Параллельные миры - Каку Митио 16 стр.

В 1939 году Эйнштейн написал работу, в которой попытался оспорить существование «темных звезд», утверждая, что они не могли бы образоваться естественным путем. Он начал с предположения, что звезда образуется из кружащегося скопления пыли, газа и звездных обломков, вращающихся по окружности и постепенно притягивающихся друг к другу благодаря силе гравитации. Затем он показал, что такое скопление кружащихся частиц никогда не сколлап-сирует до радиуса Шварцшильда, а потому никогда не превратится в черную дыру В лучшем случае эта вращающаяся масса частиц достигла бы величины в 1,5 радиуса Шварцшильда, а потому образование черной дыры практически невозможно. (Чтобы пересечь предел в 1,5 радиуса Шварцшильда, пришлось бы опять же развить скорость выше скорости света.) «Основным результатом данного исследования является ясное понимание того, почему «сингулярностей Шварцшильда» в физической реальности не существует», — писал Эйнштейн.

У Артура Эддингтона также были свои глубокие соображения насчет черных дыр, он всю жизнь сомневался в их существовании. Однажды он сказал, что должен существовать «закон Природы, чтобы не дать звезде вести себя столь странно».

По иронии судьбы, в том же году Дж. Роберт Оппенгеймер (который позднее создал атомную бомбу) и его студент Хартленд Снайдер доказали, что черная дыра и в самом деле могла образоваться, но иным путем. Вместо того чтобы предположить, что черная дыра появилась из вращающегося скопления частиц, сжимающегося под воздействием сил гравитации, они в качестве точки отсчета взяли старую массивную звезду, которая сожгла все свое ядерное топливо и взрывается вовнутрь под действием силы гравитации. К примеру, умирающая звезда массой в 40 солнечных масс могла бы израсходовать ядерное топливо и сжаться под действием силы гравитации до радиуса Шварцшильда в 130 км; в этом случае она бы неизбежно сколлапсировала в черную дыру. Оппенгеймер и Снайдер предположили, что существование черных дыр не просто возможно, они могли бы быть естественной конечной точкой эволюции миллиардов умирающих в галактике звезд-гигантов. (Возможно, именно идея взрыва вовнутрь, предложенная в 1939 году Оппенгеймером, всего через несколько лет вдохновила его на создание механизма внутреннего взрыва, использующегося в атомной бомбе.)

Хотя Эйнштейн считал, что черные дыры — явление слишком невероятное и в природе существовать не могут, позднее, такова ирония судьбы, он показал, что они еще более причудливы, чем кто-либо мог предположить. Эйнштейн объяснил возможность существования пространственно-временных «порталов» в недрах черных дыр. Физики называют эти порталы червоточинами, поскольку, подобно червю, вгрызающемуся в землю, они создают более короткий альтернативный путь между двумя точками. Эти порталы также называют иногда порталами или «вратами» в другие измерения. Как их ни назови, когда-нибудь они могут стать средством путешествий между различными измерениями, но это случай крайний.

Первым, кто популяризовал идею порталов, стал Чарльз Доджсон, который писал под псевдонимом Льюис Кэрролл. В «Алисе в Зазеркалье» он представил портал в виде зеркала, которое соединяло пригород Оксфорда и Страну Чудес. Поскольку Доджсон был математиком и преподавал в Оксфорде, ему было известно об этих многосвязных пространствах. По определению, многосвязное пространство таково, что лассо в нем нельзя стянуть до размеров точки. Обычно любую петлю можно безо всякого труда стянуть в точку. Но если мы рассмотрим, например, пончик, вокруг которого намотано лассо, то увидим, что лассо будет стягивать этот пончик. Когда мы начнем медленно затягивать петлю, то увидим, что ее нельзя сжать до размеров точки; в лучшем случае, ее можно стянуть до окружности сжатого пончика, то есть до окружности «дырки».

Математики наслаждались тем фактом, что им удалось обнаружить объект, который был совершенно бесполезен при описании пространства. Но в 1935 году Эйнштейн и его студент Натан Розен представили физическому миру теорию порталов. Они попытались использовать решение проблемы черной дыры как модель для элементарных частиц. Самому Эйнштейну никогда не нравилась восходящая ко временам Ньютона теория, что гравитация частицы стремится к бесконечности при приближении к ней. Эйнштейн считал, что эта сингулярность должна быть искоренена, потому что в ней нет никакого смысла.

У Эйнштейна и Розена появилась оригинальная идея представить электрон (который обычно считался крошечной точкой, не имеющей структуры) как черную дыру. Таким образом, можно было использовать общую теорию относительности для объяснения загадок квантового мира в объединенной теории поля. Они начали с решения для стандартной черной дыры, которая напоминает большую вазу с длинным горлышком. Затем они отрезали «горлышко» и соединили его с еще одним частным решением уравнений для черной дыры, то есть с вазой, которая была перевернута вверх дном. По мнению Эйнштейна, эта причудливая, но уравновешенная конфигурация была бы свободна от сингулярности в происхождении черной дыры и могла бы действовать как электрон.

К несчастью, идея Эйнштейна о представлении электрона § качестве черной дыры провалилась. Но сегодня космологи предполагают, что мост Эйнштейна-Розена может служить «вратами» между двумя вселенными. Мы можем свободно передвигаться по Вселенной до тех пор, пока случайно не упадем в черную дыру, где нас немедленно протащит сквозь портал и мы появимся на другой стороне (пройдя сквозь «белую» дыру).

Для Эйнштейна любое решение его уравнений, если оно начиналось с физически вероятной точки отсчета, должно было соотноситься с физически вероятным объектом. Но он не беспокоился о том, кто свалится в черную дыру и попадет в параллельную вселенную. Приливные силы бесконечно возросли бы в центре, и гравитационное поле немедленно разорвало бы на части атомы любого объекта, который имел несчастье свалиться в черную дыру. (Мост Эйнштейна-Розена действительно открывается за доли секунды, но он закрывается настолько быстро, что ни один объект не сможет пройти его с такой скоростью, чтобы достичь другой стороны.) По мнению Эйнштейна, хотя существование порталов и возможно, живое существо никогда не сможет пройти сквозь какой-либо из них и рассказать о своих переживаниях во время этого путешествия.

Мост Эйнштейна-Розена. В центре черной дыры находится «горлышко», которое соединяется с пространством-временем другой вселенной или другой точкой в нашей Вселенной. Хотя путешествие сквозь стационарную черную дыру имело бы фатальные последствия, вращающиеся черные дыры обладают кольцеобразной сингулярностью, которая позволила бы пройти сквозь кольцо и мост Эйнштейна-Розена, хотя это находится еще на стадии предположений.

Однако в 1963 году взгляд на вещи стал меняться, когда математик из Новой Зеландии Рой Керр нашел точное решение уравнений Эйнштейна, описывающее, возможно, наиболее реалистично умирающую звезду, вращающуюся черную дыру. Из-за сохранения кинетического импульса, когда звезда коллапсирует под действием силы гравитации, она начинает вращаться еще быстрее. (Это та же причина, по которой вращающиеся галактики выглядят подобно флюгерам, и именно поэтому фигуристы вращаются быстрее, когда прижимают руки к телу.) Вращающаяся звезда могла бы взорваться, образовав кольцо нейтронов, которое осталось бы устойчивым из-за большой центробежной силы, толкающей их «наружу» и уравновешивающей действие силы гравитации. Такая черная дыра обладала бы удивительным свойством: если бы вы упали в керровскую черную дыру, то вы бы не разбились насмерть. Наоборот, вас бы протянуло сквозь мост Эйнштейна-Розена в параллельную вселенную. «Проходишь сквозь это волшебное кольцо и — престо! — ты в совершенно иной вселенной, где радиус и масса отрицательны!» — обращаясь к коллеге, воскликнул Керр, обнаруживший это решение.

Иными словами, оправа зеркала Алисы была похожа на вращающееся кольцо Керра. Но любое путешествие сквозь Керрово кольцо было бы путешествием без возврата. Если бы вы пересекли «горизонт событий», окружающий кольцо Керра, гравитация была бы не настолько сильна, чтобы раздавить вас, но ее будет вполне достаточно, чтобы помешать вам вернуться из-за «горизонта событий». (В черной дыре Керра, по сути, есть два горизонта событий. Некоторые считают, что для обратного путешествия может понадобиться второе кольцо Керра, соединяющее параллельную вселенную с нашей.) В каком-то смысле черную дыру Керра можно сравнить с лифтом в небоскребе. Лифт представляет мост Эйнштейна-Розена, который соединяет различные этажи, только каждый этаж — это отдельная Вселенная. По сути, в этом небоскребе бесконечное количество этажей, и каждый из них отличается от других. Но лифт никогда не сможет уехать вниз. В нем есть только кнопка «вверх». Уехав с вашего этажа-вселенной, вернуться назад вы уже не сможете, поскольку пересечете «горизонт событий».

Мнения физиков по поводу того, насколько устойчиво кольцо Керра, разделились. Согласно некоторым расчетам, если попытаться пройти сквозь кольцо, то само присутствие человека дестабилизирует черную дыру и проход закроется. Например, если бы луч света упал в черную дыру Керра, он бы присоединил к себе невероятное количество энергии, падая к центру, и приобрел голубое смещение — то есть его частота и энергия возросли бы. При приближении к «горизонту событий» он уже будет обладать столь большой энергией, что убьет любого, кто попытается пройти сквозь мост Эйнштейна-Розена. Кроме того, луч создает свое собственное гравитационное поле, которое вступило бы во взаимодействие с первоначальной черной дырой, что, возможно, стало бы причиной закрытия прохода.

Иными словами, в то время, как одни физики считают, что черная дыра Керра — самая реалистичная из всех черных дыр и действительно может контактировать с параллельными вселенными, остается невыясненным, насколько безопасно будет прохождение через этот мост, а также то, насколько устойчив будет проход.

Из-за странных свойств черных дыр их существование еще в 1990-е годы считалось научной фантастикой. «Если бы 10 лет назад вам довелось обнаружить объект, который вы посчитали бы черной дырой в центре галактики, то половина ученого мира решила бы, что вы немножко сбрендили», — заметил астроном Дуглас Ричстоун из Мичиганского университета в 1998 году. С тех пор астрономы обнаружили в открытом космосе несколько сот черных дыр при помощи космического телескопа Хаббла, Космической рентгеновской обсерватории «Чандра» (измеряющей рентгеновское излучение мощных звездных и галактических источников), а также радиотелескопом в Нью-Мехико — «Очень большой решеткой» (Very Large Array — VLA), состоящей из серии мощных антенн. Многие астрономы считают, что, по сути, в центре большинства космических галактик (которые имеют утолщение, или балдж, в центре своих дисков) находятся черные дыры.

Как и предвиделось, все обнаруженные в космосе черные дыры стремительно вращаются; некоторые вращаются со скоростью около 1,6 млн км/ч, как было вычислено при помощи космического телескопа Хаббла. В самом центре можно наблюдать плоское округлое ядро, размеры которого зачастую составляют около светового года в поперечнике. Внутри этого ядра находится горизонт событий и сама черная дыра.

Поскольку черные дыры невидимы, для их обнаружения астрономы вынуждены пользоваться методами непрямого наблюдения. На фотографиях они пытаются найти «аккреционный диск» вращающегося газа, окружающего черную дыру. Сегодня астрономы собрали коллекцию прекрасных фотографий аккреционных дисков. (Такие диски обнаружены почти везде у наиболее стремительно вращающихся объектов во Вселенной. Даже у нашего Солнца наверняка был такой диск, когда оно возникло 4,5 млрд лет назад, но он сконденсировался, образовав планеты. Причиной образования таких дисков является то, что они представляют состояние наименьшей энергии для таких стремительно вращающихся объектов.) Применяя законы движения Ньютона, астрономы могут вычислять массу центрального объекта, зная скорость звезд, вращающихся вокруг него. Если масса центрального объекта настолько велика, что скорость «убегания» для этого объекта равняется скорости света, то даже сам свет не может «убежать», предоставляя тем самым косвенное доказательство существования черной дыры.

«Горизонт событий» находится в самом центре аккреционного диска (к сожалению, он слишком мал, чтобы заметить его при помощи современных приборов. Астроном Фульвио Мелиа утверждает, что заснять на пленку «горизонт событий» для науки о черных дырах — все равно что найти Святой Грааль). Не весь газ, двигающийся по направлению к черной дыре, проходит «горизонт событий». Часть его проходит мимо «горизонта событий» и с огромной скоростью выбрасывается в космос, образуя две длинные газовые струи, извергающиеся из южного и северного полюсов черной дыры. Это делает черную дыру похожей на вертящийся волчок. (Причина, по которой струи газа извергаются именно таким образом, возможно, состоит в том, что линии магнитного поля коллапсирующей звезды, по мере того как поле становится все более напряженным, концентрируются над северным и южным полюсами. По мере того как звезда продолжает сжиматься, эти магнитные линии конденсируются в два пучка, исходящие из северного и южного полюсов. Когда ионизированные частицы падают в коллапсирующую звезду, они следуют по силовым линиям и извергаются как струи через магнитные поля южного и северного полюсов.)

Пока обнаружено два типа черных дыр. Первый тип — черные дыры звездных масштабов. При образовании таких дыр гравитация разрушает умирающую звезду и та взрывается вовнутрь. Черные дыры второго типа обнаружить намного легче. У них галактические масштабы, они таятся в самом центре огромных галактик и квазаров, и их масса составляет от миллионов до миллиардов солнечных масс.

Недавно было окончательно установлено существование черной дыры в центре нашей Галактики Млечный Путь. К несчастью, пылевые облака закрывают от нас центр галактики; если бы не они, то каждую ночь с Земли мы бы наблюдали огромный огненный шар в созвездии Стрельца. Если бы не было этой пыли, то центр нашей Галактики Млечный Путь наверняка затмил бы Луну и был бы самым ярким объектом ночного неба. В самом центре этого галактического ядра находится черная дыра массой примерно в 2,5 млн солнечных масс. Что касается ее радиуса, то он составляет около 0,1 радиуса орбиты Меркурия. По галактическим меркам это не самая массивная черная дыра; в квазарах могут быть черные дыры в несколько миллиардов солнечных масс. Черная дыра на нашем «заднем дворе» в настоящее время довольно статична.

Следующая по близости к нам галактическая черная дыра находится в центре галактики Андромеды, самой близкой к Земле галактики. Эта черная дыра составляет 30 миллионов солнечных масс, а ее радиус Шварцшильда — около 96 млн км. (В центре галактики Андромеды находятся, по меньшей мере, два массивных объекта, видимо представляющие собой остатки прежней галактики, поглощенной галактикой Андромеды миллиарды лет назад. Если Галактика Млечный Путь в конце концов через миллиарды лет столкнется с галактикой Андромеды, что представляется весьма вероятным, то, возможно, наша Галактика закончит свой «жизненный» путь в «желудке» галактики Андромеды.)

Одной из самых восхитительных фотографий галактической черной дыры является фотография галактики NGC 4261, сделанная при помощи космического телескопа Хаббла. На прежних фотографиях этой галактики, полученных при помощи радиотелескопа, ясно видно, как две струи грациозно извергаются из северного и южного полюсов галактики, но никто не знал, что приводит этот механизм в действие. Телескоп Хаббла сфотографировал самый центр этой галактики, продемонстрировав нам прекрасно различимый диск размером около 400 световых лет в поперечнике. В самом его центре находится крошечная точка, содержащая в себе аккреционный диск размером около светового года в диаметре. Черная дыра в его центре, которую нельзя наблюдать при помощи телескопа Хаббла, весит приблизительно 1,2 млрд солнечных масс.