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

Надышаться ветром Надышаться ветром

Мозаичное панно из рассказов жителей Хабаровска о приметах разных времен

Вокруг света
Тюркские юрты, саамский футбол, хоомей и тихий Дон: куда поехать, чтобы познакомиться с культурой народов России Тюркские юрты, саамский футбол, хоомей и тихий Дон: куда поехать, чтобы познакомиться с культурой народов России

Пять российских этнопарков, раскрывающих разные стороны России

Forbes
160 лет почти свободы 160 лет почти свободы

9 заблуждений и фактов о крепостном праве

Вокруг света
Призрак успеха: как фильм «Ганнибал» ввел весь Голливуд в заблуждение Призрак успеха: как фильм «Ганнибал» ввел весь Голливуд в заблуждение

Почему «Ганнибал» — коммерчески спорная идея

Forbes
Английское убийство Английское убийство

Смерть инакомыслящего: по заказу монарха или по недоразумению?

Вокруг света
Микропластик ухудшил физико-химические свойства почвы Микропластик ухудшил физико-химические свойства почвы

Микропластик создал непреодолимые препятствия для питания растений

N+1
Молниеносный Молниеносный

Французский десерт – это особый раздел гастрономии

Вокруг света
История в поколениях История в поколениях

Семейная компания FiNEX отмечает в этом году 20-летие

SALON-Interior
Если в кране нет воды Если в кране нет воды

Афладж – единственный водопровод горных деревень

Вокруг света
5 самых грозных двуручных мечей Средневековья 5 самых грозных двуручных мечей Средневековья

Самые популярные виды двуручных мечей

Популярная механика
Остров сокровищ Остров сокровищ

Алмазные старатели Борнео

Вокруг света
Почему есть грибы полезно и для организма, и для планеты Почему есть грибы полезно и для организма, и для планеты

Рассказываем о всех особенностях грибов и развеиваем мифы о них

РБК
Королева водорослей Королева водорослей

Как превратить природный мусор на пляже в искусные и долговечные предметы?

Вокруг света
Они этого не скрывают! Российские звезды, которые признались в пластике Они этого не скрывают! Российские звезды, которые признались в пластике

Знаменитости, которые не боятся говорить о произошедших с ними изменениях

Cosmopolitan
Великое нашествие Великое нашествие

Вторжение монголов обратило русских государей в деспотов ордынского типа

Дилетант
Чешское образование. Речь Филипа Рота на вручении американской литературной премии Чешское образование. Речь Филипа Рота на вручении американской литературной премии

Отрывок из книги Филипа Рота «Зачем писать?»

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

Что мы знаем о Николае Копернике?

Вокруг света
Смотрите под ноги Смотрите под ноги

Рассказываем, какими бывают деревянные полы и как за ними правильно ухаживать

AD
Черное без черного Черное без черного

Парадоксы Ренуара и его «Девушек в черном»

Вокруг света
Жизнь после хайпа: почему соцсеть Clubhouse может провалиться после стремительного взлета Жизнь после хайпа: почему соцсеть Clubhouse может провалиться после стремительного взлета

Будущее Clubhouse после волны хайпа вызывает вопросы

Forbes
Предельный Туле Предельный Туле

Край мира: где его искать

Вокруг света
План на миллиард: как уничтожить кредитные карты и устроить революцию на рынке потребительского кредитования План на миллиард: как уничтожить кредитные карты и устроить революцию на рынке потребительского кредитования

Макс Левчин смог преобразовать концепцию «покупай сейчас, а плати потом»

Forbes
Отсечь и отпустить Отсечь и отпустить

Принципы жизни Бурятии

Вокруг света
Безумный художник: история скандальной жизни Оскара Кокошки! Безумный художник: история скандальной жизни Оскара Кокошки!

Художник Оскар Кокошка заслуживает внимания по множеству причин

Maxim
Сахаров: портрет на фоне эпохи Сахаров: портрет на фоне эпохи

Что заставило академика Сахарова вступить в противостояние с политбюро и КГБ?

Дилетант
За черным пнем За черным пнем

Как живут люди и овцы в австралийской пустоши

Вокруг света
Тундра-самобранка Тундра-самобранка

Как якуты веками живут в самом холодном месте на земле

Вокруг света
Ураганы повлияли на пуэрториканских насекомых сильнее климатических изменений Ураганы повлияли на пуэрториканских насекомых сильнее климатических изменений

Это противоречит выводам широко цитируемой статьи 2018 года

N+1
Счастья баловень безродный... Счастья баловень безродный...

Оценка Петром Меншикова была прозаической и трезвой: вороватый, да верный

Дилетант
Гадание на датасетах Гадание на датасетах

Может ли машинное обучение предсказать свое будущее?

N+1
Открыть в приложении