Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса

Голдберг Дэйв

Если бы Солнце было черной дырой, мы могли бы подобраться гораздо ближе, и воздействие гравитации было бы гораздо зрелищнее. Как мы уже видели, рядом с массивными телами время течет медленнее, чем вдали от них. На горизонте событий черной дыры замедление времени становится буквально бесконечным. Да-да, вы не ослышались: бесконечным.

Предположим, у вас есть приятельница, которой вы не прочь пожертвовать ради науки. Давайте возьмем Алису: похоже, она не питает отвращения к кроличьим норам и всему такому прочему. Возьмите веревку попрочнее и подвесьте Алису над самым горизонтом событий. С точки зрения Алисы пройдет всего несколько минут, но к тому моменту, как она взберется обратно, в остальной вселенной, вероятно, пройдут тысячи лет.

Не исключено, что к этому времени Землей будут править немытые обезьяны!

Спагеттификация

А теперь предположим, что Алиса решила не ждать, когда вы плавно спустите ее, а пожертвовать собой и прыгнуть в черную дыру «солдатиком». Разъясню еще раз: я не предлагаю ни вам, ни вашим друзьям подходить к черной дыре так близко, чтобы можно было провести подобный эксперимент. Вы не успеете узнать ничего интересного о течении времени, потому что вас раздерут в клочки приливные силы. Это называется спагеттификация — да, представьте себе, это научный термин.

Когда Алиса приблизится к черной дыре, гравитация будет действовать на ее ноги капельку сильнее, чем на голову. Поначалу это не создаст особых трудностей, но чем ближе будет Алиса к черной дыре, тем сильнее станет спагеттификация.

Для сравнения, горизонт событий у черной дыры с массой Солнца примерно три километра — в самый раз для славной оздоровительной прогулки. Если бы мы подвесили Алису в 1400 километрах над горизонтом событий, разница в гравитации между ее головой и ногами составила бы ускорение в 20 g, а человеческий организм такого вынести уже не может.

Оказывается, более или менее независимо от массы черной дыры с точки зрения Алисы пройдет примерно одна пятая секунды от того момента, когда она ощутит заметное неудобство, до того, как ее кости разнесет в пыль.

Однако можно и не мучиться — если черная дыра достаточно велика. Черная дыра массой в 10 000 масс Солнца гораздо безопаснее, чем ее менее массивные сестры. Приливные эффекты так слабы, что Алиса сможет миновать горизонт событий и остаться в живых. Независимо от того, как Алиса попадет туда, если она провалится за горизонт событий, черная дыра станет тяжелее на массу Алисы. Так они и растут.

Наверное, то, как растут черные дыры, требует некоторых разъяснений. Во-первых, черные дыры в большинстве своем не склонны к людоедству. В дикой природе их рацион состоит в основном из пыли, газа, звезд и — в зависимости от размеров — черных дыр поменьше.

Во-вторых, гравитация получается не только из массы. Не забывайте, масса и энергия эквивалентны, поэтому любая разновидность энергии в конечном итоге способна породить гравитацию. Я могу посветить в недра черной дыры фонариком — и она и в самом деле станет чуточку массивнее. Однако у этой медали есть и обратная сторона: испуская излучение, Солнце очень медленно и очень понемногу теряет массу [75] . Дело просто в том, что масса — самый действенный способ доставить энергию в систему. Правая сторона формулы E = mc^2 — огромное число даже при небольшой массе, так что нечего удивляться, что вклад массы в гравитацию обычно привлекает к себе больше всего внимания.

75

Гораздо больше массы Солнце теряет потому,

что непрерывно извергает поток частиц под названием «солнечный ветер», однако крошечную долю потерянной массы действительно составляет потерянная энергия.

Третье мое предупреждение состоит в том, что когда именно Алиса упадет в черную дыру, во многом зависит от вашей точки зрения. Время поблизости от черной дыры идет медленно, а если подобраться очень близко, то и бесконечно медленно. Выясняется, что из-за этого черная дыра заключает с нами односторонний договор с сильным перекосом.

Когда Алиса приблизится к горизонту событий, будет все страньше и страньше. Даже если она переживет спагеттификацию, мы так и не увидим, как она пересечет линию горизонта событий. Прежде всего, с точки зрения стороннего наблюдателя на это уйдет бесконечно много времени. Алиса не столько пересечет горизонт событий, сколько исчезнет, как фотография в фильме «Назад в будущее», начиная с ног.

Если Алисины часы идут медленно, следовательно, все, чем вы теоретически можете воспользоваться для измерения времени, в том числе частота света, тоже замедлится. В частности, длина волны света, излучаемого из передатчика Алисы, по мере приближения к горизонту событий будет увеличиваться, и в конце концов вы перестанете видеть Алису. Сильнее всего этот эффект будет заметен у ног, а слабее всего — у макушки.

Однако во всем этом таится загадка. Если время у горизонта событий бесконечно замедляется, как туда вообще что-то падает?

Ответ, как обычно в теории относительности, состоит в том, что все зависит от наблюдателя. Гравитация, которую мы наблюдаем вдали от черной дыры, — смесь всего вещества и энергии, которые когда-либо туда попадали. Тот факт, что все это с нашей, довольно-таки ограниченной, точки зрения даже не пересечет горизонт событий, не имеет особого значения. Иначе говоря, неважно, насколько массивна черная дыра в данный момент, поскольку нет абсолютного согласия по вопросу о том, что означает «в данный момент».

На самом деле это помогает нам решить еще одну загадку, которая, может быть, уже пришла вам в голову, а может быть, и нет. Если свет не может покинуть черную дыру, а гравитация распространяется со скоростью света, как гравитационное поле выбирается из черной дыры и сообщает нам, что мы обязаны туда упасть?

Вспомним, как объяснял относительность Уилер. Масса (и энергия) должна диктовать пространству-времени, как искривляться. Это как большой мальчик, который уселся посреди батута. Детишки поменьше катятся к середине батута не из-за того, что у большого мальчика такая масса — по крайней мере, прямой зависимости тут нет: причина в том, что батут провис, искривился к середине. На языке взрослых физиков это означает, что когда материал, падающий в черную дыру, приближается к горизонту событий, он деформирует пространство-время, каким оно видится со стороны. И именно это, а не какой-то непосредственный сигнал, и влечет Алису и все остальное к черной дыре.

Излучение и перспектива

В заключение всех этих разговоров о том, что попадает в черную дыру, мы побеседуем о том, что оттуда выходит. Возможно, вы полагаете, что ничего, и это логично. Сколько я ни изворачивался, лишь бы не объяснять, как именно действует гравитация, черные дыры получили такое название потому, что свет из них не вырывается.

С другой стороны, мы «видим» черные дыры в форме квазаров в других галактиках. Квазары — необычайно яркие объекты в центрах галактик, где сверкающие облака раскаленного газа поглощаются сверхмассивной черной дырой. И, кстати, за исключением гигантских струй, видимых в радиодиапазоне, мы не можем рассмотреть структуру этих облаков. Когда в новостях о жизни черных дыр вам показывают подробно прорисованные аккреционные диски, это кто-то мухлюет с графическим редактором MS Paint, или чем там теперь рисуют наглядные иллюстрации.