сингулярность бесконечной

кривизны. Подобную сингулярность можно найти в любой черной дыре.

Было бы неверно считать, что сингулярность находится в «центре» черной

дыры. Если внимательно рассмотреть схему на рис. 5.4, иллюстрирующую

пространство—время вблизи черной дыры, то мы увидим, что световые кону-

сы внутри горизонта событий продолжают наклоняться в сторону сингуляр-

ности. Нам уже известно, что световые конусы определяют то, что наблюдатель

в данном событии называет «будущим». Таким образом, как и сингулярность

Большого взрыва в прошлом, сингулярность черной дыры в будущем — это

момент во времени, а не место в пространстве. И оказавшись за горизонтом

событий, вы не сможете повернуть назад: сингулярность станет вашей суровой,

но неизбежной судьбой, потому что она находится впереди во времени, а не

по какому-то направлению в пространстве. Уклониться от попадания в сингу-

лярность так же нереально, как уклониться от попадания в завтра.

Пересекая горизонт событий, вы вряд ли заметите что-то необычное. Это

не какой-то силовой барьер, не энергетическая стена, проходя сквозь которую

вы понимаете, что попали в черную дыру.6 Это всего лишь уменьшение числа

вариантов развития событий; вариант «возвращение во внешнюю Вселенную»

становится невозможным, а единственно доступным остается «нырок

 

 

Часть II. Время во Вселенной Эйнштейна

 

 

Рис. 5.5. Объект приближается к горизонту событий, но удаленному наблюдателю кажется,

что он всего лишь замедляется и краснеет. Момент на мировой линии объекта, когда он

пересекает горизонт, — это последнее мгновение, когда его можно увидеть снаружи

 

в сингулярность». Вообще, зная массу черной дыры, вы могли бы даже точно

рассчитать, сколько времени (согласно вашим часам) пройдет до момента до-

стижения сингулярности, когда вы прекратите существовать. В черной дыре,

масса которой равна массе Солнца, это займет около одной миллионной доли

секунды. Возможно, вы попробовали бы отсрочить ужасную гибель и сбежать

от сингулярности, запустив ракетный двигатель, однако на самом деле это

сыграло бы против вас. Согласно теории относительности, движение без уско-

рения максимизирует время между двумя событиями. Пытаясь бороться с не-

избежным, вы лишь ускорили бы приближение конца.7

Момент на вашей траектории, когда вы, падая, пересекаете горизонт со-

бытий, определяется однозначно. Предположим, что вы отправляете своему

другу, находящемуся за пределами черной дыры, непрерывный поток радио-

сигналов. Он получит только те сигналы, которые вы успели отправить до

прохождения горизонта событий, и ни одного сигнала изнутри черной дыры.

Но при этом вы не исчезнете внезапно из его поля зрения. Он продолжит полу-

чать ваши радиосигналы — просто через все более долгие интервалы и в ис-

каженном виде, поскольку из-за большего красного смещения длина волны

сигналов также будет постоянно возрастать. Последний момент вашего падения

 

Глава 5. Время гибкое

 

 

перед пересечением горизонта с точки зрения внешнего наблюдателя вообще

будет «заморожен», хотя картинка и будет с течением времени становиться

все более тусклой и краснеть.