Черные дыры. Лекции BBC

The illustrations were produced by Cognitive (wearecognitive.com) for BBC Radio 4.

The BBC logo is a trade mark of the British Broadcasting Corporation and is used under licence.

В личности Стивена Хокинга многое восхищает и удивляет: и гений, запертый в ловушке больного тела, и улыбка, которая освещает лицо, ставшее почти неподвижным, и механический голос, который приглашает нас разделить радость познания, все также доступного его уму, не знающему границ и летящему через неизведанную Вселенную.

Несмотря на жизненные трудности этот замечательный человек смог выйти за привычные грани современной науки. Книга Стивена Хокинга «Краткая история времени» на сегодняшний день разошлась ошеломляющим

тиражом в десять миллионов экземпляров. Тому, что ее автор стал настоящей мировой знаменитостью, есть множество подтверждений: это и эпизодические роли в популярных комедийных передачах, и приглашения в Белый дом, и хорошо принятый зрителями документальный фильм о его жизни. Стивен Хокинг стал самым знаменитым ученым в мире, ни больше и ни меньше.

В 60-е годы прошлого века врачи поставили ученому диагноз «боковой амиотрофический склероз» (заболевание двигательных нейронов; англ. motor neurone disease, MND) и отпустили ему всего два года жизни. И вот спустя пятьдесят лет Стивен Хокинг продолжает быть исследователем, писателем, путешественником и героем выпусков новостей. Его дочь Люси объясняет такую жажду жизни отца «чрезвычайным упрямством».

Хокинг пленяет воображение людей – то ли историей наполненной болью личной жизни, то ли способностью воодушевлять. Недавно он предупредил о том, что в последнее время человечество столкнулось с серией катастроф собственного производства – от глобального потепления до искусственно созданных вирусов. Опубликованная на сайте BBC статья на эту тему пользовалась большой популярностью в тот день.

Сколько трагической иронии в том, что такой общительный человек не может вступить в нормальный разговор. Чтобы взять интервью у Стивена Хокинга, вопросы нужно отправить заранее. Несколько лет назад его помощники предупредили меня, чтобы я не пытался завести непринужденной спонтанной беседы, потому что ответы даже на самые простые вопросы придется очень долго составлять. Но, волнуясь перед встречей с ним, я все же не удержался и выпалил: «Как вы поживаете?» И после виновато ждал ответа. У него все было хорошо.

В его кабинете в Кембридже доска исписана уравнениями. Сложнейшая математика – язык современной космологии. Уникальный вклад Стивена Хокинга в методологию научных исследований заключается в том, что он одновременно применяет подходы внешне очень разных разделов науки. Так, он изучает глобальное пространство-время с помощью научных приемов, разработанных для исследования мельчайших частиц внутри атомов.

Коллеги Стивена Хокинга по работе в таких нечеловечески сложных областях могут опасаться, что их труды навсегда останутся непонятными для широкой общественности. Но конек Хокинга именно в умении делать сверхсложное доступным для огромной аудитории. В 2016 году в рамках радиолектория BBC имени Джона Рейта (BBC Reith Lectures) в двух пятнадцатиминутных выступлениях Стивен Хокинг смог просуммировать результаты своих исследований внутреннего устройства черных дыр, которым посвятил всю жизнь. В ключевых местах выступления Стивена Хокинга я добавил примечания – в помощь любознательным, но пришедшим в недоумение читателям и тем, кто в восторге от такой идеи, но терзается сомнениями в своей подкованности.

Говорят, что иногда факты оказываются более удивительными, чем вымысел – и это как нельзя более справедливо в отношении черных дыр. Имеющие твердое научное обоснование, черные дыры «страннее» всего, что когда-либо выдумывали писатели-фантасты. Научное сообщество долго силилось примириться с идеей о том, что массивные звезды могут коллапсировать – сжиматься – сами по себе, под действием собственной силы тяжести, и о том, как такие объекты могли бы эволюционировать, если были бы предоставлены сами себе. Альберт Эйнштейн в 1939 году даже написал статью, в которой утверждал, что звезды не могут коллапсировать под действием гравитационных сил, потому что вещество не может быть сжато сильнее определенного предела. Многие современники Эйнштейна доверяли его интуиции и вполне разделяли его мнение, а главным оппонентом был американский ученый Джон Уилер, во многих отношениях один из главных персонажей в истории черных дыр. В работах 1950–1960-х годов Уилер подчеркивал, что многие звезды на финальной стадии эволюции могут коллапсировать, и указывал на возникающие в связи с этим проблемы для теоретической физики. Ученый предвидел и многие свойства объектов – черных дыр, – в которые превращаются коллапсирующие звезды.

Д. Ш.: Словосочетание «черная дыра», как кажется, вполне доступно для понимания, однако трудно вообразить такой объект в космическом пространстве. Мне представляется что-то вроде гигантской вращающейся воронки, по которой вещество спускается по спирали вниз, к центру. Стоит какому-либо объекту оказаться на краю этой воронки, называемом «горизонтом событий», – и пути назад не будет. Обладая невероятно мощной гравитацией, черные дыры всасывают даже свет, и поэтому фактически такие объекты невидимы для наблюдателя. Ученые узнают об их существовании по разорванным в клочья звездам, имевшим неосторожность оказаться слишком близко, а еще по «дрожи пространства». Последнее происходит, например, в результате слияния двух черных дыр, при котором рождаются гравитационные волны. Одно такое событие, произошедшее более миллиарда лет назад, было недавно зарегистрировано учеными, что явилось значительным научным достижением.

На протяжении многих миллиардов лет своего существования обычная звезда поддерживает равновесие гравитационных сил и теплового давления, вызванного ядерными процессами преобразования водорода в гелий.

Д. Ш.: НАСА описывает звезды как эдакие скороварки: взрывная мощность ядерного синтеза внутри звезд создает внешнее давление, которое препятствует силам гравитационного сжатия.

Наступает момент, когда звезда исчерпывает свое ядерное топливо. И тогда она начинает сжиматься. В некоторых случаях звезда достигает состояния равновесия, превращаясь в белого карлика. Однако, как в 1930 году вычислил Субраманьян Чандрасекар, максимально возможная масса такого объекта не должна превышать 1,4 солнечной массы. К такому же выводу пришел и советский физик Лев Ландау, проведя расчет для звезды, целиком состоящей из нейтронов.

Д. Ш.: Белые карлики и нейтронные звезды когда-то тоже были солнцами, но с тех пор сожгли все топливо. Исчерпались раздувающие их силы, и больше ничего не могло остановить их гравитационное сжатие. Так они стали одними из самых плотных объектов во Вселенной. Однако по сравнению с другими звездами их размеры невелики. Это означает, что их гравитационное поле не настолько сильно, чтобы заставить их полностью коллапсировать. Самое интересное – для Стивена Хокинга и других исследователей – это то, что случается с самыми большими звездами, когда их жизненный путь близится к завершению.

Что же произойдет при полном исчерпании ядерного топлива с огромным количеством звезд, масса которых больше массы белого карлика или нейтронной звезды? Этой проблемой занимался Роберт Оппенгеймер, имя которого связано с созданием атомной бомбы. В нескольких статьях, написанных в 1939 году совместно с Джорджем Волковым и Хартлэндом Снайдером, он показал, что существование такой звезды не может поддерживаться ее собственным внутренним давлением. Если взять простую задачу, рассматривающую сжатие однородного сферического тела, исключив из расчета давление, то получится, что такое тело сожмется в точку с бесконечной плотностью. Такая точка называется сингулярностью.