Смерть с небес - Филип Плейт

Но никогда не забывайте — они опасны. Черная дыра может убить вас разными способами. Некоторые из них простые, а некоторые очень замысловатые. Если вы не напрашиваетесь на неприятности, все эти способы крайне маловероятны, но если вам нужны массовые разрушения в крупных масштабах, тогда черная дыра — это подходящая идея.

Как говорилось в главе 4, согласно определению, черная дыра — это объект, скорость убегания (вторая космическая скорость) для которого равна скорости света или превышает ее. Это означает, что все, что попадает в дыру, выбраться из нее не может, потому что, насколько нам известно, ничто не может двигаться со скоростью больше скорости света.

Следовательно, первая и самая очевидная опасность от черной дыры — это, буквально, падение в нее. Если такое происходит, ну что ж, ничего не поделаешь. Это поездка в один конец. С вами покончено. Больше не о чем говорить.

Это не очень-то впечатляющий способ, которым черная дыра может расправиться с вами — никаких лучей смерти, никаких массовых и ужасных разрушений. Просто плюх! И вас уже нет.

Такое отсутствие драматизма как-то скучновато для рассказа. Но это также противоречит здравому смыслу[37]. Если вы находитесь на ракете, погружающейся в черную дыру, разве нельзя просто развернуть ракету, включить двигатели на самую полную мощность и улететь?

Нет, нельзя. Исключительно мощные силы тяготения вблизи черной дыры заставляют нас изменить свой взгляд на пространство, время и движение.

С математической точки зрения притяжение, которое вы ощущаете от объекта, уменьшается с квадратом расстояния до него; удвойте свое расстояние до объекта, и его притяжение, которое вы ощущаете, упадет в 2 × 2 = 4 раза. Отойдите в десять раз дальше, и притяжение упадет в 10 × 10 = 100 раз. Отдаляйтесь на сколь угодно большое расстояние — притяжение продолжает действовать, и эта сила никогда на самом деле не снижается до нуля[38].

Итак, представьте, что вы находитесь на поверхности Земли (это должно быть достаточно просто) и держите в руках мяч. Вы подбрасываете его в воздух. Летящий вверх мяч тянет вниз сила тяготения, замедляя его скорость. В конце концов мяч останавливается (скорость = 0), после чего начинает падать на Землю, постоянно ускоряясь, пока вы не поймаете его.

Теперь представьте, что вы подбросили мяч очень высоко, скажем, на несколько километров. Он летит вверх, а сила тяготения тянет его вниз, замедляя движение, но чем выше он поднимается, тем слабее становится сила тяготения, потому что он удаляется от Земли. Поэтому да, он замедляется, но чем выше он поднимается, тем медленнее он начинает замедляться, потому что с высотой притяжение ослабевает.

Это означает, что, если вы сможете подбросить мяч с подходящей скоростью, силы тяготения будут замедлять его с такой же интенсивностью, с какой сами будут ослабевать. Мяч будет постоянно замедляться, но так никогда и не достигнет нулевой скорости. Он будет постоянно удаляться от Земли, но все медленнее и медленнее.

Это определение второй космической скорости, или скорости убегания, — начальная скорость, которую вы должны придать подброшенному телу, такая, при которой оно будет постоянно удаляться от объекта (такого как Земля), постоянно замедляясь, но никогда не останавливаясь и не падая обратно на поверхность.

Если вы подбросите мяч со скоростью чуть меньше второй космической, он улетит далеко, но в конце концов вернется. Если вы подбросите его сильнее, он просто улетит. При второй космической скорости — 11,18 км/с на поверхности Земли — мяч как раз сможет преодолеть притяжение Земли.

Однако, так как притяжение ослабевает с расстоянием, вторая космическая скорость также уменьшается с расстоянием. Если бы вы стояли на вершине очень высокой горы, скорость, с которой вам нужно было бы подбросить мяч, была бы чуть меньше скорости, которую вам нужно придать ему на уровне моря. Кроме того, вторая космическая скорость — это импульс; то есть это скорость, которую вам нужно сразу придать объекту, чтобы он смог преодолеть притяжение. Если каким-то образом вам удастся продолжать увеличивать скорость летящего вверх тела, тогда концепция второй космической скорости становится немного сложней.

Например, вы действительно можете улететь от Земли на более низкой скорости, чем вторая космическая, — по крайней мере, вторая космическая скорость на поверхности. Предположим, у вас есть ракета с неистощимым запасом топлива. Вы запускаете ее со скоростью, скажем, 96 км/ч и регулируете тягу так, чтобы поддерживать именно такую скорость, не замедляясь и не ускоряясь. В конце концов ракета отойдет от Земли на такое расстояние, где притяжение планеты гораздо слабее и скорость убегания упала до 96 км/ч.[39] В этот момент вы преодолели притяжение, но вовсе не на скорости 11,18 км/с — второй космической скорости на поверхности Земли.

Значит, мы можем экстраполировать это на черные дыры, так? Если бы я провалился в черную дыру и имел достаточно большую ракету, то мог бы использовать ее тягу и улететь достаточно далеко от дыры, туда, где скорость убегания становится более приемлемой. И тогда я свободен!

Печально, но это не сработает. Если бы черные дыры были лишь еще одним массивным объектом, с вами все было бы в порядке, именно как в примере выше. Но черные дыры не просто какой-то привычный объект!

Одним из больших достижений Альберта Эйнштейна в науке была идея, что пространство — это объект. Оно не пустое; оно подобно ткани, в которой находятся массивные объекты. Объект, обладающий массой, обладает силами тяготения, и эти силы тяготения изгибают пространство (примером в прошлой главе был шар для боулинга, лежащий на матрасе и прогибающий его). Траектория любого объекта, проходящего мимо более массивного, будет искривлена таким прогибом пространства за счет силы тяготения.

ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ. Когда кто-то объясняет идею черных дыр, искривляющих пространство, он неизбежно использует сравнение с плоской поверхностью, изгибаемой тяжелым объектом, как матрас под шаром для боулинга. К сожалению, это ведет к ошибочному представлению, что черные дыры — это круги в искривленном в виде воронки пространстве. Но это не так: реальность трехмерна, а в этой аналогии используются только два измерения (поверхность матраса можно считать двухмерной, но шар для боулинга прогибает ее, придавая ей третье измерение). Черные дыры — сферические[40], а изогнутое пространство не похоже на воронку. На самом деле форму изогнутого пространства невероятно сложно описать, потому что мы живем в этих измерениях, и описывать их — это все равно что пытаться описать красный цвет тому, кто слеп от рождения. Мы можем описывать искривление математическими формулами, делать прогнозы о нем и, вероятно, даже использовать его для понимания других явлений физики, но мысленно представить его если не совершенно, то практически невозможно.