Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную - читать онлайн книгу. Автор: Мартин Дж. Рис cтр.№ 12

Относительно черных дыр наши представления о пространстве и времени терпят крах. Свет движется по прямому пути, но в сильно искривленном пространстве он может оказаться сложным завитком. Также около черных дыр время идет очень медленно (даже медленнее, чем около нейтронных звезд). Напротив, если вы сможете зависнуть около черной дыры или выйти на ее орбиту, вы увидите, как вся внешняя вселенная ускорится. Вокруг черной дыры существует четкая граница, где для находящегося на безопасном расстоянии наблюдателя стрелки часов (или падающий экспериментатор внутри границы) будут казаться застывшими, поскольку временно́е растяжение станет почти бесконечным.

Даже свет не может вырваться с этой поверхности. Искажение пространства и времени проявляется настолько сильно, как будто само пространство всасывают внутрь так быстро, что даже направленный наружу луч света втягивается вовнутрь. В черной дыре вы можете двигаться во внешнее пространство не дальше, чем перемещаться во времени вспять.

Вращающаяся черная дыра искажает пространство и время более сложным образом. Чтобы представить себе это, вообразите водоворот. Если вы находитесь далеко от центра водоворота, вы можете плыть в любом направлении, куда только пожелаете, по течению или против него. Ближе к центру вода закручивается быстрее, чем может плыть ваша лодка: вам приходится двигаться по кругу вместе с ее потоком, хотя вы все еще можете плыть наружу или вовнутрь. Но ближе к центру составляющая скорости течения вовнутрь становится много быстрее вашей лодки. Если вы пересечете некий «критический радиус», у вас не будет больше никакого выбора относительно дальнейшей судьбы, и вас втянет внутрь.

Черная дыра заключена в поверхность, которая работает как односторонняя мембрана. Изнутри нельзя передать никакие сигналы коллегам, которые наблюдают с безопасного расстояния. Любой, кто проходит через эту поверхность, попадает в ловушку и обречен на то, чтобы быть втянутым в область, где, согласно уравнениям Эйнштейна, тяготение «становится бесконечным» при конечном времени, измеренном его собственными часами. Эта сингулярность фактически указывает на то, что условия выходят за пределы известной нам физики, как это было, по нашему мнению, в начале существования Вселенной. Таким образом, любой, кто упал в черную дыру, встретится «с концом времени». Не есть ли это предчувствие «Большого схлопывания», которое может стать окончательной судьбой нашей Вселенной? Или у Вселенной бесконечное будущее? Или, возможно, какие-то пока неведомые законы физики смогут защитить нас от такой судьбы?

Как известно, теория Эйнштейна была порождена его удачной мыслью о том, что тяготение неотличимо от движения с ускорением и его невозможно определить в свободно падающем лифте. Тем не менее неравномерность тяготения нельзя игнорировать. Если отряд астронавтов-камикадзе будет свободно падать на Землю, как строй геометрически правильной формы, горизонтальные расстояния между ними будут сокращаться, тогда как вертикальные будут расти. Это происходит потому, что их траектории сходятся в одну точку в центре Земли, и сила тяготения сильнее действует на тех, кто в строю окажется ниже и, следовательно, ближе к Земле. Подобный же эффект будет действовать и на разные части тела каждого астронавта: падая ногами вперед, астронавт будет чувствовать вертикальное растяжение и сжатие с боков. Эта приливная сила, неощутимая для астронавтов при земном тяготении, становится катастрофически большой в черной дыре, что приводит к тому, что объект разрывается на части, превращается в «спагетти» еще до того, как достигнет сингулярности в центре. Астронавт, падающий в черную дыру, имеющую массу звезды, испытает чудовищное воздействие приливной силы до того, как достигнет поверхности дыры; после этого останется всего несколько секунд (по часам астронавта) до встречи с сингулярностью. Но у сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах галактик, приливные эффекты проявляются более мягко: даже после прохождения внутрь через ее поверхность останется несколько часов на исследование, прежде чем слишком большое приближение к центральной сингулярности станет чрезвычайно неприятным ^{5}.

Черные дыры представляют собой замечательную теоретическую концепцию, однако они нечто большее, чем просто теория. Доказательств того, что они действительно существуют, сейчас нельзя не признать. Они связаны с некоторыми из самых зрелищных явлений, которые мы наблюдаем в космосе, – квазарами и взрывными выделениями энергии ^[12]. Все еще продолжаются споры, как именно появляются черные дыры, но нет никаких загадок в том, как тяготение может подавить все остальные силы в мертвой звезде или в облаке газа в центре галактики. Эти процессы образования требуют, чтобы тело было по крайней мере таким же тяжелым, как звезда, потому что, как мы уже видели, на астероидах и планетах притяжение не может соперничать с другими силами. На самом деле даже физик с постоянно покрытой облаками планеты мог предсказать, что если звезды существуют, то могут существовать и черные дыры, равные по массе звездам.

Размер звезд, определяющий массу черных дыр, которые могут сформироваться сегодня, проистекает, как мы видели, из равновесия между силой тяготения и силами внутри атома. Но в теории Эйнштейна масса никак особо не выделяется. Черные дыры созданы из самой ткани пространства. Поскольку пространство является однородным и непрерывным континуумом, ничего, кроме масштаба, не отличает сформировавшуюся дыру размером с атом, размером с звезду или размером со всю наблюдаемую Вселенную.

Даже дыра размером с атом могла бы иметь массу горы. Черные дыры по определению являются объектами, в которых тяготение подавляет все остальные силы. Для того чтобы сформировалась черная дыра размером в атом, 10³⁶ атомов должны сжаться до одного. Это невыполнимое требование является еще одним следствием огромности числа N, которое измеряет слабость притяжения в масштабе атомов. Что же насчет черных дыр меньших, чем атом? Здесь существует конечный предел (который всплывет в главе 10), связанный с зернистостью пространства в самом мельчайшем масштабе.

Черные дыры в масштабе атомов могли бы сформироваться – если это вообще возможно – только под колоссальным давлением, которое имело место в первые мгновения существования Вселенной. Если такие мини-дыры действительно существуют, то они будут необычайными «отсутствующими звеньями в цепи» между космосом и микромиром.

Насколько стара Земля? Сейчас с помощью измерения радиоактивных атомов установлено, что ей примерно 4,55 млрд лет. Тем не менее убедительные аргументы в пользу древнего возраста нашей планеты выдвигались еще в XIX в. В то время геологи, оценивая степень эрозии и оседания грунта, которые повлияли на формирование земной поверхности, предположили, что возраст Земли составляет по меньшей мере 1 млрд лет. Дарвинисты разделяли их мнение, ссылаясь на свои оценки количества поколений эволюционирующих видов, которые должны были жить на планете до нас. Однако великий физик лорд Кельвин вычислил, что вся внутренняя энергия Солнца должна была истечь наружу и оно бы сдулось всего за 1 % этого времени. Он мрачно заявлял: «Обитатели Земли не могут продолжать наслаждаться светом и теплом, так необходимыми для их жизни, больше нескольких миллионов лет, если только в великой кладовке творения для нас не приготовлены другие их источники, сейчас нам неизвестные». Наука ХХ в. обнаружила, что такие источники действительно существуют и спрятаны они в ядре атома. Водородные бомбы – ужасающее доказательство того, какая энергия скрывается в атоме.