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

Игры разума Игры разума

Может ли черная дыра убить человека, пролетев сквозь тело?

Вокруг света
Простор для творчества Простор для творчества

Кажется, что выполнить рекомендуемую «норму» по овощам — невозможно

Худеем правильно
Время Рыб. Осеннее небо Время Рыб. Осеннее небо

Большое зодиакальное созвездие Рыбы имеет длинную и запутанную историю...

Наука и жизнь
Существовала ли легендарная библиотека Ивана Грозного? Существовала ли легендарная библиотека Ивана Грозного?

Библиотека Ивана Грозного — предмет острых научных дискуссий

Культура.РФ
Бессмертие Петра Великого Бессмертие Петра Великого

Петр I был державным романтиком, «петербургским мечтателем»

Дилетант
Змеи в костюмах Змеи в костюмах

Как защититься от психопатов на работе

kiozk originals
Осип Мандельштам Осип Мандельштам

Правила жизни Осипа Мандельштама

Esquire
«Выбираю» «Выбираю»

Год, несмотря ни на что, был у Ингрид Олеринской вполне удачным

OK!
«Между нами все кончено»: как удержаться от контактов с бывшим «Между нами все кончено»: как удержаться от контактов с бывшим

Как облегчить свое состояние после расставания и не возвращаться к бывшим

Psychologies
7 типов плохих начальников, которые уверены, что они хорошие 7 типов плохих начальников, которые уверены, что они хорошие

Типы руководителей, которые мешают работе и карьере подчиненных

Psychologies
Как себя вести, когда твоя девушка больна Как себя вести, когда твоя девушка больна

Что делать тебе, когда ей все не так и все не то

Maxim
Укол зонтиком и другие неординарные покушения на жизнь политиков Укол зонтиком и другие неординарные покушения на жизнь политиков

Самые странные покушения на жизнь политиков

Maxim
Пауки с острова Кокос научились плести разные сети для охоты у воды и высоко над землей Пауки с острова Кокос научились плести разные сети для охоты у воды и высоко над землей

Пауки освоили множество способов охоты с использованием паутины

N+1
Будущее в прошлом: почему доклад академиков-экономистов можно считать предостережением бизнесу и гражданам Будущее в прошлом: почему доклад академиков-экономистов можно считать предостережением бизнесу и гражданам

Появился новый рецепт ускорения российской экономики

Forbes
Скандал с Вуди Алленом и новые «Оптимисты»: что смотреть прямо сейчас? Скандал с Вуди Алленом и новые «Оптимисты»: что смотреть прямо сейчас?

Триллеры, ретродрамы и документалка про скандал с Вуди Алленом

Cosmopolitan
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
5 лучших хорроров, чтобы не скучать в пандемию: часть 1 5 лучших хорроров, чтобы не скучать в пандемию: часть 1

Лучшие книги для того, чтобы пощекотать себе нервы

Популярная механика
Выжившие: как выглядели реальные герои фильмов про экстремальные путешествия Выжившие: как выглядели реальные герои фильмов про экстремальные путешествия

Прототипы героев фильмов о выживании и опасных путешествиях

Cosmopolitan
Живу чужую жизнь: какие трудности тебя ждут, если ты не на своем месте в семье Живу чужую жизнь: какие трудности тебя ждут, если ты не на своем месте в семье

Посещают ли тебя мысли, что ты живешь неправильно?

Cosmopolitan
Модные буквы: почему концепция ESG не помогла улучшить корпоративное управление в России Модные буквы: почему концепция ESG не помогла улучшить корпоративное управление в России

В России все чаще говорят о социальной и экологической ответственности компаний

Forbes
Чего не хватает российским учёным, чтобы делать прорывные проекты, и почему они вынуждены уходить в коммерцию Чего не хватает российским учёным, чтобы делать прорывные проекты, и почему они вынуждены уходить в коммерцию

Почему в России трудно продавать наукоёмкий продукт

Inc.
«Съел боул с ростками — закрыл гештальт». Создатель «здорового попкорна» и вегетарианский шеф-повар — о мифах об авокадо, правильном питании, модной годжи и немодной брюкве «Съел боул с ростками — закрыл гештальт». Создатель «здорового попкорна» и вегетарианский шеф-повар — о мифах об авокадо, правильном питании, модной годжи и немодной брюкве

Как найти баланс между пользой и эмоциями от еды?

Inc.
Семь поводов влюбиться Семь поводов влюбиться

Любовь – это не только приятное и волнительное переживание, но и...

Здоровье
Лже-Маяковские и еще 4 невероятные ретрофотографии Лже-Маяковские и еще 4 невероятные ретрофотографии

Иногда черно-белые снимки удивительнее цветных фильмов!

Maxim
Детектор невроза: что отличает хороший психологический тест и можно ли его обмануть Детектор невроза: что отличает хороший психологический тест и можно ли его обмануть

Что делает психологический тест надежным и какие аспекты нужно учитывать

Forbes
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
Полет ненормальный: как в фильме «Воздушный бой» соединяются хоррор, феминизм и война Полет ненормальный: как в фильме «Воздушный бой» соединяются хоррор, феминизм и война

Как фильм «Воздушный бой» с Хлоей Грейс Морец совмещает несовместимое

Forbes
Истина где-то рядом: загадочная смерть Элизы Лэм Истина где-то рядом: загадочная смерть Элизы Лэм

История гибели канадской студентки Элизы Лэм четыре года назад потрясла США

Cosmopolitan
Я разрешаю себе уйти в отрыв! Я разрешаю себе уйти в отрыв!

Актриса Екатерина Гусева о танцах, откровенных сценах и принятии возраста

Добрые советы
Ты 2.0: тотальный апгрейд секса, доходов и здоровья! Ты 2.0: тотальный апгрейд секса, доходов и здоровья!

Займись тотальным апгрейдом себя!

Maxim
Открыть в приложении