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

Чумной форт Чумной форт

История вакцинации против опасных инфекционных заболеваний

Дилетант
Личная жизнь Джо Ди Маджо — одного из величайших игроков в истории бейсбола и мужа Мэрилин Монро (отрывок из книги) Личная жизнь Джо Ди Маджо — одного из величайших игроков в истории бейсбола и мужа Мэрилин Монро (отрывок из книги)

Фрагмент главы из книги Рока и Джона Позитано «Ужин с Ди Маджо»

Esquire
Новый мир в штате Чьяпас Новый мир в штате Чьяпас

Жизнь революционных сапатистов

Вокруг света
Как разговаривать с подростками о политике Как разговаривать с подростками о политике

Расскажи сыну про митинги, либерализм и демократию

Maxim
К последнему морю К последнему морю

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

Дилетант
10 самых бесящих фраз из вакансий, и что они значат на самом деле 10 самых бесящих фраз из вакансий, и что они значат на самом деле

Представляем понятный переводчик с хедхантерского на соискательский

Maxim
Замечательный сосед Замечательный сосед

Жители мадагаскарского острова решили наладить дружеские отношения с животными

Вокруг света
Лекарство матушки Анрио Лекарство матушки Анрио

История и производство абсента

Вокруг света
Остров сокровищ Остров сокровищ

Алмазные старатели Борнео

Вокруг света
«Кошатники» и «собачники»: 6 принципиальных отличий «Кошатники» и «собачники»: 6 принципиальных отличий

Что выбор питомца говорит о нас самих?

Psychologies
Калужский Фёдор — друг Шамиля Калужский Фёдор — друг Шамиля

3 марта исполняется 160 лет знаменитому Манифесту об отмене крепостного права

Дилетант
Стала красивее,чем Хюррем: как изменилась Мерьем Узерли после пластики и диеты Стала красивее,чем Хюррем: как изменилась Мерьем Узерли после пластики и диеты

Мерьем Узерли расцвела, как прекрасный восточный цветок

Cosmopolitan
Отсечь и отпустить Отсечь и отпустить

Принципы жизни Бурятии

Вокруг света
Кое-что о тактике российской оппозиции, или Слово в защиту повестки «малых дел» Кое-что о тактике российской оппозиции, или Слово в защиту повестки «малых дел»

Владислав Иноземцев: российское протестное движение пересекло рубеж развития

СНОБ
Британский фунт Британский фунт

Британский фунт — древнейшее в мире действующее платежное средство

Вокруг света
Люди вынудили диких животных преодолевать более значительные расстояния Люди вынудили диких животных преодолевать более значительные расстояния

Это может угрожать существованию целых видов

N+1
Молниеносный Молниеносный

Французский десерт – это особый раздел гастрономии

Вокруг света
Первое фото, первое селфи, — все пионеры фотографии в одном месте Первое фото, первое селфи, — все пионеры фотографии в одном месте

По этим самым старым в своем роде снимкам легко оценить прогресс фотографии

Maxim
Английское убийство Английское убийство

Смерть инакомыслящего: по заказу монарха или по недоразумению?

Вокруг света
Правила жизни Айн Рэнд Правила жизни Айн Рэнд

Писатель, скончалась в 1982 году в Нью-Йорке

Esquire
Предельный Туле Предельный Туле

Край мира: где его искать

Вокруг света
7 обычных продуктов, которые смертельно опасны, если их съесть слишком много 7 обычных продуктов, которые смертельно опасны, если их съесть слишком много

Ты наверняка и не подозревал, что в твоем кухонном шкафу есть яды!

Maxim
Неизвестные X и Y Неизвестные X и Y

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

Вокруг света
Затмили Турман и Зету-Джонс! Секс-символы Голливуда с дочками на красной дорожке Затмили Турман и Зету-Джонс! Секс-символы Голливуда с дочками на красной дорожке

Самые яркие парные выходы главных красавиц Голливуда с детьми

Cosmopolitan
Ольгерд vs Дмитрий Ольгерд vs Дмитрий

«Собирателем» русских земель могло стать Литовское, а не Московское княжество

Дилетант
7 нелепых теорий древних ученых о сексе 7 нелепых теорий древних ученых о сексе

Человечество занималось подробным изучением секса задолго до появления ученых

Maxim
Васаби, японский хрен или китайская зелёная горчица Васаби, японский хрен или китайская зелёная горчица

Приправа, о которой многие слышали, но мало кто знает, что это такое

Наука и жизнь
Старые письма о главном: как писатели признавались в любви Старые письма о главном: как писатели признавались в любви

Лучшие любовные письма писателей

Esquire
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
«Я ухожу, а вы остаетесь»: самые известные цитаты из фильмов с Андреем Мягковым «Я ухожу, а вы остаетесь»: самые известные цитаты из фильмов с Андреем Мягковым

Крылатые фразы, принадлежащие героям Андрея Мягкова

Cosmopolitan
Открыть в приложении