Черные дыры — это реальность

У нас есть веские причины полагать, что черные дыры реально существуют.

Конечно, мы не в состоянии увидеть их непосредственно — они достаточно

«темны», даже несмотря на доказательство Хокингом отсутствия их абсо-

лютной «черноты». Однако мы можем наблюдать то, что происходит в их

окрестностях, а пространство вокруг черной дыры обладает достаточно

специфическими свойствами, чтобы мы могли с уверенностью утверждать,

что наблюдаем именно окрестности черной дыры. Некоторые черные дыры

образуются в результате коллапса очень массивных звезд, а такие звезды часто

имеют звезд-компаньонов, вращающихся вокруг главной звезды. Потоки газа,

испускаемые звездой-компаньоном, могут падать на черную дыру, образуя

вокруг нее аккреционный диск, который, в свою очередь, нагревается до

гигантских температур и испускает мощное рентгеновское излучение. Спут-

никовые обсерватории обнаружили множество источников рентгеновского

излучения, демонстрирующих все характерные особенности объектов по-

добного рода, в частности сильные потоки высокоинтенсивного излучения,

исходящие из небольшого участка космического пространства. У астрофи-

зиков нет другого удовлетворительного объяснения этих наблюдений, кроме

предположения о наличии там черных дыр.

Имеются также убедительные доказательства существования сверхмассив-

ных черных дыр в центрах галактик — их массы в миллионы раз превышают

 

Глава 12. Черные дыры: конец времени

 

 

массу Солнца (хотя эти массы все равно составляют лишь небольшую часть

полных масс галактик, которые обычно превышают массу Солнца в сотни

миллиардов раз). На ранних стадиях образования галактики эти гигантские

черные дыры поглощают все вещество вокруг себя, затягивая его мощнейшими

вихрями, которые мы наблюдаем как квазары. По мере прихода галактики к со-

стоянию равновесия эти процессы замедляются, и квазары «выключаются».

Ученые почти уверены, в частности, что в центре нашего собственного Млеч-

ного Пути скрывается черная дыра массой около четырех миллионов солнечных

масс. Даже при отсутствии интенсивного излучения квазаров наблюдения за

звездами, находящимися в центре галактики, показывают, что эти звезды вра-

щаются строго по эллиптическим орбитам вокруг некоего невидимого объ-

екта. Можно заключить, что эти звезды находятся в гравитационном поле на-

столько плотного и массивного объекта, что он не может быть ничем, кроме

черной дыры, если, конечно, считать общую теорию относительности при-

менимой.3

 

У черных дыр нет волос

Как бы ни было интересно заниматься поиском черных дыр во Вселенной, еще

интереснее просто размышлять о них.4 Черная дыра — это наилучшая лабора-

тория для проведения мысленных экспериментов в области гравитации. Особо

ценное свойство черных дыр — это их «чистота».

Хотя наблюдения убеждают нас в существовании черных дыр, они не дают

нам сколько-нибудь подробных сведений об их свойствах; мы не можем близко

подойти к черной дыре и потрогать ее. Когда мы уверенно заявляем что-либо

о тех или иных свойствах черных дыр, мы неявно исходим из определенных

теоретических предпосылок. К сожалению, ученым еще не удалось построить

законченную теорию квантовой гравитации, которая предположительно долж-

на объединить общую теорию относительности с принципами квантовой ме-

ханики. Так что пока у нас нет единой корректной теории, которая бы могла

дать ответы на все наши вопросы раз и навсегда.

В отсутствие полной теории мы обычно исследуем вопросы в рамках одно-

го из трех теоретических подходов.

1. Классическая общая теория относительности как она сформулирована Эйн-

штейном. Это наилучшая полная теория гравитации, имеющаяся на данный

момент, и она полностью согласуется со всеми известными эксперимен-

тальными данными. Эта теория великолепно работает в том смысле, что она

может дать конкретный ответ на любой правильно поставленный вопрос

 

 

Часть IV. Из кухни в Мультиленную

 

(даже если наши вычислительные возможности не позволят нам получить

точное числовое значение). К сожалению, эта теория не исчерпывающе

верна, поскольку она полностью классическая, а не квантово-механическая.

2. Квантовая механика в искривленном пространстве—времени. Это подход

с «раздвоенной природой». Мы рассматриваем пространство—время,

среду, сквозь которую движется материя во Вселенной, как что-то класси-

ческое, подчиняющееся законам общей теории относительности. В то же

время мы рассматриваем «материю» как что-то квантово-механическое,

описываемое в терминах волновых функций. Это вполне оправданный

компромиссный подход, который может помочь в решении многих прак-

тических задач.

3. Квантовая гравитация. Корректная теория квантовой гравитации пока не

создана, хотя существует ряд многообещающих подходов, таких как теория

струн. Мы не абсолютно беспомощны в данном вопросе: нам кое-что из-

вестно о принципах действия гравитации и кое-что — о принципах кван-

товой механики. Зачастую таких знаний бывает достаточно для получения

подходящих приближений к реальной картине квантовой гравитации даже

в отсутствие законченной теории.

Среди всех перечисленных подходов лучше всего изучена классическая

общая теория относительности, в то время как теория квантовой гравитации

изучена хуже остальных; в то же время последняя обеспечивает наилучшее

приближение к реальности. Квантовая механика в искривленном простран-

стве—времени представляет собой «разумную середину» между двумя дру-

гими подходами; Хокинг использовал именно ее для решения проблемы из-

лучения черных дыр. Однако нам следует вначале понять, как описывать черные

дыры в сравнительно несложных рамках подхода общей теории относитель-

ности, прежде чем переходить к разбору более передовых, но более спекуля-

тивных теорий.

В классической общей теории относительности черная дыра представляет

собой практически «чистое» гравитационное поле. В абстрактном мысленном

эксперименте мы можем представить себе образование черной дыры множе-

ством способов: из шарового скопления газа типа обычной звезды либо из

гигантской планеты, состоящей из чистого золота, либо из огромного шарика

мороженого. Но когда эти объекты сжимаются до маленького размера с таким

сильным гравитационным полем, что ничто уже не может покинуть его, то есть

когда этот объект «официально» превращается в черную дыру, становится уже

совершенно неважно, из какого материала он изначально состоял. Черная дыра,

образовавшаяся из газового шара солнечной массы, неотличима от черной

 

Глава 12. Черные дыры: конец времени

 

 

дыры, образовавшейся из шарика мороженого солнечной массы. Согласно

общей теории относительности, черная дыра — это не просто плотно упако-

ванный объем исходного материала. Это чистое гравитационное поле: исход-

ный материал исчез в сингулярности, образовав область сильно искривленно-

го пространства—времени.

Рассматривая гравитационное поле Земли, мы можем представить нашу

планету как идеальную сферу определенной массы и размера. Но это всего

лишь приближение. Если мы хотим большей точности, то мы должны принять

во внимание факт вращения Земли, благодаря которому ее радиус немного

больше в районе экватора, чем у полюсов. Если же мы захотим максимально

возможной точности, то увидим, что гравитационное поле Земли меняется от

точки к точке довольно сложным образом; неровность поверхности, а также

отличие плотности суши и моря или различных видов горных пород приводят

к небольшим, но измеримым вариациям силы земного тяготения. Эти локальные

особенности гравитационного поля Земли действительно содержат существен-

ное количество информации.

Все это не относится к черным дырам. После образования черной дыры

любые неровности и неоднородности материала, из которого она образовалась,

исчезают. Возможно, существует короткий период времени в процессе обра-

зования черной дыры, в течение которого она еще остается не до конца сфор-

мированной. Но очень быстро она становится абсолютно гладкой и лишенной

каких-либо особенностей. После завершения формирования черной дыры у нее

остаются три характеристики, поддающиеся измерению: ее полная масса,

скорость ее вращения и ее электрический заряд (суммарный электрический

заряд реальных астрофизических черных дыр близок к нулю, но при этом ско-

рость их вращения может быть очень большой). Вот и все. Два скопления ве-

щества с одинаковыми массой, зарядом и угловым моментом, характеризующим

вращение, превратившись в черные дыры, становятся совершенно неразличи-

мыми при рассмотрении в рамках классической общей теории относительности.

Это довольно интересное предсказание общей теории относительности кратко

выражено в остроумном изречении Джона Уилера, человека, давшего черным

дырам их название: «У черных дыр нет волос».

Выявленный факт «отсутствия волос» должен привести нас к важному

заключению. Очевидно, что если все вышесказанное верно, то процесс обра-

зования черной дыры имеет одно очень серьезное следствие, а именно: инфор-

мация теряется. Мы можем взять два совершенно разных типа начальных

условий (одну солнечную массу горячего газа или одну солнечную массу мо-

роженого), и они могут прийти к одному и тому же конечному состоянию (одна

 

 

Часть IV. Из кухни в Мультиленную

 

черная дыра солнечной массы). Однако до сих пор мы утверждали, что микро-

скопические физические законы, одним из которых, по-видимому, является

и уравнение Эйнштейна, обладают свойством сохранения информации. Дру-

гими словами, образование черной дыры, видимо, является необратимым

процессом, несмотря на то что уравнение Эйнштейна определенно обратимо.

Вы правильно забеспокоились! Эта загадка связана со временем. Классиче-

ская общая теория относительности предлагает такой выход: мы можем сказать,

что информация на самом деле не исчезла как таковая, но она исчезла для нас,

поскольку оказалась за горизонтом событий черной дыры. Вы можете сами

решить для себя, выглядит это объяснение удовлетворительным или оно по-

хоже на простую отговорку. В любом случае мы не можем остановиться на

этом, поскольку Хокинг нам в конце концов заявит, что черные дыры испаря-

ются, если принять во внимание квантово-механические эффекты. Таким об-

разом, ясно, что мы столкнулись с серьезной проблемой — проблемой, послу-

жившей стимулом для публикации тысячи работ по теоретической физике.5