Первооткрыватели. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый

class="p1">– На этом парадоксы чёрной дыры не заканчиваются. Из нескольких страничек, написанных Карлом Шварцшильдом в 1916 году во фронтовом госпитале, выросла целая наука – физика чёрных дыр. Одной из её главных задач является изучение поведения вещества внутри чёрной дыры.

Уравнения Эйнштейна не запрещают космонавтам находиться внутри сферы Шварцшильда. Если космонавт ухитрился миновать её поверхность, дальше он летит к центру чёрной дыры без особых помех.

– А разве там не будет сверхплотного вещества? – спросил Андрей.

– Чем больше по размеру чёрная дыра, тем больше её масса, но меньше плотность. Если взять очень большую чёрную дыру, плотность вещества в ней может быть очень мала. Например, теоретически возможно, что мы с вами живем в черной дыре, потому что вся наша Вселенная ею и является. А вещества в космосе вокруг нас совсем немного.

– Ничего себе… – пробормотал ошарашенный Андрей. – Какой неожиданный поворот событий!

– Два молодых англичанина, Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг, стали анализировать падение вещества внутри сферы Шварцшильда. Они с удивлением обнаружили, что если масса чёрной дыры сохраняется, то всё её вещество должно сжаться в точку в центре дыры.

– То есть и масса Солнца должна сжаться в точку? – переспросил Андрей. – Как же она там поместится?

– Речь идёт не только об одной звезде. Если рассмотреть сжатие всей Вселенной (сейчас она расширяется, но ведь никто не может нам запретить мысленный эксперимент по её сжатию?), окажется, что даже она должна превратиться в точку в конце своего коллапса или падения саму в себя.

– Наверное, тут какая-то ошибка! – воскликнул возбужденный Андрей. – Ведь во Вселенной сотни миллиардов галактик, и каждая из них состоит из сотни миллиардов огромных звёзд. Как всё это можно сжать в точку? Какого она будет размера?

– В том-то всё и дело, – покачала головой Никки. – Точка не имеет размера. Можно сказать, что точка – это шар нулевого радиуса. В ней плотность сжимающегося вещества становится бесконечной, поэтому учёные зовут её сингулярностью (от латинского слова «singular» – «особый»).

– Тогда точно ошибка! – решил Андрей.

– Пенроуз и Хокинг доказали наличие сингулярности как математическую теорему. Так что простых ошибок здесь быть не может. Но, действительно, многие учёные надеются, что развитие науки преодолеет силу теоремы Пенроуза – Хокинга. Ведь она доказана в рамках теории Эйнштейна и при определенных предположениях. А если внутри чёрных дыр станут существенными квантовые эффекты? Тогда ситуация может измениться. Возможно, внутри чёрных дыр нарушается одно из условий теоремы Пенроуза – Хокинга – например, окажется, что сжимающееся вещество может уменьшать свою гравитационную массу. Это тоже может спасти гигантскую Вселенную от сжатия в бесконечно малую точку.

– Учёным определённо нужна помощь! – воскликнула Галатея и покосилась на брата, то ли ища поддержки, то ли в надежде его опередить.

– Стивен Хокинг был очарован чёрными дырами и продолжал размышлять о них. Он страдал тяжёлым заболеванием и оказался прикован к инвалидной коляске на десятки лет. Но полёт мысли болезнь не смогла остановить. Стивен много размышлял о том, как чёрная дыра плывёт в пустоте и поглощает всё на своём пути. Неужели нет способа отобрать вещество у абсолютного пожирателя материи?

Хокинг обдумывал поляризацию вакуума – как она поведёт себя возле чёрной дыры?

– Чего он обдумывал? – не поняла Галатея. – Полярный вакуум?

– Нет, поляризацию вакуума. Если поместить какой-нибудь металлический шар в сильное электрическое поле, то под его действием электроны сбегутся на один край шара и на нём возникнет отрицательный заряд. При этом на другой части шара возникает дефицит электронов – положительный заряд. Возникновение таких зарядов на теле под воздействием электрического поля называют поляризацией.

– Это поляризация металлического шара, – отметил внимательный Андрей. – Но в вакууме ничего нет, это пустота. Что там поляризуется?

– Сам вакуум. С точки зрения современной физики, вакуум – не пустота, а поверхность невидимого энергетического моря, под которой дельфинами плавают различные элементарные частицы – электроны, протоны, нейтроны и другие. От обычных частиц они отличаются тем, что их энергия гораздо меньше. Они плавают в глубине энергетического моря Дирака и поэтому не обладают степенью реальности обычных электронов и протонов. Таких глубинных обитателей моря Дирака учёные стали называть «виртуальными» частицами.

– Как виртуальная реальность в компьютерах? – спросил Андрей.

– Да, в обоих случаях термин «виртуальность» означает значительное отличие от реальности. Это море невидимых элементарных частиц называют морем Дирака, по имени его первооткрывателя. Море Дирака хранит много чудес. Исследуя его, учёные поняли, откуда в ускорителях при столкновении двух протонов берётся множество других частиц: сталкивающиеся частицы сообщают обитателям моря Дирака столько энергии, что виртуальные «рыбы» энергетического моря выпрыгивают в мир реальных частиц.

– А без ускорителя можно увидеть поляризацию вакуума?

– Если взять два мощных лазера с очень короткой длиной волны излучения (их называют гразера-ми) и скрестить лучи гразеров в космическом вакууме, на их пересечении вакуум заискрится: из моря Дирака будут выбиваться па́ры электронов и позитронов, которые по отношению друг к другу являются античастицами.

– А, соединяясь, античастицы аннигилируют и рождают вспышку! – поспешил поделиться своими знаниями Андрей.

– Верно, именно поэтому вакуум в зоне пересечения лучей двух лазеров будет светиться – рождённые пары частиц снова будут исчезать, но уже разбрасывая кванты света во все стороны. Когда Стивен Хокинг сумел рассчитать поляризацию вакуума не в поле лазерных лучей, а в сильном гравитационном поле чёрной дыры, он с удивлением обнаружил, что дыра будет испаряться из-за поляризации вакуума!

Многочисленные пары частиц и античастиц возникают у самой поверхности Шварцшильда. И хотя они не пересекают её, но так взаимодействуют с чёрной дырой, что масса последней уменьшается, а наружу – к внешнему наблюдателю – идёт поток квантов света и элементарных частиц, рождённых у самой поверхности чёрной дыры.

– Значит, чёрная дыра, которая может появиться на месте нашего Солнца, будет ярко светиться и скоро исчезнет?

– Такие массивные чёрные дыры светятся очень слабо и незначительно меняют свою массу. Но если представить себе очень маленькую чёрную дыру с массой песчинки, то она будет светиться очень ярко, а в последний момент исчезнет, породив мощную вспышку.

Учёные пытаются найти такие вспышки излучения Хокинга от мини-дыр, но пока безуспешно. Когда в начале XXI века физики запускали новый ускоритель – Большой адронный коллайдер – газеты и телевидение наполнились предсказаниями о рождении чёрной дыры, которая засосет всю Землю. Далекие от физики люди не понимали, что, даже если микроскопическая чёрная дыра и сможет родиться при столкновении двух протонов, она почти мгновенно испарится, как любая короткоживущая элементарная частица.

– То есть Хокинг сделал открытие на бумаге, а