Как люди убедились, что черные дыры реальны

Вокруг светаНаука

Познание тьмы

Текст Анатолий Глянцев

Тот поразительный факт, что черные дыры действительно существуют, открывался ученым на протяжении столетия, а окончательно широкую публику смогла убедить лишь нобелевская премия, присужденная полгода назад за их открытие. Разобраться в деталях этого удивительного научного квеста нам помог выдающийся российский космолог академик Алексей Старобинский.

Британский физик и математик, нобелевский лауреат прошлого года Роджер Пенроуз изобрел способ, как получить пользу от черной дыры. Если черная дыра вращается, и если бросить камень особым образом, по касательной, и если он развалится вблизи дыры на два куска, то одна из частей вернется к вам с большей энергией, чем весь камень обладал до этого. Если черная дыра удачная, таким способом некая смекалистая сверхцивилизация смогла бы извлечь в виде энергии больше четверти ее массы. Когда человечество доберется до центральной черной дыры нашей Галактики, оно сможет таким способом обеспечить себя энергией на квадриллион квадриллионов лет (если, конечно, его энергетические потребности останутся на нынешнем скромном уровне).

Почему мы начали рассказ с этого странного факта? Потому что это один из немногих ответов на вопрос «Какая нам польза от этих дыр?!». До ближайшей к нам дыры не меньше тысячи световых лет, и в ближайшее время человечество вряд ли сможет ставить над ними подобные опыты.

Однако при этом черные дыры завораживают воображение, как, наверное, ни один объект на Земле или в космосе. Область пространства, откуда нет возврата. Место, где пространственные координаты превращаются во временные (причем после этого времени остается не так уж много: внутри дыры солнечной массы от пересечения горизонта событий до встречи с сингулярностью у вас будет в запасе одна миллионная секунды, и любые ваши телодвижения лишь ускорят эту встречу). Сгустки энтропии. Дыры в реальности.

Впрочем, из современной физики следует немало подобных завораживающих воображение конструкций. Кротовые норы в пространстве-времени, белые дыры, машины времени на основе космических струн, телепортация макрообъектов – все это, судя по всему, не противоречит уравнениям, выведенным теоретиками. Однако тут есть тонкость: одно дело не противоречить уравнениям, совсем другое – быть реальной частью истории Вселенной. На рубеже ХХ– XXI веков черные дыры прошли этот главный экзамен: дыры в мироздании не просто «могут быть» – они реальны.

Нет возврата

Термин «черная дыра» появился только в 1969 году с легкой руки физика Джона Уилера. Но о телах, притяжение которых не может преодолеть свет, еще в XVIII веке задумались Джон Мичелл и Пьер Симон Лаплас.

К тому времени физики уже измерили скорость света, массу Земли и Солнца. Знакомо им было и понятие второй космической скорости – с такой скоростью надо стартовать, чтобы улететь от небесного тела и не стать его спутником. Чем небесное тело массивнее и компактнее, тем сложнее от него улететь и тем больше вторая космическая.

Мичелл и Лаплас решили занимательную задачу: каким должен быть радиус Земли или Солнца (при их настоящей массе), чтобы скорость освобождения для них превысила скорость света. Тогда, резонно считали классики, частицы света смогут лишь летать по замкнутым орбитам, не покидая их. Для удаленного наблюдателя такая звезда будет невидимой, почему Мичелл и назвал ее темной звездой.

Вряд ли теоретикам XVIII века могло присниться в страшном сне, что скорость света нельзя складывать со скоростью его источника или что тяготение влияет на геометрию пространства и на течение времени. Но даже не зная всего этого, они получили верную формулу. Чтобы Солнце стало гравитационной могилой, не отпускающей от себя свет, его требуется сжать до радиуса в три километра, а Землю – до сантиметра.

Это казалось шуткой. Какая сила может сжать планету до размеров коробка спичек? Ученые мужи с достоинством поправили парики и забыли о своих темных звездах более чем на столетие.

Карл Шварцшильд
получил решение
уравнений
Эйнштейна,
когда служил
артиллерийским
офицером
на Восточном
фронте в годы
Первой
мировой войны

Вторым рождением черные дыры обязаны общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая, в сущности, упразднила те предпосылки, на которых строили свои рассуждения Лаплас и Мичелл. Однако в 1915 году Карл Шварцшильд, решая уравнения ОТО, выяснил любопытную вещь: массивное и компактное тело сворачивает вокруг себя пространство-время в компактный кокон. Шварцшильд вычислил радиус этого кокона (сейчас его называют гравитационным радиусом): по удивительному совпадению он оказался равным предельному радиусу темной звезды.

Поясняет Алексей Старобинский: «По существу, Шварцшильд нашел центрально-симметричное решение уравнений ОТО, и оказалось, что оно протягивается от бесконечности не до нуля, а до гравитационного радиуса. Из-за случайного совпадения коэффициентов этот радиус оказался таким, на котором вторая космическая скорость равна скорости света. Ничего фундаментального в этом совпадении нет, но оно соответствует наивной точке зрения, что свет не может уйти из-под горизонта событий черной дыры просто потому, что его скорости для этого недостаточно. Настоящий смысл решения Шварцшильда оставался неясным еще лет 50, и никто над ним серьезно не думал».

На самом деле, отличие черной дыры от темной звезды, да и любого другого классического объекта, огромно. Чтобы забросить с Земли камень в открытый космос, ему действительно надо придать вторую космическую скорость, но вам лично никто не запретит удаляться в космос – от Земли или от темной звезды Мичелла – с любой скоростью, хоть бы и 5 километров в час. Был бы двигатель да запас топлива. Не таково решение Шварцшильда: пересечь горизонт можно только снаружи внутрь. И не потому, что выбраться силенок не хватит, а просто потому, что после этого момента никакой «наружи» для вас больше нет – она так же недостижима, как прошлое.

Мы не знаем, как Шварцшильд представлял себе место во Вселенной, откуда нет возврата. Зато мы знаем, что свою статью он писал зимой 1915–1916 годов во фронтовом госпитале в России, смертельно больной неизлечимой болезнью. По нашему мнению, не многим дано испытать в жизни опыт, более близкий к погружению в черную дыру.

Даже на Эйнштейна статья Шварцшильда поначалу не произвела впечатления. Позже он отдавал должное автору за его математический дар, но ставил под сомнение приложимость выводов к практике: «Побудительной причиной его неиссякаемого творчества, по-видимому, в гораздо большей степени можно считать радость художника, открывающего тонкую связь математических понятий, чем стремление к познанию скрытых зависимостей в природе». Черные дыры всем казались лишь игрой ума. Ну в самом деле, откуда возьмется в мире объект такой чудовищной плотности?

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«У нас нет хлеба, мы умираем» «У нас нет хлеба, мы умираем»

Массовый голод с человеческими жертвами в СССР случался неоднократно

Дилетант
Безумный художник: история скандальной жизни Оскара Кокошки! Безумный художник: история скандальной жизни Оскара Кокошки!

Художник Оскар Кокошка заслуживает внимания по множеству причин

Maxim
К последнему морю К последнему морю

Почему Батый, покорив Русь, без передышки вторгся в Центральную Европу

Дилетант
Искатель жизни: чем уникальна новая марсианская миссия Искатель жизни: чем уникальна новая марсианская миссия

Амбициозные задачи марсохода Perseverance и вертолета Ingenuity

Forbes
Адресный стол Адресный стол

22 мая 1861 года в Москве одним официальным учреждением стало больше

Вокруг света
Стремитесь к прогрессу, а не к совершенству Стремитесь к прогрессу, а не к совершенству

Процесс не менее важен, чем результат, и вот почему

Psychologies
Чумной форт Чумной форт

История вакцинации против опасных инфекционных заболеваний

Дилетант
7 мистических находок археолога: куда пропала Клеопатра и что такое «воздушные змеи» пустыни 7 мистических находок археолога: куда пропала Клеопатра и что такое «воздушные змеи» пустыни

Нам никогда не узнать все истории прошлого, но это и делает их притягательными

Популярная механика
Отсечь и отпустить Отсечь и отпустить

Принципы жизни Бурятии

Вокруг света
7 нон-фикшн книг, которые увлекут подростка 7 нон-фикшн книг, которые увлекут подростка

Подборка нон-фикшн произведений для подростков

Популярная механика
Английское убийство Английское убийство

Смерть инакомыслящего: по заказу монарха или по недоразумению?

Вокруг света
Астрономы впервые померили плотность молодой экзопланеты Астрономы впервые померили плотность молодой экзопланеты

Возраст экзопланеты AU Mic b оценивается менее чем в 25 миллионов лет

N+1
Великое нашествие Великое нашествие

Вторжение монголов обратило русских государей в деспотов ордынского типа

Дилетант
В прокате «Родные» — удивительная народная комедия с Буруновым и Монеточкой. Рассказываем, почему ее стоит посмотреть В прокате «Родные» — удивительная народная комедия с Буруновым и Монеточкой. Рассказываем, почему ее стоит посмотреть

«Родные» — лихое и веселое роуд-муви, которое превращается в драму

Esquire
Пять стадий Египта Пять стадий Египта

Пройдя все стадии принятия Египта, я был вознагражден

Вокруг света
Илья Ковальчук: «У нас забрали флаг и гимн – мы будем забирать медали» Илья Ковальчук: «У нас забрали флаг и гимн – мы будем забирать медали»

Хоккеист сборной России: о возвращении на родину и украденной клюшке

GQ
Коперникианская революция: 9 мифов об отце современной астрономии Коперникианская революция: 9 мифов об отце современной астрономии

Что мы знаем о Николае Копернике?

Вокруг света
Роскошь Востока: турецкие сериалы для тех, кому понравился «Великолепный век» Роскошь Востока: турецкие сериалы для тех, кому понравился «Великолепный век»

Самые успешные сериальные проекты турецкого кинематографа

Cosmopolitan
Черное без черного Черное без черного

Парадоксы Ренуара и его «Девушек в черном»

Вокруг света
Ад каннибалов: какой получилась игра-хоррор Little Nightmares II Ад каннибалов: какой получилась игра-хоррор Little Nightmares II

Little Nightmares II — продолжение игры мире, где взрослые охотятся на детей

Esquire
Предельный Туле Предельный Туле

Край мира: где его искать

Вокруг света
«А вы думали, Земфира — не человек?»: почему новый альбом певицы «Борделайн» не звучит как открытие «А вы думали, Земфира — не человек?»: почему новый альбом певицы «Борделайн» не звучит как открытие

Почему Земфира не оправдала ожидания многих

Forbes
Остров сокровищ Остров сокровищ

Алмазные старатели Борнео

Вокруг света
10 причин, по которым «критические дни» все не приходят 10 причин, по которым «критические дни» все не приходят

Почему месячные не приходят?

Cosmopolitan
Такие пироги… Такие пироги…

Лотарингский киш для гурманов — достойная альтернатива фастфуду

Вокруг света
Когда близнецы не похожи друг на друга Когда близнецы не похожи друг на друга

Почему одни близнецы похожи друг на друга, а другие нет?

Наука и жизнь
Универсальный актёр Универсальный актёр

Николай Черкасов мог сыграть кого угодно

Дилетант
«Есть основания заблокировать любую соцсеть»: как власти России и Индии ограничивают работу крупнейших площадок «Есть основания заблокировать любую соцсеть»: как власти России и Индии ограничивают работу крупнейших площадок

Социальные сети сталкиваются с давлением властей разных стран на фоне протестов

Forbes
Иммунитет от хамства: как реагировать на грубость Иммунитет от хамства: как реагировать на грубость

Как защититься от хамства, не опускаясь до него?

Psychologies
Отличные фильмы с Мягковым, которые ты мог пропустить Отличные фильмы с Мягковым, которые ты мог пропустить

Андрей Мягков играл не только в «Иронии судьбы» или «Служебном романе»

Maxim
Открыть в приложении