В последнее время мы не раз обращались к проблеме чёрных дыр. Самая яркая, на наш взгляд, публикация на этот счёт была посвящена так называемому космическому субъекту Лефёвра (см. статью «Космический субъект Лефевра»), претендующему на некую родственность чёрной дыры и человеческой психики. Как говорилось в этом материале, столь смелая гипотеза родилась на фоне удивительного отсутствия в космическом пространстве каких-либо признаков жизни и деятельности внеземных цивилизаций. Сегодня мы решили вернуться, так сказать, к истокам этой проблемы, а именно, к истории появления понятия о чёрных дырах, о которых мало кто отваживается писать. А мы отважимся...

Предпосылки

В 1783 году английский физик Джон Мичелл высказал резонное предположение о том, что если свет представляет собой поток частиц, то на этот поток, так же как и на другие материальные тела, должны действовать силы тяготения. Стало быть, свет, идущий от тяжёлого тела, будет замедляться. А может ли он вообще «остановиться»? Почему бы и нет, подумал Мичелл, только тело должно быть очень тяжёлым. Каким же? Взяв перо и бумагу, Мичелл без особого труда получил ответ: если Солнце увеличить в 500 раз по радиусу, то от него свет уже не сможет «оторваться»! Примерно через полтора десятка лет великий французский математик Пьер Симон Лаплас в своей книге «Изложение системы мира» высказал аналогичное соображение. Он показал, что если бы Земля увеличилась до размеров, превышающих в 250 раз радиус Солнца, то она стала бы невидимой, поскольку от неё свет не мог бы уйти.
О возможности рождения таких тел в физическом мире, разумеется, никто тогда и мысли не допускал. Поэтому соображения о сверхмассивных «невидимых» небесных объектах лет сто воспринимались как чистая абстракция. О них вспомнили, когда в научный обиход стал входить термин сингулярность. Этим термином обозначают своеобразную точку отсчёта, с которой началась история всей нашей Вселенной.

Сфера Шварцшильда

Сингулярность впервые появилась в расчётах ленинградского математика А.А. Фридмана в 20-х годах прошлого века как «точка с радиусом кривизны, равным нулю», в которой некогда была сосредоточена вся масса нынешней Вселенной. Эта догадка Фридмана долгое время считалась математическим фокусом, а сам учёный называл её курьёзом. Впрочем, теорию относительности Эйнштейна тоже долго считали чисто теоретическим построением.
Всего через несколько месяцев после обнародования Эйнштейном его общей теории относительности немецкий физик-теоретик Карл Шварцшильд предложил математическое описание поля тяготения, возникающего вокруг шарообразного тела. В этих вычислениях выявилась некая величина, получившая геометрическую интерпретацию «радиуса Шварцшильда», или «гравитационного радиуса», зависящего от массы тела. Оказалось, что если какое-то материальное тело сжать в сферу этого радиуса, то пространство-время около него исказится так сильно, что свет не сможет выйти из этой сферы. А поскольку, согласно теории относительности, движение быстрее света невозможно, значит, сферу с радиусом Шварцшильда вообще не может покинуть никакой материальный объект или сигнал. Возникает черная дыра! Известный физик К. Торн весьма красноречиво обрисовал образ этого удивительного объекта: «Из всех измышлений человеческого ума от единорогов и до водородной бомбы, наверное, самое фантастическое — это образ чёрной дыры, отделённой от остального пространства определённой границей, которую ничто не может пересечь. Её гравитационное поле обладает столь чудовищной силой, что даже свет задерживается его мёртвой хваткой. Чёрная дыра кажется более уместной в фантастических романах или мифах древности, чем в реальной Вселенной. И, тем не менее, законы современной физики требуют, чтобы чёрные дыры существовали!».

Последняя стадия жизни звёзд

Современная наука видит в чёрных дырах последнюю стадию жизни звёзд определённой массы. На закате своих дней массивные звёзды начинают катастрофически сжиматься, не сдерживаемые более излучением внутренних слоёв. Происходит взрыв, одно из грандиознейших явлений в космических масштабах, называемое вспышкой сверхновой. Если масса оставшегося от взрыва вещества меньше двух солнечных, то сжатие останавливается из-за противодействия внутреннего давления. Образуется нейтронная звезда — пульсар. Если же коллапсирует вещество с тремя солнечными массами и более, то пока науке не известна сила, способная предотвратить неудержимое сжатие звезды и стягивание всего её вещества в точечную массу микроскопических размеров, называемую, как говорилось выше, сингулярностью. Здесь вещество сжато бесконечно большими гравитационными силами до бесконечной плотности!

Парадоксы чёрных дыр

Согласно теории, под сферой Шварцшильда пространство и время меняются местами! То есть пространство обретает одномерность времени, а время — трёхмерность пространства. Одномерность пространства проявляется в единственности пространственных путей под сферой Шварцшильда — от сферы к центру. «Проскочить» же сингулярность в принципе невозможно. Там прекращается существование любого объекта. Труднее рассуждать о трёхмерности времени, которое теперь к тому же становится обратимым! Означает ли это принципиальную возможность путешествия в будущее или прошлое? В прошлое — невероятно, поскольку тогда нарушится причинно-следственная связь, правящая миром. А в будущее — наверное, можно, по крайней мере, теоретически…
Важно подчеркнуть, что чёрные дыры могут возникать из вещества сравнительно малой плотности — лишь бы оно составляло значительную массу. Скажем, чёрная дыра в несколько миллиардов масс Солнца будет иметь плотность… воздуха у поверхности Земли! Так что гипотетический космонавт мог бы залететь в такую «дыру», даже не заметив этого, хотя, конечно, кошмарной гибели в сингулярности ему никак не избежать. При таком, разумеется, чисто условном полёте произошла бы совершенно невероятная ситуация. По мере приближения космонавта к сфере Шварцшильда время на космическом аппарате по часам земного наблюдателя будет катастрофически замедляться и в момент пересечения сферы остановится совсем! Иначе говоря, для пересечения сферы Шварцшильда космонавту, с «земной» точки зрения, потребуется бесконечное время. Будь у земного наблюдателя достаточно мощный телескоп, он увидел бы космический корабль, навек застывший у границы сферы Шварцшильда!
Совершенно иные события происходят на самом космическом корабле. Космонавт в совершенно конкретный отрезок времени пересечёт сферу Шварцшильда и с чудовищной скоростью устремится навстречу своей погибели в сингулярности. Кто же прав — земной наблюдатель или космонавт? Ответ такой: правы оба и в то же время никто! Тут уж ничего не поделаешь, таковы парадоксы теории относительности Эйнштейна.

Стивен Хокинг

Огромные заслуги в разработке теории чёрных дыр принадлежат нашему современнику, профессору Кембриджского университета Стивену Хокингу. Своей жизнью он являет редчайший пример мужества и непоколебимой воли. А дело в том, что учёный уже три десятка лет совершенно поражён редкой формой амиотрофического склероза, превратившего его в полного инвалида. Хокинг даже не может писать, его невнятную речь разбирают только близкие ему люди. Каждое утро учёный пересекает сады Кембриджа в одиночестве, сидя в кресле-каталке с электрическим мотором. И что самое замечательное, он одержим оптимизмом, которым заражает других. Неудивительно, что учёный имеет троих детей.
В век триумфа электронно-вычислительной техники этот необычайно одарённый человек выполняет сложнейшие математические выкладки в уме, без помощи компьютера. «Такое положение дел, — говорит Хокинг, — заставляет меня искать кратчайшие пути. И вероятно, если бы я вычислял на бумаге, никогда бы не нашёл их. Другой позитивный аспект моего беспомощного состояния я вижу в том, что не знаю, долго ли проживу. Поэтому для меня представляет огромную ценность каждый прожитый час… Я считаю, что имею больше оснований считать себя счастливым сейчас, чем если бы я был здоровым человеком. Тем более что я всегда хотел быть физиком-теоретиком, а не пианистом или футболистом».Источник: "Тайны ХХ века" №9, 2008 г.