Крис Импи
Чудовища доктора Эйнштейна: О черных дырах, больших и малых
Переводчик Наталья Кияченко
Научный редактор Дмитрий Вибе, д-р физ. – мат. наук
Редактор Ирина Сисейкина
Руководитель проекта И. Серёгина
Корректоры Е. Аксёнова, О. Петрова
Компьютерная верстка К. Свищёв
Дизайн обложки Ю. Буга
Иллюстрация на обложке из фотобанка shutterstock.com
Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.
Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.
© Chris Impey, 2019
© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2020
* * *
Посвящается Дине, любимой и вдохновляющей
Эта книга издана в рамках программы «Книжные проекты Дмитрия Зимина» и продолжает серию «Библиотека «Династия». Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время».
Программа «Книжные проекты Дмитрия Зимина» объединяет три проекта, хорошо знакомые читательской аудитории: издание научно-популярных переводных книг «Библиотека «Династия», издательское направление фонда «Московское время» и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы «Просветитель».
Подробную информацию о «Книжных проектах Дмитрия Зимина» вы найдете на сайте ziminbookprojects.ru.
О звезды, с неба не струите света
Во мрак бездонный замыслов Макбета![1]
Уильям Шекспир. Макбет. Акт 1, сцена 4
Предисловие
Черные дыры – самые известные и самые загадочные объекты Вселенной. Используя этот термин в обычной жизни, мы представляем нечто втягивающее в себя все вокруг. О черных дырах говорят в фильмах и романах, этот образ освоила и поп-культура. Черная дыра стала олицетворением тайны – зловещей тайны. Я метафорически называю их «чудовища Эйнштейна». Это мощные силы, не подвластные никому. Черные дыры придумал не Эйнштейн, но именно он предложил лучшую на сегодняшний день теорию гравитации, которую мы используем для того, чтобы понять их суть[2].
Распространенное среди большинства людей понимание черных дыр в корне неверно. Это не космические пылесосы, поглощающие все вокруг. Черные дыры лишь искривляют пространство и время в непосредственной близости у горизонта событий. На черные дыры приходится малая доля массы Вселенной, и ближайшие находятся в квинтиллионах километров от нас. Едва ли их можно использовать для путешествий во времени или полетов в другие вселенные. Мало того, черные дыры – даже не черные! Они испускают поток излучения и элементарных частиц и, по сути, являются частями бинарных систем, в которых газ, падающий в черную дыру, нагревается и ярко светится. Черные дыры необязательно опасны. Оказавшись в центре одной из многочисленных галактик, вы провалитесь в черную дыру и, скорее всего, ничего не почувствуете, хотя вряд ли вам удастся рассказать об увиденном.
Эта книга познакомит вас с черными дырами, большими и малыми. Черные дыры кажутся простыми объектами, но математика, необходимая для их понимания, невероятно сложна. Мы познакомимся с учеными, рассказавшими человечеству о черных дырах: от смелых мыслителей прошлого, которые сотни лет назад задумались о существовании черных звезд, до физиков, ломающих голову над общей теорией относительности – и не только.
Понять, что такое черные дыры, невозможно без общей теории относительности Эйнштейна, разработанной более 100 лет назад. Согласно этой теории, пространство и время искривляются материей. В случаях экстремально высокой концентрации массы область пространства буквально «выдавливается» из Вселенной и ничто не может прорваться наружу, даже свет. Это и есть черные дыры. Однако сам Эйнштейн сомневался в их реальности. И не он один – многие выдающиеся физики оспаривали их существование.
Тем не менее они существуют. В течение 40 лет накапливались доказательства того, что никакие силы природы не могут противостоять гравитационному коллапсу ядра умершей массивной звезды. Газовый шар – в десятки раз больше Солнца – схлопывается в темный объект размером с небольшой городишко. Не так давно выяснилось, что в центре каждой галактики имеется массивная черная дыра – массы таких дыр могут различаться в миллиарды раз.
Изучая «места обитания» черных дыр, мы познакомимся с бинарными системами, где черная дыра кружится в гравитационном вальсе с нормальной звездой. Мы узнаем, что самое убедительное доказательство существования черных дыр находится в центре нашей Галактики, где десятки звезд роятся, как разъяренные пчелы, вокруг темного объекта весом 4 млн солнечных масс. Когда массивные черные дыры, имеющиеся во всех галактиках, выходят из спячки и начинают расти, их видно с расстояния в миллиарды световых лет. Эти гравитационные механизмы являются самыми мощными источниками излучения во Вселенной.
Недавно физики научились смотреть «глазами гравитации», регистрируя гравитационные волны. При столкновении две черные дыры вызывают колебания пространственно-временного континуума, распространяющиеся повсюду со скоростью света и несущие информацию о случившейся катастрофе. Появился новый метод изучения черных дыр – как и любых других ситуаций, для которых характерна сильная и изменчивая гравитация. Существование гравитационных волн доказывает – если вам еще нужны какие-то доказательства – тот факт, что природа создает черные дыры. Каждые пять минут где-то во Вселенной сливается пара черных дыр, и гравитационные волны распространяются по космосу.
Наши знания о черных дырах все еще довольно скудны. Эти объекты продолжают изумлять и восхищать нас. Благодаря черным дырам появляются новые способы проверки общей теории относительности. Никто не знает, подтвердится ли в итоге теория – или будет опровергнута. Вопросы, касающиеся потери информации в черных дырах, ее возможного кодирования на горизонте событий вызывают яростные споры. С помощью черных дыр физики-теоретики надеются подтвердить теорию струн, завершить наконец попытку Эйнштейна объединить квантовую механику и общую теорию относительности.
Книга состоит из двух частей. В первой рассматриваются доказательства существования черных дыр всех размеров: от тех, что слегка больше Солнца, до гигантов массой с небольшую галактику. Вторая часть рассказывает о том, как рождаются и умирают черные дыры. В ней также приведено объяснение того, насколько применимы к небесным объектам наши теории природы. Рассказы о черных дырах перемежают и некоторые частные истории, в том числе и мои собственные, и их цель – напомнить нам, что ученые – это люди из плоти и крови, со своими недостатками и слабостями. Описываемая мною область науки стремительно развивается. И потому некоторые изыскания, приведенные в этой книге, могут не выдержать испытания временем. По этой причине могут возникнуть ошибки, упущения и неверные сведения – и я отношу их исключительно на свой счет.
Можно представить, что разумные жители миллиардов обитаемых миров логически пришли к выводу о существовании черных дыр. Возможно, некоторые научились создавать их и пользоваться их энергией. Мы, люди, хоть и молодой биологический вид, но с гордостью причисляем себя к избранным, постигшим тайны черных дыр.
Крис Импи,Таксон, Аризона,апрель 2018 г.Часть I. Свидетельства существования черных дыр, больших и маленьких
Откуда ученые взяли идею черной дыры? В этой части книги мы рассмотрим, как развивалась научная мысль: начнем с ньютоновской теории гравитации и продолжим обсуждение теории общей относительности Эйнштейна. Сегодня мы знаем, что у черной дыры есть два основных компонента: горизонт событий, действующий как информационный барьер, и сингулярность – центральная точка бесконечной плотности вещества. Многие выдающиеся физики, включая самого Эйнштейна, противились самой мысли о столь причудливом состоянии материи. Но тем не менее было доказано, что ядро массивной звезды может коллапсировать до плотности, не пропускающей ни частицы, ни излучение.
Если бы физики-теоретики довольствовались красотой математического аппарата общей теории относительности, они не сомневались бы в существовании черных дыр. Однако наука эмпирична. Астрономы решили выследить этого неуловимого зверя. Но только после появления рентгеновской астрономии – и спустя десятилетие после смерти Эйнштейна – ученые сумели разглядеть горячий аккреционный диск и двойные релятивистские джеты, образующиеся при поглощении черной дырой газа из окружающего пространства Вселенной. Сложно охотиться за мертвыми темными звездами. За 50 лет работы удалось обнаружить лишь три десятка остатков звезд, которые однозначно можно считать черными дырами. Это ближайшие из предположительно десяти миллионов черных дыр, разбросанных по галактике Млечный Путь. И такие свидетельства копились и систематизировались – в итоге астрономы пришли к удивительному открытию: оказалось, что в центрах галактик прячутся массивные черные дыры. И, поглощая материю, они становятся самыми яркими объектами во Вселенной.
1. Сердце тьмы
Ученые – оптимисты. Они верят в предсказательную силу теорий, например теории относительности и естественного отбора. Они полагают, что стремительное развитие физики, астрономии и биологии – чему мы были свидетелями в течение нескольких десятилетий – продолжится и тогда наука сможет объяснить непознанное в мире природы.
Но что, если на пути ученых возникнет непреодолимое препятствие? Возможно ли, чтобы космос прятал от нашего пытливого взгляда, допустим, криптообъекты? Более того, что, если таинственные сущности, о которых мы имеем представление благодаря выдающимся теориям в сфере физики, продемонстрировали бы свойства, ставящие под сомнение верность этих теорий? Добро пожаловать в мир черных дыр.
Английский священник выдумывает темные звезды
По воспоминаниям современников, Джон Мичелл был «маленьким, толстым темнолицым коротышкой». Большую часть сознательной жизни он прослужил приходским священником в маленьком городке на севере Англии. Однако в его доме часто бывали знаменитые мыслители той эпохи, такие как Джозеф Пристли, Генри Кавендиш и Бенджамин Франклин, поскольку Мичелл был к тому же разносторонним и успешным ученым. История недооценила этого скромного человека, жившего тихой жизнью священника.
В Кембриджском университете Мичелл изучал – а позднее и преподавал – математику, а также древнегреческий и древнееврейский языки. Он заложил основы сейсмологии, выдвинув предположение, что землетрясения в толще Земли распространяются в виде волн. Это открытие стало для него пропуском в Королевское научное общество. Именно Мичелл разработал оборудование для эксперимента, впоследствии позволившее Генри Кавендишу измерить гравитационную постоянную – фундаментальную физическую константу, лежащую в основе любых расчетов силы гравитации. Мичелл же первым применил статистические методы в астрономии в попытке доказать, что многие наблюдаемые пары и группы звезд связаны физически, а не просто случайно оказались рядом на ночном небе[3].
В полную силу научное провидение Мичелла реализовалось в его предположении, что некоторые звезды имеют мощнейшую гравитацию – непреодолимую даже для света. Он описал эту идею в статье 1784 г. с неудобочитаемым названием «О средствах открытия удаленности, величины и прочего неподвижных звезд посредством уменьшения скорости их света в случае, если будет обнаружено, что таковое уменьшение имеет место для любой из них, и если будут получены путем наблюдения другие данные, потребные для этой цели»[4].
Для пересказа статьи понадобится немногим больше слов, чем использовано в ее названии. Мичелл принял идею второй космической скорости и тот факт, что она определяется массой и размером звезды. Как и Исаак Ньютон, он полагал, что свет – это частица, и, решив, что свет замедляется гравитацией звезды, он задумался: что, если звезда настолько массивна, а ее гравитация настолько сильна, что вторая космическая скорость равна скорости света? На основе этого Мичелл предположил, что существует множество «темных звезд», которые невозможно обнаружить, потому что их не покидает свет[5].
Рассуждения Мичелла были ошибочны – но только потому, что он работал с ньютоновской физикой. В 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли доказали, что свет всегда распространяется с одинаковой скоростью, независимо от движения Земли[6]. Лишь в 1905 г. Эйнштейн положил это открытие в основу своей специальной теории относительности, предположив, что скорость света не зависит от локальной силы гравитации. Ошибочным было и предположение Мичелла о том, что темные звезды в 500 раз больше Солнца, но имеют такую же плотность. Настолько массивных звезд просто не существует. Экстремальные эффекты гравитации проявляются лишь при высокой плотности, что случается, когда звезда типа Солнца сжимается до крошечных объемов.
Вклад великого французского математика
Спустя десятилетие после того, как Мичелл выдвинул свое предположение о темных звездах, французский ученый и математик Пьер-Симон Лаплас высказался на ту же тему в своей книге «Изложение системы мира»[7]. Лаплас был более известен, чем Мичелл, – он значился президентом Института Франции и советником Наполеона, удостоился титула графа, а затем маркиза. Как и Мичелл, Лаплас изучал теологию и происходил из религиозной семьи, но зов математики оказался сильнее зова Бога.
Лаплас, очевидно, не знал о работе Мичелла. В двухтомном труде по астрономии он кратко упоминает идею темной звезды, и, по его мнению, гравитация этой гипотетической звезды намного сильнее, чем у Солнца: «…Следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел являются по этой причине невидимыми». Коллега потребовал у Лапласа математическое доказательство этой гипотезы, и три года спустя, в 1799 г.[8], оно было представлено. Расчеты Лапласа – как и расчеты Мичелла – оказались ошибочными, причем по одной и той же причине. Самой плотной субстанцией, известной в те времена, было золото – в пять раз плотнее Земли и в 14 раз плотнее Солнца. Вероятно, ученый того времени с трудом мог представить, каким будет состояние в миллионы раз более плотной материи, а это необходимо для современного понимания черной дыры (илл. 1). В 1799 г. Томас Юнг сумел доказать, что свет ведет себя как волна, но то, что гравитация может замедлить волну, представлялось невероятным. Возможно, именно поэтому Лаплас исключил всякое упоминание о темных звездах из последующих изданий своей книги.