Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Здесь необходимо остановиться и немного рассказать об этих удивительнейших небесных телах — черных дырах сколлапсировавших застывших звезд. Бездонный провал черной дыры коллапсара — это область пространства, в которой гравитационное притяжение настолько сильно, что ни вещество, ни излучение не могут эту область покинуть. Для находящихся там тел вторая космическая скорость (скорость убегания) должна была бы превышать скорость света, что невозможно, поскольку ни вещество, ни излучение не могут двигаться быстрее света. Поэтому из черной дыры ничто не может вылететь. Границу области, за которую не выходит свет, называют «горизонтом событий» или просто «горизонтом» черной дыры.

Чтобы поле тяготения могло навсегда «привязать» к себе электромагнитное излучение, масса тела должна сжаться до особого «гравитационного радиуса». Значение гравитационного радиуса чрезвычайно мало по сравнению с привычным размером физических тел. Например, для Солнца гравитационный радиус составляет около трех километров, а для Земли один сантиметр. По этой причине создать коллапсар в лабораторных условиях практически невозможно, ведь чтобы тело любой разумной массы, пусть даже в миллиарды тонн, стало черной дырой, его нужно сжать до размера элементарных частиц, поэтому свойства черных дыр пока изучаются только теоретически. Правда, большие надежды физики возлагают на новые сверхмощные ускорители элементарных частиц — коллайдеры. В них на встречных пучках будут попадаться частицы, движущиеся с огромной скоростью и, соответственно, обладающие гигантской энергией. Теоретики предсказывают, что при определенных условиях в акте столкновения нескольких частиц может произойти микроколлапс с образованием черной микроскопической дыры. Впрочем, большинство ученых сходятся во мнении, что подобные чудеса произойдут не скоро.

Расчеты астрофизиков показывают, что тела астрономического масштаба (например, массивные звезды) после истощения в них термоядерного топлива могут под действием собственного тяготения сжиматься до размера своего гравитационного радиуса. Поиск таких объектов ведется уже много десятков лет, и сейчас можно с большой уверенностью указать сотни вероятных кандидатов в черные дыры с массами от единиц до миллиардов масс Солнца. Однако их изучение затруднено огромными расстояниями от Земли. И хотя сам факт существования черных дыр уже особо не подвергают сомнению, практическое изучение их свойств еще впереди.

История умозрительного открытия гравитационных коллапсаров тесно связана с именем английского геофизика и астронома Джона Мичелла (1724–1793). Мичелл предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, он рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус около трех километров, то даже корпускулы света не могли бы покинуть такую звезду. Такая звезда казалась бы издалека абсолютно темной, вот так и родилась концепция «ньютоновской» черной дыры. Несколько позже подобные идеи высказал в своей книге «Система мира» (1796) великий французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Простой расчет позволил ему написать: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в 250 раз большим диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз превосходить солнечную. А поскольку дальнейшие астрономические измерения показали, что массы реальных звезд не очень сильно отличаются от солнечной, идеи Митчела и Лапласа о гравитационных коллапсарах были забыты.

Во второй раз ученые обратились к концепции черных дыр в начале двадцатого века, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений только что созданной тогда Альбертом Эйнштейном релятивистской теории гравитации — общей теории относительности. Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особыми свойствами на расстоянии гравитационного радиуса; именно поэтому данную величину часто называют шварцшильдовским радиусом, а соответствующую поверхность — горизонтом событий или шварцшильдовской поверхностью. В следующие полвека усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования коллапсары еще не рассматривались.

В конце тридцатых годов прошлого века знаменитый впоследствии своим участием в Атомном проекте физик Роберт Оппенгеймер выдвинул гипотезу, что ядро массивной звезды будет безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого описываются поверхностью Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь застывшей звездой коллапсара. Но поскольку такой объект не должен излучать электромагнитные волны, то и обнаружить его в космосе будет невероятно трудно (рис. 11, 12 цв. вкл.).

Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, и происходящие внутри застывшей звезды физические процессы не могут влиять на ее окружение. В то же время, вещество и излучение, падающие снаружи на коллапсар, свободно проникают внутрь через его горизонт.

Можно сказать, что черная дыра все поглощает и ничего не выпускает. По этой причине и родился термин «черная дыра», предложенный в шестидесятых годах прошедшего столетия видным американским физиком и космологом Джоном Арчибальдом Уилером (рис. 13 цв. вкл.).

В связи с этим можно упомянуть о гипотезе квантового испарения черных дыр, предложенной известным английским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом. Согласно этой гипотезе, черная дыра излучает как абсолютно черное тело. Излучение черной дыры связано с квантовыми флуктуациями виртуальных частиц вакуума. Эти частицы на мгновение расходятся друг от друга и тут же снова сливаются в пары. В поле тяготения черной дыры эти флуктуации могут резонировать, увеличивая амплитуду расхождения частиц. При этом одна из частиц может оказаться внутри сферы Шварцшильда и будет неудержимо падать к ее центру, а другая — вне сферы Шварцшильда и улетит в космос, унося с собой часть энергии черной дыры. В результате черная дыра будет испаряться, уменьшаться в своих размерах.

Открытие квантового испарения черных дыр произвело сенсацию, правда, в основном среди теоретиков. На практике черные дыры продолжали оставаться такими же ненаблюдаемыми, как и раньше. Объясняется это тем, что черные дыры являются неустойчивыми объектами и при своем образовании попросту исчезают из нашей Вселенной. Другое дело, что в области виртуальной геометрии вакуумные частицы могут резонировать так же, как и на обычной сфере Шварцшильда. Но этот резонанс никак не связан с гравитационным коллапсом звезд. С гораздо большим основанием его можно отнести к обычным квантовым скачкам реальных элементарных частиц из одной точки пространства в другую. А вот выбрасывание остатков вещества коллапсирующей звезды в другие вселенные действительно можно рассматривать как квантовое испарение черной дыры. Но такое испарение не имеет никакого отношения к резонансу вакуумных частиц.