Лабораторная черная дыра
Но давайте вместе с черными дырами вернемся на Землю и зададимся вопросом: по силам ли нам создать черную дыру? Прежде чем ответить на него, вспомним, что это за необыкновенный объект – черная дыра. Радиус Шварцшильда пропорционален массе. Чтобы превратить Солнце в черную дыру, его пришлось бы сжать до радиуса 3 км, что соответствует плотности 20 трлн кг на куб. м. Превращение Земли в черную дыру потребовало бы сжать ее до радиуса 9 мм – это меньше шарика для настольного тенниса. Плотность будет чудовищной – 1024 кг/м3. Для сравнения приведем плотность типичной скальной породы – 2000 кг/м3. Супермен с его фантастической силой может, стиснув кусок угля, превратить его в алмаз, но плотность при этом увеличивается всего лишь от 900 до 3500 кг на куб. м. Чтобы достичь плотности черной дыры, пришлось бы сжать материю еще в тысячу миллиардов миллиардов раз! Вперед, Супермен!
Создание черных дыр выходит далеко за пределы наших нынешних возможностей. Большой адронный коллайдер (илл. 43) вырабатывает беспрецедентную энергию, но и ее в 10 млн раз меньше, чем нужно для получения черной дыры – даже в теории
[251]. Что не помешало СМИ окрестить его «машиной Судного дня» и предположить, что коллайдер породит микроскопические черные дыры, которые провалятся в центр Земли и поглотят нашу планету. Поиск микроскопических черных дыр не дал результатов
[252], и всевозможные апокалипсические сценарии были убедительно опровергнуты
[253].
Если дополнительные измерения существуют, гравитация в нашей Вселенной может перетекать в другие измерения. Этим объясняется столь слабое гравитационное взаимодействие. Кроме того, поскольку энергия, необходимая для создания микроскопической черной дыры, зависит от количества измерений пространства, создавать микроскопические черные дыры было бы проще. С этой точки зрения факт, что ускоритель частиц не способен сформировать миниатюрные черные дыры, противоречит идее дополнительных измерений. Опять-таки, энергии, позволяющие создавать микроскопические черные дыры и существенно превосходящие возможности Большого адронного коллайдера, наблюдаются каждые несколько месяцев в форме космических лучей, однако нет никаких свидетельств, что космические лучи порождают черные дыры. Наконец, даже если коллайдер создал бы черные дыры, они были бы крохотными – 10–23 кг, чтобы дорасти до килограмма, им потребовалось бы поглощать материю в течение 3 трлн лет. Однако, если теория черных дыр верна, их шансы вырасти равны нулю, поскольку они полностью испарятся за ничтожную долю секунды вследствие излучения Хокинга
[254].
Если в принципе можно было бы создать миниатюрные черные дыры, они могли бы использоваться в перспективе как транспорт для путешествий к звездам. Идея межзвездных полетов пробуксовывает с самого начала, поскольку наши ракеты летают благодаря химической энергии. Это неэффективное топливо может использоваться для доставки людей на орбиту Земли и грузов в Солнечную систему, но его возможности безнадежно малы для путешествия за триллионы километров даже к ближайшим звездам. Однако энергия, выделяемая микроскопической черной дырой в форме излучения Хокинга, могла бы разогнать космический корабль до скоростей, сопоставимых со скоростью света. Черная дыра, используемая в космических полетах, должна быть довольно маленькой, чтобы ее можно было создать искусственно, иметь массу, аналогичную массе корабля, и достаточно долго жить для полезного применения. Подошла бы черная дыра в полмиллиона тонн. Она имела бы размер 10–18 м, выходную мощность 1017 Вт, продолжительность жизни 3–4 года и с учетом 10 %-ной эффективности преобразования энергии в кинетическую, разогнала бы космический корабль до 10 % скорости света за 200 дней
[255]. Черную дыру разместили бы в точке фокуса параболического отражателя для создания тяги. Такова идея. Дело всего лишь за технической реализацией!
6. Черные дыры как проверка теории гравитации
Законы тяготения Ньютона являются лишь приближением к более глубокому уровню реальности, описанному общей теорией относительности Эйнштейна. При сильной гравитации проявляется необычное поведение искривленного пространственно-временного континуума. Свет отклоняется, часы идут медленнее, при этом на интуицию рассчитывать не приходится. За столетие, прошедшее после первой публикации, теория Эйнштейна триумфально выдержала все проверки, но почти все они подразумевали условия слабой гравитации.
Черная дыра – идеальный испытательный полигон для общей теории относительности. В черной дыре происходят экстремальные искажения пространства и времени. На горизонте событий, согласно предсказанию теории, время должно останавливаться. В фотонной сфере, отстоящей от сингулярности на 50 % дальше горизонта событий, фотоны теоретически должны совершать орбитальное движение наподобие движения спутников вокруг Земли. Настолько сильную гравитацию невозможно создать ни в какой земной лаборатории. Идеально подошла бы достаточно близкая к Земле черная дыра, но до ближайших черных дыр звездной массы – сотни световых лет, а до сверхмассивных – миллионы. Астрономам приходится использовать далекие черные дыры и изобретать эксперименты, позволяющие по-новому протестировать теорию гравитации.
Гравитация от Ньютона до Эйнштейна и далее
Черные дыры можно понять только с помощью теории гравитации Эйнштейна, но необходимость в новой теории гравитации возникла не из-за них. История началась в Англии в 1665 г. К 33 годам Исаак Ньютон так и не стал фермером, и мать отправила его учиться в Кембридж. Университет был закрыт из-за чумы, Ньютону пришлось оставаться дома, где он размышлял о тяготении. Раскручивая камень, привязанный к бечевке, он заметил, что камень пытается улететь прочь от центра вращения, но бечевка создает силу противодействия. Какая сила противодействия удерживает Луну на орбите Земли и планеты на орбитах Солнца? К 1687 г. он вывел ответ: сила уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Ньютон подробно описал теорию гравитации в своем главном труде «Математические начала».
