Нобелевскую премию по физике присудили за обнаружение сверхмассивного объекта

Наука и жизньНаука

Долгожданное признание чёрных дыр

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

В этом году присуждение Нобелевской премии по физике получилось необычным: Нобелевский комитет нарушил сразу два своих многолетних правила. Первое из них — не давать два года подряд премию представителям одного направления в физике. Поскольку сфера физических исследований стала очень широкой, а исследователей, работающих на нобелевском уровне, достаточно много, это позволяет давать награду учёным из разных разделов физики. Но в 2020 году, как и в предыдущем (см. «Наука и жизнь» № 11, 2019 г.), премия присуждена за исследования космоса. Более того, премия была дана за открытие чёрных дыр, некоторые свойства которых по-прежнему остаются дискуссионными, — и это второе отступление от правил, поскольку принято присуждать награду за надёжно установленные открытия.

Что же заставило консервативный Нобелевский комитет поступить подобным образом? На мой взгляд, этому поспособствовало два фактора. Во-первых, получение в 2019 году первого в истории изображения чёрной дыры в галактике М 87 (см. «Наука и жизнь» № 5, 2019 г.). Столь огромное достижение современной астрономии, ставшее прямым доказательством существования этих экзотических объектов, само заслуживает Нобелевской премии. Вместе с открытием в 2015 году гравитационных волн от слияния чёрных дыр (Нобелевская премия по физике за 2017 год, см. «Наука и жизнь» № 11, 2017 г.) оно превратило чёрные дыры из гипотетических объектов в реальные, сделав возможным вручение премии за их исследование.

А вот второй возможный фактор, предопределивший присуждение премии «вне очереди», именно в 2020 году, — это желание успеть наградить хоть кого-то из замечательной плеяды физиков 1950—1960-х годов, заложивших основы теории чёрных дыр. Совсем недавно ушёл из жизни Стивен Хокинг (1942—2018) и в живых остался только Роджер Пенроуз, которому в этом году исполнилось 89 лет. Можно сказать, что в его лице получило награду всё это направление астрофизики. Ради этого Нобелевский комитет пошёл на награждение премией за теоретическую, по сути математическую работу, основные положения которой — наличие у чёрной дыры горизонта событий и сингулярности — до сих пор остаются, строго говоря, экспериментально недоказанными, хотя, разумеется, косвенные доказательства имеются.

Половину Нобелевской премии по физике за 2020 год получил физик и математик из Великобритании, профессор Оксфордского университета Роджер Пенроуз «За открытие того, что образование чёрной дыры — надёжное предсказание общей теории относительности».

Нобелевскую премию по физике 2020 года получили британский математик Роджер Пенроуз, доказавший, что из общей теории относительности следует существование чёрных дыр, и астрономы Райнхард Генцель (Германия) и Андреа Гез (США), обнаружившие сверхмассивный объект в центре нашей Галактики. На фото: Райнхард Генцель,  Андреа Гез, Роджер Пенроуз. Фото: Cirone-Musi, Festival della Scienza/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2.0,  MPE/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0, /NSF/MacArthur Foundation/Wikimedia Commons/PD

Чёрные дыры, пожалуй, самое необычное следствие общей теории относительности, которую Альберт Эйнштейн представил в 1915 году. Эта теория дала совершенно новое понимание гравитации, формирующей нашу Вселенную, и стала основой последующих её исследований.

Первое теоретическое описание объекта, которому астрономы через полвека дали название «чёрная дыра», появилось всего через несколько недель после публикации общей теории относительности. Его представил немецкий астрофизик Карл Шварцшильд, описавший, как массивные тела могут искривлять пространство и время, не отпуская от себя даже свет.

Позднее границу вокруг такого тела, после пересечения которой ничто не может выбраться назад, назвали горизонтом событий. Для сферической чёрной дыры, которую рассматривал в своей работе Шварцшильд, горизонт событий часто называют «сферой Шварцшильда», а её радиус — радиусом Шварцшильда или гравитационным радиусом. Его величина зависит от массы тела. Так, для Солнца радиус Шварцшильда равен 2,95 км, то есть если бы мы могли сжать Солнце до такого размера, оно стало бы чёрной дырой. Для Земли гравитационный радиус составляет всего 8,87 миллиметра. Следует понимать: хотя этот радиус характеризует размер чёрной дыры, горизонт событий не представляет собой поверхность тела, это просто воображаемая граница в пространстве.

Главной же проблемой решений уравнений общей теории относительности, полученных Шварцшильдом и другими учёными, в частности Александром Фридманом и Жоржем Леметром, стала так называемая сингулярность — точка или область, где кривизна пространства-времени обращается в бесконечность. Там к бесконечности стремятся плотность вещества и сила тяготения. У неподвижных сферических чёрных дыр область сингулярности представляет собой точку, у вращающихся — кольцо. Это аналогично делению на ноль в обычной математике. И так же, как мы говорим, что на ноль делить нельзя, так и в случае сингулярности реально точек с бесконечной плотностью быть не может. Сингулярность надо понимать как место, где рассматриваемые величины возрастают настолько значительно, что общая теория относительности уже неприменима. В этом нет ничего странного и неожиданного — любая теория имеет границы своей применимости. Что происходит в области сингулярности, должна объяснить уже другая теория, которая пока не создана. Возможно, ей станет квантовая гравитация или теория струн.

Сложность интерпретации сингулярности заключается в том, что решение системы уравнений общей теории относительности в общем виде невозможно из-за их сложности, и для его получения физики делают различные упрощающие допущения. Например, Шварцшильд считал, что сжимающееся под действием гравитации вещество представляет собой невращающийся шар. Но тогда всегда существует возможность, что полученные результаты являются следствием не самой теории, а выбранных допущений, так сказать, математическим фокусом. Скажем, шварцшильдовская сингулярность исчезнет при малейшем отклонении распределения вещества от сферической симметрии. Кстати, в решении Шварцшильда было деление на ноль в области горизонта событий, что, как выяснилось впоследствии, связано с неудачным выбором системы координат.

Именно поэтому сам Эйнштейн сначала отнёсся к результатам Шварцшильда недоверчиво и в дальнейшем полагал, что в реальности сингулярности существовать не могут. В своей работе 1939 года он так и писал: «Основным результатом проведённого исследования является чёткое понимание того, что в реальном мире отсутствуют шварцшильдовские сингулярности».

Тем не менее, в 1930-е годы появилось несколько серьёзных исследований по чёрным дырам. Так, в 1932 году Леметр обнаружил, что сингулярности возникают и для несферического случая. А физики Роберт Оппенгеймер, Джордж Волков и Хартланд Снайдер, проанализировав сжатие (коллапс) ядра звезды в рамках общей теории относительности, пришли к выводу о неизбежности возникновения чёрной дыры для ядра достаточно большой массы, более двух-трёх солнечных. Последний результат близок к современным представлениям.

Однако, как писал нобелевский лауреат 2017 года Кип Торн: «Чёрные дыры “дурно пахли”, они были слишком противоестественны. В то время никто не рассматривал чёрные дыры как серьёзное предсказание теории... “признанные авторитеты” начали недвусмысленно выражать своё отрицание ужасных объектов». Это мнение держалось достаточно долго. Даже Джон Уилер, внёсший большой вклад в развитие общей теории относительности и теорию чёрных дыр, в ранней статье 1958 года утверждал, что, если использовать более реалистические условия, то коллапса не будет.

Впрочем, до 1960-х годов этот вопрос был исключительно теоретическим, далёким от реальной астрономии, но ситуация изменилась, когда были открыты квазары («квазизвёздные радиоисточники»), самые яркие объекты во Вселенной. Впервые они были обнаружены в конце 1950-х годов как объекты с сильным излучением в радиодиапазоне и очень малыми угловыми размерами, так что их сначала посчитали аналогом звёзд. Однако в спектрах квазаров не удавалось обнаружить спектральные линии химических элементов. В 1963 году астроном Мартин Шмидт из Нидерландов обнаружил, что в спектрах квазаров есть сильное красное смещение, свидетельствующее, что расстояние до них огромно. Они находятся далеко за пределами нашей Галактики на удалении в миллиарды световых лет. Тогда же советским астрономам Александру Шарову и Юрию Ефремову удалось обнаружить переменность блеска квазаров, по характеру которого они выяснили, что квазары — относительно небольшие объекты, размером с Солнечную систему.

Чтобы светить с такого расстояния, квазары должны обладать чудовищной интенсивностью излучения, сопоставимой с несколькими сотнями галактик. Однако звёзды, в том числе наше Солнце, находятся в стабильном состоянии потому, что давление рвущегося из их недр излучения уравновешивается сжимающим действием гравитации. Для уравновешивания же такого мощного излучения масса квазаров должна быть очень велика, иначе излучение просто их разорвёт. Первыми предложили метод оценки массы квазаров из равновесия гравитации и давления излучения советские физики Яков Борисович Зельдович и Игорь Дмитриевич Новиков. Так, светимость первого идентифицированного квазара 3C 273 составляет не менее 10

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Как живётся в Арктике белым медведям и людям Как живётся в Арктике белым медведям и людям

Каково это — работать на Крайнем Севере, и как ведется изучение белых медведей?

Наука и жизнь
Самые агрессивные знаки зодиака Самые агрессивные знаки зодиака

Представители каких знаков зодиака самые агрессивные?

Cosmopolitan
Космические тоннели Космические тоннели

Существуют ли кротовые норы?

Популярная механика
Мемуары выдающихся ученых, которые стоит прочесть Мемуары выдающихся ученых, которые стоит прочесть

Топ-7 самых увлекательных мемуаров легендарных исследователей и ученых

Популярная механика
Этан, метан, азот и Титан Этан, метан, азот и Титан

Титан можно было бы даже сравнить с Землёй, если бы не одно «но»

Наука и жизнь
Чтобы дважды не вставать Чтобы дважды не вставать

Редактор Glamour проверила на себе новшества пластической хирургии

Glamour
Три десятилетия Игнобеля: от памяти воды до чистящей слюны Три десятилетия Игнобеля: от памяти воды до чистящей слюны

Открытия, за которые в разные годы присуждали Игнобелевскую премию

Наука и жизнь
Вибратор и еще 6 предметов, которыми люди пользуются не по назначению Вибратор и еще 6 предметов, которыми люди пользуются не по назначению

Некоторые вещи изобретались не с той целью, с какой мы используем их сейчас

Maxim
Время Кассиопеи. Осеннее небо Время Кассиопеи. Осеннее небо

Что можно наблюдать на звездном небе осенью

Наука и жизнь
Беззащитные перед космосом: десятиметровый астероид прошел над Землей незамеченным ниже МКС Беззащитные перед космосом: десятиметровый астероид прошел над Землей незамеченным ниже МКС

Астероид 2020 VT4 подошел к Земле ближе, чем Международная космическая станция

Forbes
Заповедные люди Заповедные люди

Зачем сотрудники Саяно-Шушенского заповедника бродят по глухой тайге?

Вокруг света
Со знаком качества Со знаком качества

Экскурс в 20‑е годы прошлого столетия — современная вариация на тему ар-деко

SALON-Interior
Особенности подводной ловли нейтрино в зимний период Особенности подводной ловли нейтрино в зимний период

Зачем в толще байкальских вод построили самое высокое сооружение России

Эксперт
Синдром Мюнхгаузена: почему Эминема оставила мать Синдром Мюнхгаузена: почему Эминема оставила мать

Эминему пришлось пройти через унижения и неприятие, чтобы добиться успеха

Cosmopolitan
Как победить лень: 15 эффективных способов встать, наконец, с дивана Как победить лень: 15 эффективных способов встать, наконец, с дивана

Как избавиться от лени и стать продуктивным человеком?

Playboy
Британский мультимиллионер начал производство алмазов из воздуха Британский мультимиллионер начал производство алмазов из воздуха

Алхимия здесь ни при чем

National Geographic
Мадрид: от рассвета до заката Мадрид: от рассвета до заката

Давай отправимся в гастрономический марафон по испанской столице

Лиза
Здоровый мазохизм: в чем его польза Здоровый мазохизм: в чем его польза

Мазохизм — очень важный механизм для получения удовольствия

Psychologies
Юозас Будрайтис. Одинокий ковбой Юозас Будрайтис. Одинокий ковбой

«Тебя можно обвинить в бродяжничестве», — говорили мне в советские времена

Караван историй
Однажды президенту Nintendo Сатору Ивате предложили сократить штат. Его ответ — отличный пример эмоционального интеллекта Однажды президенту Nintendo Сатору Ивате предложили сократить штат. Его ответ — отличный пример эмоционального интеллекта

Как Сатору Ивата сохранил моральный дух и атмосферу Nintendo в кризис

Inc.
Что нужно знать о Маргерит Литтман — светской даме, активистке и прототипе героини Одри Хепберн Что нужно знать о Маргерит Литтман — светской даме, активистке и прототипе героини Одри Хепберн

Именно она вдохновила Трумена Капоте на историю «Завтрака у Тиффани»

Esquire
5 возможных причин, почему ты стал бегать в туалет чаще (при том, что пьешь столько же) 5 возможных причин, почему ты стал бегать в туалет чаще (при том, что пьешь столько же)

Часто ходишь в туалет? Возможно, твой мочевой пузырь пытается что-то сказать

Playboy
История трагической любви настоящих Красавицы и Чудовища История трагической любви настоящих Красавицы и Чудовища

Во Франции жила настоящие Красавица и Чудовища

Cosmopolitan
Вечная юность. История и тест лучшей самодельной машины СССР Вечная юность. История и тест лучшей самодельной машины СССР

Работы над этим автомобилем начались полвека назад

РБК
Олег Ставицкий: «ВОЗ объявила эпидемию недосыпа – это огромная проблема» Олег Ставицкий: «ВОЗ объявила эпидемию недосыпа – это огромная проблема»

Создатель Endel о коллаборации с Граймс

GQ
Глаза Эйнштена и другие легендарные части тела великих людей Глаза Эйнштена и другие легендарные части тела великих людей

Они жили полной жизнью, даже когда оказывались вдали от своих владельцев!

Maxim
Почему немецкие автоматы называют «Шмайссером», если это не «Шмайссер» Почему немецкие автоматы называют «Шмайссером», если это не «Шмайссер»

Я стреляю, он стреляет, они стреляют…

Maxim
Первая после 16 лет молчания книга Сюзанны Кларк «Пиранези». Публикуем первые главы Первая после 16 лет молчания книга Сюзанны Кларк «Пиранези». Публикуем первые главы

Отрывок из фантастического романа Сюзанны Кларк «Пиранези»

СНОБ
«Есть масса явлений, от которых мне стыдно, тошно, но это моя страна, и я никуда не уеду»: основатель «Вымпелкома» Дмитрий Зимин — о науке, лидерстве и филантропии «Есть масса явлений, от которых мне стыдно, тошно, но это моя страна, и я никуда не уеду»: основатель «Вымпелкома» Дмитрий Зимин — о науке, лидерстве и филантропии

Интервью с основателем компании «Вымпелком» Дмитрием Зиминым

Forbes
Загнанная в угол гиена зовет на помощь: видео Загнанная в угол гиена зовет на помощь: видео

Самка гиены сражается с гиеновидными собаками

National Geographic
Открыть в приложении