В начале 1916 года немецкий физик и астроном Карл Шварцшильд, в то время служивший на русском фронте, опубликовал анализ теории Эйнштейна. В его статье было сделано тревожное предсказание, что если такое массивное тело, как звезда, сожмется до достаточно высокой плотности, то пространство вокруг него искривится, а время замедлится в такой степени, что начнут происходить странные вещи. Пространство и время окажутся искривлены бесконечно. Такая сверхмассивная звезда создаст “сингулярность”, а это значит, что математика общей теории относительности несостоятельна, поскольку не может описать, что произойдет в таком случае.
Многие физики, включая Эйнштейна, не придали значения сингулярностям, утверждая, что в реальной Вселенной они, скорее всего, не встречаются. Впоследствии причины, по которым люди отрицали их существование, отпали одна за одной, и уже в конце 1960-х и начале 1970-х годов лучшие физики мира обратили внимание на сингулярности, надеясь понять, какие секреты они таят. Пока в космосе не обнаружили ни одного такого объекта, поэтому вся работа в этой сфере остается теоретической. И все же, несмотря на отсутствие доказательств, эти сингулярности — или объекты, появившиеся в результате гравитационного коллапса, — получили выразительное прозвище: черные дыры.
Сингулярность пространства-времени
Представьте неглубокий океан воды, который простирается на бесконечное расстояние во всех направлениях. В этом океане живет лишь один вид слепых рыб, которые плавают в воде, но не чувствуют ее. Если вода, окружающая одну из рыб, течет, то рыба движется вместе с ней, но даже не догадывается об этом. Чтобы общаться друг с другом, рыбы, обладающие исключительно хорошим слухом, передают в воде звуковые сигналы на постоянной скорости. Этот водный мир обладает важной характеристикой: в нем ничто не может двигаться быстрее скорости распространения звука.
В одной части океана сливное отверстие всасывает в себя всю воду вокруг. Чем ближе вода к сливному отверстию, тем быстрее она движется. На определенном расстоянии от сливного отверстия скорость потока всасываемой воды достигает скорости звука, а затем превышает ее, причем расстояние это зависит от того, с какой силой отверстие всасывает воду.
Удобно представить, что сливное отверстие находится в центре окружности. За пределами очерченного ею круга вода течет медленнее скорости звука. Внутри него вода течет к сливному отверстию быстрее скорости звука. На границе вода течет ровно со скоростью звука. Назовем эту окружность звуковым барьером.
Теперь представим двух слепых рыб. Одна из них, Алиса, находится достаточно далеко от сливного отверстия, поэтому его работа не оказывает влияние на течение воды вокруг нее. Другая рыба, Боб, находится гораздо ближе к сливному отверстию и движется к нему вместе с водой. Однако, двигаясь вместе с водой, Боб не знает об этом движении. Чтобы оставаться на связи, Боб и Алиса договорились, что раз в секунду Боб будет издавать резкий звук, напоминающий свист.
Сначала Алиса слышит свист Боба каждую секунду. Далее интервалы между сигналами становятся все длиннее. Дело в том, что без ведома Алисы и Боба вода вокруг Боба движется к сливному отверстию и прочь от Алисы. Следовательно, сигналы Боба идут к Алисе против течения, в связи с чем им требуется больше времени, чтобы преодолеть расстояние от Боба к Алисе, чем если бы они шли по стоячей воде. Чем ближе Боб оказывается к звуковому барьеру, тем более выраженным становится эффект. В конце концов интервалы между сигналами становятся такими длинными, что Алиса решает, что Боб перестал переговариваться с ней. Алиса предполагает, что Боб удаляется от нее все медленнее и его часы также тикают все медленнее по мере приближения к звуковому барьеру. Когда Боб оказывается у барьера, Алисе кажется, что его часы остановились.
Боб, однако, ощущает все иначе. С его точки зрения, он исправно посылает сигналы раз в секунду. Он не понимает, что вода несет его к сливному отверстию и что он пересекает звуковой барьер. Ему кажется, что все идет хорошо, пока он не решает повернуть назад, к Алисе. Он обнаруживает, что, как бы он ни пытался, у него не получается вернуться за звуковой барьер, в ту часть океана, откуда он приплыл и где осталась Алиса. Дело в том, что вода по ту сторону звукового барьера, где находится Боб, течет быстрее скорости звука, стремясь к центру сливного отверстия. Поскольку в водном мире ничто не может двигаться быстрее скорости звука, Боб при всем желании не может попасть обратно туда, откуда приплыл. Как бы он ни старался выплыть, его будет неотвратимо затягивать в центр сливного отверстия.
Что общего у этого сливного отверстия с черной дырой? Аналогия работает примерно так: сливное отверстие, всасывающее воду, эквивалентно сингулярности в центре черной дыры, всасывающей пространство. Подобно окружности с центром в сливном отверстии, где вода течет быстрее скорости звука, вокруг центра черной дыры есть сфера, внутри которой скорость потока пространства превышает скорость света (да, здесь нужно представить пустое пространство как текущую жидкость). Поскольку никакие объекты и сигналы в нашей Вселенной не могут двигаться сквозь пространство быстрее света, все, что находится внутри этой сферы, обречено оставаться внутри нее. Боб не может вернуться за звуковой барьер, потому что не может плыть быстрее, чем вода течет к сливному отверстию, и точно так же ничто из того, что находится внутри сферы с центром в сингулярности, не может вернуться за ее пределы. Боба, рыбу из водного мира, неизбежно уносит потоком воды в сливное отверстие, и подобным образом астронавта неизбежно унесло бы потоком пространства в сингулярность.
Главное, что вокруг сингулярности в центре черной дыры существует сфера, которая обозначает точку невозврата. Все, что пересекает поверхность этой сферы, уже никогда не возвращается назад. Ничто внутри нее, даже луч света, не может вырваться наружу. Если астронавт, падающий в сингулярность, посветит фонариком на поверхность сферы, свет устремится к сингулярности, поскольку пространство течет внутрь быстрее, чем свет движется наружу сквозь это пространство. Эта сфера, отделяющая пространство внутри от пространства снаружи, работает только на вход. Физики называют ее горизонтом событий черной дыры.
Прежде чем объяснить, как горизонт событий связан с термодинамикой, мне следует подчеркнуть, что недавно ученые подтвердили существование черных дыр. Доказательством служит тот факт, что даже за пределом горизонта событий искажения пространства и времени влияют на движение соседних звезд. Именно поэтому астрономы наблюдали, как звезды вращаются вокруг невидимых объектов во многих регионах космоса. Наиболее правдоподобно такое поведение объясняется тем, что звезды вращаются вокруг черных дыр.
Свидетельства существования черных дыр дает и общая теория относительности, в соответствии с которой при столкновении две черные дыры объединяются в одну, высвобождая огромное количество энергии в форме ряби или волн в пространстве. Как помните, пространство ведет себя на манер жидкости, поэтому волны в нем формируются так же, как в воде. При столкновении двух айсбергов в океане в разные стороны от места их столкновения по воде расходится рябь. Подобным образом при столкновении черных дыр рябь расходится в разные стороны по пространству. В 2015 году такие волны были обнаружены и измерены двумя детекторами, специально построенными в Северной Америке для выполнения этой задачи.
