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

Строганина по-немецки Строганина по-немецки

В Германии любят тартар из сырого мяса

Вокруг света
«Вернемся к нашим баранам»: стоит ли смотреть сериал про агента ФБР из истории о Ганнибале Лектере «Вернемся к нашим баранам»: стоит ли смотреть сериал про агента ФБР из истории о Ганнибале Лектере

Почему сериал «Кларисса» — спин-офф «Молчания ягнят» не стоит вашего внимания

Forbes
Здоровый настрой: 7 надежных клиник Здоровый настрой: 7 надежных клиник

Есть заведения, в которых лечиться не опасно

Вокруг света
Кишечная палочка подавила развитие опухолей в человеческих клетках Кишечная палочка подавила развитие опухолей в человеческих клетках

Бактериальный фермент повысил выживаемость мышей с онкологическими заболеваниями

N+1
Британский фунт Британский фунт

Британский фунт — древнейшее в мире действующее платежное средство

Вокруг света
Ученые реконструировали ДНК мамонта старше миллиона лет Ученые реконструировали ДНК мамонта старше миллиона лет

Это позволило больше узнать об эволюции шерстистых мамонтов и мамонтов Колумба

N+1
В свете полной луны… В свете полной луны…

...происходят странные вещи с поведением животных

Вокруг света
Полусинтетический организм с «лишней» парой оснований в ДНК Полусинтетический организм с «лишней» парой оснований в ДНК

Продукт генной инженерии способен к воспроизводству

Популярная механика
Великое нашествие Великое нашествие

Вторжение монголов обратило русских государей в деспотов ордынского типа

Дилетант
Прощайте, роботы: за что мы любим Daft Punk Прощайте, роботы: за что мы любим Daft Punk

Чем запомнится дуэт Daft Punk

Esquire
Пока огонь горит Пока огонь горит

Африка — колыбель человечества, а ЮАР — многонациональная и разнородная страны

Вокруг света
Вместо «Секса в большом городе» и «Отчаянных домохозяек»: 10 женских сериалов Вместо «Секса в большом городе» и «Отчаянных домохозяек»: 10 женских сериалов

Лучшие сериалы о женщинах

Cosmopolitan
Навигатор Навигатор

Для странствий духа тоже нужна карта, считали сибирские шаманы

Вокруг света
Распределенные вычисления на компьютерах добровольцев помогли найти новый пульсар-«черную вдову» Распределенные вычисления на компьютерах добровольцев помогли найти новый пульсар-«черную вдову»

Он разрушает своего маломассивного компаньона

N+1
Предельный Туле Предельный Туле

Край мира: где его искать

Вокруг света
Композитор Игорь Яковенко — о музыкальных шифрах, притворстве и джазе Композитор Игорь Яковенко — о музыкальных шифрах, притворстве и джазе

Композитор Игорь Яковенко — о Бенджамине Бриттене и звуках, которые не замечаешь

РБК
Славный счет потерь Славный счет потерь

От чего избавились животные в ходе эволюции

Вокруг света
У Лукоморья труп зеленый. О чем на самом деле рассказывается в добрых детских сказках У Лукоморья труп зеленый. О чем на самом деле рассказывается в добрых детских сказках

Ты даже не представляешь, какие детские сказки читали наши прапрапрадеды

Maxim
Отсечь и отпустить Отсечь и отпустить

Принципы жизни Бурятии

Вокруг света
Детокс на дому Детокс на дому

Что необходимо для хорошего самочувствия ранней весной?

Здоровье
Остров сокровищ Остров сокровищ

Алмазные старатели Борнео

Вокруг света
А вдруг это рак? Надо ли бояться генетической предрасположенности к онкологии А вдруг это рак? Надо ли бояться генетической предрасположенности к онкологии

Эксперт: следите за здоровьем и не бойтесь новообразований

Cosmopolitan
Неизвестные X и Y Неизвестные X и Y

Как и, главное, зачем природа разделила обитателей земли на юношей и девушек

Вокруг света
Зубастые улитки и еще 9 внезапных фактов, чтобы блеснуть в разговоре Зубастые улитки и еще 9 внезапных фактов, чтобы блеснуть в разговоре

Сборник фактов на все случаи и разговоры в жизни

Maxim
Открытие, получившее признание через век Открытие, получившее признание через век

Владимир Буткевич первым задался проблемой соотношения бактерий

Наука и жизнь
История PortalPlayer — компании, которая разработала iPod для Apple и исчезла История PortalPlayer — компании, которая разработала iPod для Apple и исчезла

Ради Apple PortalPlayer отказалось от всех клиентов, но не удержалась на рынке

VC.RU
Есть всюду свет Есть всюду свет

Новая жизнь бывших церквей

Вокруг света
От танцпола до криминального мира (и обратно): самые знаковые кинообразы Джона Траволты От танцпола до криминального мира (и обратно): самые знаковые кинообразы Джона Траволты

Образы танцоров, бандитов и танцующих бандитов Джону Траволте удаются отлично

Esquire
Убийство императора Коммода Убийство императора Коммода

Картина «Убийство императора Коммода» Фернана Пелеса

Дилетант
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
Открыть в приложении