Сердце тьмы

Ученые — оптимисты. Они верят в предсказательную силу теорий, например теории относительности и естественного отбора. Они полагают, что стремительное развитие физики, астрономии и биологии — чему мы были свидетелями в течение нескольких десятилетий — продолжится и тогда наука сможет объяснить непознанное в мире природы.

Но что, если на пути ученых возникнет непреодолимое препятствие? Возможно ли, чтобы космос прятал от нашего пытливого взгляда, допустим, криптообъекты? Более того, что, если таинственные сущности, о которых мы имеем представление благодаря выдающимся теориям в сфере физики, продемонстрировали бы свой­ства, ставящие под сомнение верность этих теорий? Добро пожаловать в мир черных дыр.

Английский священник выдумывает темные звезды

По воспоминаниям современников, Джон Мичелл был «маленьким, толстым темнолицым коротышкой». Большую часть сознательной жизни он прослужил приходским священником в маленьком городке на севере Англии. Однако в его доме часто бывали знаменитые мыслители той эпохи, такие как Джозеф Пристли, Генри Кавендиш и Бенджамин Франклин, поскольку Мичелл был к тому же разносторонним и успешным ученым. История недооценила этого скромного человека, жившего тихой жизнью священника.

В Кембриджском университете Мичелл изучал — а позднее и преподавал — математику, а также древнегреческий и древнееврейский языки. Он заложил основы сейсмологии, выдвинув предположение, что землетрясения в толще Земли распространяются в виде волн. Это открытие стало для него пропуском в Королевское научное общество. Именно Мичелл разработал оборудование для эксперимента, впоследствии позволившее Генри Кавендишу измерить гравитационную постоянную — фундаментальную физическую константу, лежащую в основе любых расчетов силы гравитации. Мичелл же первым применил статистические методы в астрономии в попытке доказать, что многие наблюдаемые пары и группы звезд связаны физически, а не просто случайно оказались рядом на ночном небе.

В полную силу научное провидение Мичелла реализовалось в его предположении, что некоторые звезды имеют мощнейшую гравитацию — непреодолимую даже для света. Он описал эту идею в статье 1784 г. с неудобочитаемым названием «О средствах открытия удаленности, величины и прочего неподвижных звезд посредством уменьшения скорости их света в случае, если будет обнаружено, что таковое уменьшение имеет место для любой из них, и если будут получены путем наблюдения другие данные, потребные для этой цели».

Для пересказа статьи понадобится немногим больше слов, чем использовано в ее названии. Мичелл принял идею второй космической скорости и тот факт, что она определяется массой и размером звезды. Как и Исаак Ньютон, он полагал, что свет — это частица, и, решив, что свет замедляется гравитацией звезды, он задумался: что, если звезда настолько массивна, а ее гравитация настолько сильна, что вторая космическая скорость равна скорости света? На основе этого Мичелл предположил, что существует множество «темных звезд», которые невозможно обнаружить, потому что их не покидает свет.

Рассуждения Мичелла были ошибочны — но только потому, что он работал с ньютоновской физикой. В 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли доказали, что свет всегда распространяется с одинаковой скоростью, независимо от движения Земли. Лишь в 1905 г. Эйнштейн положил это открытие в основу своей специальной теории относительности, предположив, что скорость света не зависит от локальной силы гравитации. Ошибочным было и предположение Мичелла о том, что темные звезды в 500 раз больше Солнца, но имеют такую же плотность. Настолько массивных звезд просто не существует. Экстремальные эффекты гравитации проявляются лишь при высокой плотности, что случается, когда звезда типа Солнца сжимается до крошечных объемов.

Вклад великого французского математика

Спустя десятилетие после того, как Мичелл выдвинул свое предположение о темных звездах, французский ученый и математик Пьер-­Симон Лаплас высказался на ту же тему в своей книге «Изложение системы мира». Лаплас был более известен, чем Мичелл, — он значился президентом Института Франции и советником Наполеона, удостоился титула графа, а затем маркиза. Как и Мичелл, Лаплас изучал теологию и происходил из религиозной семьи, но зов математики оказался сильнее зова Бога.

Лаплас, очевидно, не знал о работе Мичелла. В двухтомном труде по астрономии он кратко упоминает идею темной звезды, и, по его мнению, гравитация этой гипотетической звезды намного сильнее, чем у Солнца: «…Следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел являются по этой причине невидимыми». Коллега потребовал у Лапласа математическое доказательство этой гипотезы, и три года спустя, в 1799 г., оно было представлено. Расчеты Лапласа — как и расчеты Мичелла — оказались ошибочными, причем по одной и той же причине. Самой плотной субстанцией, известной в те времена, было золото — в пять раз плотнее Земли и в 14 раз плотнее Солнца. Вероятно, ученый того времени с трудом мог представить, каким будет состояние в миллионы раз более плотной материи, а это необходимо для современного понимания черной дыры (илл. 1). В 1799 г. Томас Юнг сумел доказать, что свет ведет себя как волна, но то, что гравитация может замедлить волну, представлялось невероятным. Возможно, именно поэтому Лаплас исключил всякое упоминание о темных звездах из последующих изданий своей книги.

Концепция черных дыр не могла появиться без новой теории гравитации. Теория Ньютона проста: пространство равномерно и линейно и простирается бесконечно во всех направлениях. Время равномерно и линейно и течет в бесконечное будущее. Пространство и время самостоятельны и независимы. Звезды и планеты движутся в пустом пространстве, управляемые силой, которая зависит от их масс и расстояний между ними. Такова красивая модель Вселенной Ньютона.

Ричард Уэстфолл, биограф Ньютона, и сам был блестящим ученым. Он сказал: «Окончательный результат моего изучения Ньютона привел меня к убеждению, что к нему неприменима никакая мерка. Он стал для меня совершенно особым человеком, одним из малого числа величайших гениев, определивших категории человеческого интеллекта, человеком, неподвластным критериям, по которым мы оцениваем своих ближних». Однако даже Ньютон — со своим исключительным мышлением — не сумел до конца разгадать загадку гравитации. Он не мог объяснить, каким образом она работает в вакууме, будучи невидимой и действуя мгновенно. Ньютон признал это в своем великом труде о гравитации «Математические начала натуральной философии» (1687): «Я не смог обнаружить причины этих свой­ств гравитации в наблюдаемых феноменах, и я не формулирую никакой гипотезы».

Понимание ткани пространства и времени

Альберт Эйнштейн, 26-летний клерк патентного бюро в Берне, опроверг систему Ньютона. В 1905 г. Эйнштейн написал четыре статьи, которым суждено было изменить устоявшиеся представления о физике. В одной из статей он рассмотрел фотоэлектрический эффект — высвобождение электронов под воздействием солнечного света на вещество. Он утверждал, что свет ведет себя как частица, перенося энергию дискретными порциями — квантами. Именно эта работа принесла Эйнштейну Нобелевскую премию, а не его более знаменитые теории относительности (илл. 2). Эксперименты Томаса Юнга и других ученых достоверно подтвердили, что для света характерны явления дифракции и интерференции, и физикам пришлось согласиться с тем, что свет одновременно подобен и волне, и частице.

В другой небольшой статье было предложено самое крат­кое уравнение физики: E = mc2. Это означает, что масса и энергия эквивалентны и взаимозаменяемы. Поскольку скорость света с очень велика, крохотная масса может быть превращена в колоссальную энергию. Масса представляет собой своего рода «замороженную» форму энергии — этим объясняется невероятная мощь ядерного оружия. И наоборот, энергии соответствует крохотная эквивалентная масса. Согласно этому уравнению, фотоны действительно могут испытывать влияние гравитации.

В третьей статье изложена специальная теория относительности. Теория строится на идее Галилея, гласящей, что законы природы должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, движущихся с постоянной скоростью относительно друг друга. Эйнштейн добавляет второе положение: скорость света не зависит от движения наблюдателя. Второе положение является фундаментальным, в подтверждение его можно провести мысленный эксперимент. Вы направляете свет фонарика в сторону человека, находящегося очень далеко от вас. Он отмечает, что фотоны движутся к нему со скоростью 300 000 км/с — скоростью света. Предположим, теперь вы мчитесь навстречу ассистенту со скоростью, равной половине скорости света. Он по-прежнему будет наблюдать фотоны, движущиеся со скоростью света, а не со скоростью 450 000 км/с. Теперь предположим, что вы удаляетесь с той же огромной скоростью, — и снова наблюдаемые фотоны летят со скоростью света, а не со скоростью 150 000 км/с. Свет не подчиняется простой арифметике. Скорость света — универсальная постоянная, что подразумевает весьма важные выводы. Скорость есть расстояние, деленное на время; если скорость постоянна, то пространство и время должны изменяться. Когда объекты перемещаются очень быстро и приближаются к скорости света, они сжимаются в направлении движения и их время замедляется. Теория Эйнштейна утверждает, что свет — самое быстрое, что есть во Вселенной, и из этого следует, что объекты становятся массивнее, приближаясь к скорости света, что увеличивает их инерцию, вследствие чего они так и не смогут достичь или превзойти скорость света.

Но даже столь блестящая работа была для Эйнштейна лишь разминкой перед эпохальным трудом — общей теорией относительности. Общая теория позволила ученому перейти от идеи постоянного движения к движению с ускорением с учетом гравитации, отталкиваясь от другой догадки Галилея. Энциклопедист эпохи Возрождения доказал, что все объекты падают с одной и той же скоростью, независимо от массы. Это значит, что инертная масса (сопротивление объекта изменению его движения) равна гравитационной массе (тому, как объект реагирует на силу гравитации). Для Галилея это было случайным и необъяснимым совпадением, в котором Эйнштейн усмотрел ключ к новому пониманию гравитации.

Представьте, что находитесь в закрытом лифте, сто­ящем на первом этаже. Вы ощущаете свой нормальный вес; любой предмет, который вы уроните, ускорится до 9,8 м/с2. Так работает гравитация. Теперь представьте себя в герметичном ящике в космосе (внутри он выглядит как кабина лифта), которому космический корабль придал ускорение в 9,8 м/с2. В одной ситуации участвует гравитация, в другой — нет, но Эйнштейн понял, что никакой эксперимент не позволит их различить (илл. 3). Рассмотрим еще две ситуации. В одной вы заперты внутри лифта в глубоком космосе — вы парите в кабине в невесомости. В другой — лифт находится в высоком здании и после обрыва троса вертикально падает на дно лифтовой шахты. Эти две ситуации также невозможно отличить друг от друга. Гравитация неотличима от любой другой силы. Этот «принцип эквивалентности» является центральным в общей теории относительности Эйнштейна. Оказаться в оборвавшемся лифте, стремительно несущемся к земле, — катастрофа, но для Эйнштейна мысль о том, что падающий человек не почувствует своего веса, стала «счастливейшей».

Новая концепция гравитации Эйнштейна является гео­метрической. Уравнения общей теории относительности в определенной области соотносят массу и энергию с искривлением пространства. Плоское линейное пространство Ньютона с находящимися в нем объектами заменяется пространством, которое искривлено находящимися в нем объектами (илл. 4). Пространство и время связаны, следовательно, гравитация может искажать и время, и пространство. Физик Джон Уилер, который, как мы в дальнейшем узнаем, ввел термин «черная дыра», нашел лаконичную формулировку: «Материя указывает пространству, как искривляться. Пространство указывает материи, как двигаться». Эта идея отражена и в словах поэта Роберта Фроста, который неоднозначно воспринял открытия теории относительности. В сонете «Нам по сердцу любая геометрия» он приходит в ужас при мысли о бесконечности космоса, но искривление, характеризующее черную дыру, видится ему утешением:

Там мрак и холод — настоящий ад,

особенно рукам, пока раздельны.

Будь эта даль хоть чуть искривлена,

так руки — вместе — грелись бы, как братья.

Упрямая теория вредна

и не велит схватить себя в объятья.

Три эффекта общей теории относительности напрямую соотносятся с ситуациями, когда речь идет о плотной материи, то есть о черных дырах. Первый эффект — отклонение света в соответствии с волнистой структурой пространства-­времени, что обусловлено концентрацией массы. Это стало первой и классической проверкой общей теории относительности Эйнштейна в 1919 г., через три года после публикации. Группа под руководством великого английского астрофизика Артура Эддингтона измерила слабое искривление света звезды, проходящего вблизи края диска Солнца. Измерение не было особенно точным, но подтверждение теории относительности сделало Эйнштейна знаменитым и вознесло его на вершины науки. В 1995 г. более точное измерение дало результат, совпавший с предсказанием Эйнштейна с точностью до 0,01%.

Второй эффект — потеря энергии по мере того, как свет покидает массивный объект, так называемое гравитационное красное смещение. Это выглядит так, как если бы фотоны боролись с гравитацией. Эффект был впервые измерен экспериментальным путем в 1960 г. Непосредственное отношение ко второму имеет и третий эффект — замедление времени. Предполагается, что при более сильной гравитации часы идут медленнее. Замедление времени было впервые зарегистрировано в 1971 г.: выяснилось, что атомные часы, перемещаемые на самолете с высокой скоростью, идут чуть быстрее точно таких же атомных часов, оставленных на земле. В 2010 г. замедление времени было зарегистрировано при разнице положения по вертикали всего один метр, для чего потребовались часы исключительной точности, с погрешностью в одну секунду за 4 млрд лет. Измерения эффекта замедления времени также согласуются с предсказаниями теории с точностью 0,01%. Общая теория относительности блестяще выдержала все экспериментальные проверки.

Общая теория относительности кажется тайным знанием, оторванным от повседневной жизни, но, если бы расчеты не учитывали замедление времени, мы вряд ли могли пользоваться системами GPS. Для установления местонахождения телефона на Земле в пределах метра нужны предельно точные данные орбитальных спутников, на борту которых установлены атомные часы. Релятивистские расчеты выполняются компьютерными чипами в мобильном телефоне, без таких корректировок отклонения систем GPS достигали бы 10 км за день. Эффекты относительности мало­заметны в Солнечной системе и везде, где гравитация слаба, но, как мы скоро узнаем, невероятно усиливаются при коллапсе звезд и сильной гравитации.

Сингулярность и внезапно прерванная жизнь

Общая теория относительности строга и красива. Эйнштейн сказал о своем творении: «Едва ли ­кто-нибудь, полностью понимающий эту теорию, может устоять перед ее обаянием». Однако лишь немногие способны постичь теорию относительности — для этого нужны фундаментальные знания математики. В самом кратком выражении в одном уравнении соотносятся плотность массы-­энергии и искривление пространства-­времени. Это все равно что сыграть пьесу Шекспира за пять минут. Полноценная «театральная постановка» — система из десяти нелинейных гиперболическо-­эллиптических дифференциальных уравнений в частных производных. Опорная математика основывается на многообразиях, сложных многомерных формах, которые соотносятся с евклидовым пространством, как сложенная фигурка дракона-­оригами с плоским листом бумаги.

Эйнштейн разработал приблизительные решения для своей теории, что позволило Артуру Эддингтону организовать экспедицию для измерения гравитационного искривления света звезды во время солнечного затмения. Он сомневался, что уравнения имеют точное решение, но общая теория относительности сразу привлекла внимание выдающихся ученых-физиков. Один из ученых добился поразительных результатов. Уроженец Франкфурта Карл Шварцшильд стал студентом уже в 16 лет — и тогда же опубликовал две статьи об орбитах двой­ных звезд. Вскоре он получил должность профессора и директора обсерватории Гёттингенского университета. Когда началась Первая мировая вой­на, ему было больше 40 лет, но в порыве патриотизма он завербовался в армию Германии. Шварцшильд воевал на западном и восточном фронтах и дослужился до лейтенанта артиллерии.

Страдая от тяжелой простуды на русском фронте в конце 1915 г., Шварцшильд переписывался с Эйнштейном. «Вой­на была ко мне довольно милостива, — писал Шварцшильд, — несмотря на канонаду, я мог себе позволить отрешиться от происходящего и предпринять вылазку в сферу ваших идей». Он предложил верное решение уравнений, что весьма впечатлило Эйнштейна. Вскоре после этого Шварцшильд был представлен Академии наук Германии. Но ученый не смог продвинуть свои идеи: этому помешала редкая и мучительная болезнь кожи — пузырчатка. Шварцшильд представил статью к публикации в феврале 1916 г., был комиссован с русского фронта в марте и умер в мае.

Что же за решение нашел Шварцшильд? Оно звучало так: вторая космическая скорость на поверхности тела зависит от его массы и радиуса. Мичелл и Лаплас размышляли о возможности попадания света в ловушку большой массивной звезды с той же плотностью, что и у Солнца. Шварцшильд понял, что вторая космическая скорость также может достичь скорости света, если звезда, подобная Солнцу, коллапсирует до высокой плотности. Его решение подразумевало два удивительных момента: что гравитация может сжать тело до состояния бесконечной плотности вещества, которое называется сингулярностью, и что существует гравитационный предел, навсегда заключающий в ловушку все, что находилось внутри, так называемый горизонт событий. Сингулярность и горизонт событий — две важнейшие характеристики черной дыры (илл. 5).

Повелитель сжатий и расширений

Эйнштейн был недоволен. И он, и Эддингтон были убеждены, что сингулярность является следствием несовершенного понимания физики. Это же бессмыслица — физический объект нулевого размера и бесконечной плотности. Теория Эйнштейна породила чудовище. Другие физики сочли решение Шварцшильда игрой ума для посвященных. Для таких звезд, как Солнце, радиус Шварцшильда — размер горизонта событий — составляет 3 км. Как может звезда диаметром 1,4 млн км — в 100 раз больше Земли — сжаться до размера деревни?

Но еще один вундеркинд от физики был убежден, что это возможно. Роберт Оппенгеймер родился в Нью-­Йорке, изучал физику в Гарварде. Получив степень доктора философии, он проехал по Европе и весьма увлекся новым направлением — квантовой механикой. Его научные инте­ресы были разносторонни. В числе прочих достижений Оппенгеймер первым применил квантовую теорию на молекулярном уровне, предсказал антиматерию и стал пионером в разработке теории космических лучей, именно он создал и лучшую программу преподавания теоретической физики в Калифорнийском университете в Беркли. Оппенгеймер был человеком высокой культуры: серьезно интересовался изобразительным искусством и музыкой, изучал санскрит и в подлиннике читал древнегреческих философов. Он был склонен к левым убеждениям и обладал высокой социальной ответственностью.

Оппенгеймер разработал инструменты для понимания ядерной материи: он понял, что в астрофизике реальный мир принимает экзотические формы. Эволюционируя, звезда сохраняет тонкое равновесие между гравитацией, которая всегда «тянет» внутрь, и давлением, которое порождается реакциями термоядерного синтеза и всегда направлено наружу. Солнце стабильно и имеет постоянный размер до тех пор, пока в нем продолжаются термоядерные реакции. Когда Солнце израсходует водородное топливо, оно сож­мется до плотного состояния материи, поддерживаемого квантово-­механической силой — давлением вырожденного газа, и станет белым карликом.

Индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар вычислил, что гравитация более массивной, чем Солнце, звезды может преодолеть силу давления вырожденного газа и коллапсировать до плотности огромного атомного ядра. Такая звезда называется нейтронной. В 1939 г. Оппенгеймер вместе с одним из своих магистрантов написал статью «О безграничном гравитационном сжатии», в которой путем сложных расчетов доказал, что еще более массивная звезда будет коллапсировать до тех пор, пока не достигнет большей плотности, чем у любой известной формы вещества. В конце жизни массивной звезды неизбежно формируется черная дыра.

В 1942 г. Оппенгеймера назначили руководителем американской программы по созданию атомной бомбы. Для работы на секретном объекте в Лос-­Аламосе, что в северной части Нью-­Мексико, он собрал великолепную команду талантливых физиков, которые бросили все усилия на достижение решающего преимущества в вой­не с Японией. Оппенгеймер был предан работе, но в его душе зрел конфликт. Став свидетелем «Тринити» — испытания первой атомной бомбы в 1945 г., он лишь сказал своему брату: «Сработало». Позже Оппенгеймер выбрал знаменитую строчку из Бхагавадгиты: «Я смерть, разрушитель миров». После вой­ны из-за политических взглядов положение Оппенгеймера пошатнулось. Он стал жертвой унизительной антикоммунистической «охоты на ведьм» и был лишен допуска к секретной информации. Оппенгеймер так и не сумел восстановить репутацию. Перевод черных дыр из сферы умозрительного в сферу достоверного — это одно из выдающихся достижений в его колоссальном научном наследии.

Поиск названия для непостижимого

Физики не всегда соглашаются друг с другом. Величайшие ученые вступают в яростное соперничество, ими движет страсть к познанию законов природы. Я был свидетелем горячих споров в моей области науки, порой я вздрагивал, слыша, какими ужасными словами ученые называли друг друга. Как правило, лучшие идеи находят подтверждение, а обиды забываются. Но иногда — как в случае Роберта Оппенгеймера и Джона Уилера, который ввел в научный обиход термин «черная дыра» (илл. 6), — споры перерастают в личные конфликты.

Уилер — ученик великого датского физика Нильса Бора, который привил ему привычку не только справляться со сложными уравнениями, но и формулировать фундаментальные вопросы о природе реальности, которую изучает физика. Уилер работал над диссертацией (в дальнейшем не стал ее защищать) в Беркли под руководством Оппенгеймера — тот был всего на семь лет старше. Большую часть своей научной карьеры Уилер прослужил профессором в Принстоне, под его руководством работали многие выдающиеся физики второй половины XX в. Во многом благодаря ему изучение гравитации стало полноправной дисциплиной. В 1973 г., незадолго до выхода на пенсию, Уилер в соавторстве с двумя бывшими студентами написал фундаментальный учебник «Гравитация», по которому до сих пор учатся магистранты-­физики.

В 1939 г., в тот же день, когда в свет вышла статья Оппенгеймера о коллапсе звезд, Уилер и Бор опубликовали свое объяснение процесса деления атомного ядра, — в это время в Европе Гитлер вторгся в Польшу. Как и его предшественники Эйнштейн и Эддингтон, Уилер отвергал идею сингулярности — он тоже считал это насилием над физикой. Выступая на конференции в 1958 г., Уилер оспорил мысль Оппенгеймера, заявив, что она не дает приемлемого ответа. Последовала острая дискуссия. Оппенгеймер зачастую бывал нетерпим и вспыльчив, то и дело переходил на личности. И Уилер — искренний, увлеченный и заинтересованный в каждом человеке, с которым его сводила судьба, — сказал об Оппенгеймере: «Я никогда по-настоящему его не понимал. Я всегда чувствовал, что с ним нужно держать ухо востро». (Уилер в итоге принял идею Оппенгеймера, после того как ее состоятельность подтвердилась с помощью компьютерных кодов, использованных для моделирования бомб, и высоко оценил его работу, выступая на конференции в 1962 г. Оппенгеймер, однако, не услышал слов одобрения, поскольку во время выступления Уилера находился за дверями конференц-зала, предпочтя беседу с коллегой.)

Неприязнь росла, а во время вой­ны расхождения лишь усилились. Оппенгеймер был главным научным руководителем атомной программы, положившей конец вой­не, но после он бросил все усилия на то, чтобы не допустить распространения ядерного оружия. Тем временем Уилер и Эдвард Теллер приступили к разработке еще более мощной водородной бомбы, которую назвали «супербомбой». Оппенгеймер критиковал их: «Пусть Теллер и Уилер продолжают. Не мешайте — пусть сядут в лужу». Однако этого не случилось, и впоследствии Оппенгеймер отметил их техническое мастерство, благодаря которому появилась термоядерная бомба. Уилер же пришел в отчаяние, узнав о гибели брата во время боевых действий в Италии в 1944 г. Он горько сожалел о том, что бомбу не создали ранее — это могло изменить ход вой­ны в Европе.

Во время своей речи в 1967 г. Уилер отметил, что, многажды повторив выражение «полностью гравитационно коллапсировавшие тела», поневоле задумаешься о выборе нормального термина. Кто-то в аудитории (кто именно, так и не удалось установить) выкрикнул: «Как насчет черной дыры?» И Уилер начал использовать это выражение. Оно прижилось и вошло в научный оборот. Как и термин «Большой взрыв», предложенный кем-то посторонним, «черная дыра» — разговорное, но точное определение. Как писал Уилер в автобиографии, черная дыра «говорит нам, что пространство может быть скомкано, как лист бумаги, в исчезающе малую точку, что время может угаснуть, как затушенное пламя, и что законы физики, которые мы считаем священными и незыблемыми, являются какими угодно, только не такими».

Гений сражается с гравитацией и болезнью

Стивен Хокинг — еще один блестящий ученый, взявшийся за тайну черных дыр. Его история настолько всем нам знакома, что мы практически перестали им восхищаться. Не­уверенный в себе и посредственный ученик в детстве, он сумел окончить школу отличником, занимаясь не более часа в день в течение трех лет. В 21 год у Хокинга диагностировали боковой амиотрофический склероз — прогрессирующую мышечную атрофию — и отвели два года жизни, однако в 32 года он был избран в Королевское общество, а в 35 лет стал лукасовским профессором, возглавив кафедру математики в Кембридже, — когда-то эту должность занимал Исаак Ньютон. Хокинг едва не умер от пневмонии в 1980-е гг., в результате лишился способности говорить и приобрел механический голос, ставший культовым. Книга «Краткая история времени» сделала его знаменитым и была продана в количестве более 10 млн экземпляров. К моменту смерти в марте 2018 г. он пережил отпущенный ему когда-то срок более чем на полвека (илл. 7).

Близкие к Хокингу люди описывали его как сложного в общении человека, но во всяком случае это был самый оригинальный и выдающийся физик со времен Эйнштейна. В своей диссертации на соискание степени доктора философии Хокинг сосредоточился на теме, которую большинство физиков предпочитали избегать, — сингулярностях. Как мы видели, подразумевающаяся в центре черной дыры сингулярность заставила даже Эйнштейна усомниться в собственной теории. В математике сингулярность — ситуация, когда функция имеет бесконечное значение. И это обычное явление: математикам известно множество способов работы с бесконечными величинами. Однако в физике бесконечность — серьезная проблема. Например, теория, описывающая жидкости, предсказывает, что в некоторых условиях плотность жидкости становится бесконечной. Ситуация явно выходит за пределы физики, что указывает на недостатки в теории. Хокингу, впрочем, не казалось, что сингулярности свидетельствуют о проблеме с общей теорией относительности. Он начал сотрудничество с математиком из Оксфорда Роджером Пенроузом, занимавшимся радикальным обновлением инструментов для изучения свой­ств пространственно-­временного континуума.

В общей теории относительности пространственно-­временной континуум ведет себя странно, но это часть теории, а не признак роковой ошибки. Пространственно-­временной континуум имеет складки, разрывы, края, дыры, перегибы, является многосвязным и топологически сложным. «Ландшафт» общей теории относительности существенно отличается от «ландшафта» ньютоновской гравитации, в основе которого лежит трехмерное пространство, повсеместно простое и линейное. Общая теория относительности включает возможность сингулярностей.

В этой теории имеется лишь два типа сингулярности пространственно-­временного континуума. Сингулярность может быть вызвана сжатием материи до достижения бесконечной плотности (как в черной дыре) или возникнуть, когда свет приходит из области пространства с бесконечной искривленностью и плотностью энергии (как при Большом взрыве). Первую можно сравнить с плоским продырявленным листом бумаги или с краем листа, вторая не имеет точной аналогии. Любая частица, движущаяся вдоль листа бумаги, просто исчезает, натолкнувшись на сингулярность. Хокинг и Пенроуз решили провести общее исследование. Они отказались от многочисленных допущений и доказали знаменитую серию теорем о сингулярности, продемонстрировав, что в общей теории относительности сингулярности неизбежны. Иными словами, это ее свой­ство, а не баг. Любая черная дыра должна иметь сингулярность массы, и любая расширяющаяся вселенная (такая, как наша) в обязательном порядке начинается с сингулярности энергии. В своей диссертации Хокинг использовал пример из космологии, что моментально подняло его на звездные высоты в тонких мирах теоретической физики.

Затем Хокинг перенес свое внимание на черные дыры. Вместе с двумя коллегами он предположил, что, как и все остальные объекты во Вселенной, черные дыры подчиняются законам термодинамики. К этому моменту — к середине 1960-х гг. — было найдено полное решение в рамках общей теории относительности для вращающейся черной дыры вдобавок к предшествующему решению Шварцшильда для неподвижной черной дыры. В математике или физике решение — это набор значений переменных, удовле­творяющих условиям всех уравнений. Точные решения в общей теории относительности найти весьма сложно — за 100 лет их было найдено всего два!

Один из «законов» Хокинга для черных дыр гласил, что площадь их поверхности всегда увеличивается. Когда материя падает в черную дыру, площадь горизонта событий растет, а при слиянии двух черных дыр площадь возникающего горизонта событий оказывается больше суммы площадей горизонтов событий их обеих. Это вызвало новые споры, закончившиеся поразительным выводом.

В 1967 г. Джон Уилер предположил, что черные дыры — очень простые объекты, для описания которых достаточно массы и момента импульса. Мастер броских наименований, он назвал идею «теоремой об отсутствии волос», подразумевая, что большинство физических тел имеют «волосы» — детали, которые их характеризуют. Яаков Бекенштейн, один из магистрантов Уилера, попробовал соединить теорию Уилера с хокинговским пониманием площади поверхности черной дыры. Бекенштейн заявил, что площадь поверхности черной дыры является мерой ее энтропии. В расхожем употреблении энтропия означает непорядок. В физике энтропия — показатель количества возможных способов реорганизации атомов или молекул физического тела без изменения его общих свой­ств.

Из теоремы «об отсутствии волос» следует, что у черных дыр нет энтропии, но, как указал Бекенштейн, ничто наблюдаемое в природе не свободно от действия второго закона термодинамики — энтропия всегда возрастает — и черные дыры не могут быть исключением. Поскольку термодинамика — краеугольный камень физики, Хокинг принял аргумент Бекенштейна, но столкнулся с новой задачей. Если у черной дыры есть энтропия, то должна быть и температура. Если у нее есть температура, она должна излучать энергию. Но, если ничто не способно вырваться из черной дыры, как она может излучать энергию?

Предложенное Хокингом решение этого противоречия ошеломило мир теоретической физики. Он заявил, что черные дыры испаряются. Вот как это происходит. В классической физике космический вакуум пуст, но, согласно квантовой теории, в нем постоянно возникают и уничтожаются «виртуальные частицы». Они существуют ничтожно малые промежутки времени, разрешенные принципом неопределенности Гейзенберга. В нормальных условиях эти пары частиц и античастиц или пары фотонов исчезают, ни на что не влияя, однако вблизи горизонта событий черной дыры мощная гравитация может разъединить виртуальные пары. Одна часть падает в дыру, а другая улетает прочь и становится реальной — так черная дыра излучает энергию (илл. 8). Источником энергии, необходимой для создания реальной частицы, является гравитационное поле черной дыры, вследствие чего ее масса уменьшается. Шутливо опровергая знаменитую остроту Эйнштейна о квантовой механике «Бог не играет с Вселенной в кости», Хокинг заявил: «Бог не только играет в кости, но иногда бросает их туда, где их невозможно увидеть».

Излучение Хокинга — спорная, но, безусловно, блестящая идея. Вскоре Хокинг был избран в члены Королевского общества. К сожалению, для остатка звезды солнечной массы эффекты излучения Хокинга крайне слабы — одной десятимиллионной кельвина слишком мало для астрономических измерений. Скорость испарения невероятно низка. Потребуется 1066 лет, чтобы черная дыра с такой же массой, как у Солнца, совершенно исчезла. Зато кульминация этого процесса впечатляет: с уменьшением массы увеличиваются температура и скорость испарения, и черные дыры исчезают на пике стремительно растущего излучения.

По мере изучения черные дыры представлялись все более странными объектами. Физики исследовали их свой­ства, подвергая сомнениям даже сам факт их существования. В 1935 г. Альберт Эйнштейн и Натан Розен предположили, что между двумя точками пространственно-­временного континуума могут существовать «мосты». Черная дыра может находиться на любом конце такого моста, который Джон Уилер окрестил «кротовой норой». Общая теория относительности также допускает существование областей пространства-­времени, в которые невозможно проникнуть извне, но откуда, однако, могут выходить свет и материя. Это так называемые белые дыры. Область черной дыры будущего может иметь область белой дыры в качестве своего прошлого. Ученые не наблюдали за кротовыми норами и белыми дырами, но, по замечанию Стивена Вайнберга «в физике так часто бывает — нашей ошибкой является не чрезмерно серь­езное, а недостаточно серьезное отношение к собственным теориям».

В массовой культуре черные дыры стали символом смерти и разрушения. Однако в них заключена и надежда на трансформацию и вечную жизнь, поскольку на горизонте событий время застывает и никто не знает, что находится внутри. Романист Мартин Эмис писал: «Хокинг понимал черные дыры, потому что мог вглядываться в них. Черные дыры означают забвение. Смерть. Хокинг вглядывался в смерть всю свою взрослую жизнь».

Пари о черных дырах

Со Стивеном Хокингом было выгодно держать пари — чаще всего он проигрывал. Его первый спор касался гипотезы космической цензуры. В 1969 г. Роджер Пенроуз предположил, что сингулярности всегда «спрятаны» за горизонтом событий. За исключением Большого взрыва, голых сингулярностей не существует. Горизонт событий не даст наблюдателю увидеть материю, сдавленную до бесконечной плотности. Сингулярность оборачивается серьезными концептуальными проблемами для общей тео­рии относительности, и потому физики надеялись, что черные дыры всегда имеют горизонт событий. В 1991 г. Хокинг поспорил на $100 с двумя физиками-­теоретиками из Калтеха — Джоном Прескиллом и Кипом Торном, утверждая, что гипотеза космической цензуры верна и голых сингулярностей не существует. В 1997 г. моделирование на суперкомпьютере показало, что при определенных условиях коллапс черной дыры может привести к голой сингулярности, которая создана природой или, возможно, высокоразвитой цивилизацией. Хокинг признал свое поражение, выплатил проигрыш и подарил двум своим коллегам футболки с надписью: «Природа не выносит сингулярности».

В том же году Хокинг побился об заклад с Прескиллом, заявив, что информация в черной дыре уничтожается (на сей раз Торн занял его сторону). «Информация» в этом контексте связана с энтропией. Высокая энтропия означает беспорядок и малый объем информации. Например, нормальный газ сильно разупорядочен, и для его описания достаточно считаных единиц информации: плотность, температура и химический состав. Черные дыры обладают громадной энтропией, существенно превышающей формирующие их газовые шары, и, соответственно, описываются даже меньшим числом единиц, чем газ: нам известны только их масса и осевое вращение. В принципе, черную дыру можно создать бесконечно разными способами — например, сжатием газа и каменной породы или даже книг и непарных носков, — но невозможно увидеть информацию извне. Затем черная дыра испаряется, выделяя неупорядоченное излучение. Что происходит с информацией — в первую очередь о том, из чего сделана черная дыра? Этот вопрос получил название информационного парадокса.

В 2004 г. Хокинг проиграл и это пари. На конференции в Дублине он пересмотрел свою позицию и сказал, что информация может пережить падение в черную дыру, хотя и в искаженном виде, — как если бы сгорела энциклопедия и мы бы нашли ничтожные остатки содержавшейся в ней информации среди дыма и пепла. Возможно, новейшие технологии позволят восстановить типографскую краску и текст. Хокинг оставил положения квантовой механики, но отказался от предшествующего рассуждения, согласно которому информация может не только сохраняться внутри черной дыры, но и переходить в другие вселенные, ответвляющиеся от черной дыры. Он сказал The New York Times: «Жаль разочаровывать поклонников научной фантастики, но даже если информация сохраняется, невозможно использовать черные дыры для путешествий в другие вселенные». Хокинг ссылался на предложенную в космологии идею о том, что состояние, предшествовавшее Большому взрыву, могло породить множественные вселенные. Ученый добавил, что черные дыры могут служить путями перемещения информации между вселенными. Выполняя условия пари, Хокинг вручил своему другу Прескиллу энциклопедию бейсбола, из которой «информацию можно восстановить без всякого труда», а первоначальное заявление о потере информации объявил своим «величайшим промахом».

Я встречал Стивена Хокинга в конце 1970-х гг., когда учился в магистратуре. В Лондоне он читал лекцию о черных дырах в честь своего назначения лукасовским профессором математики. Хокингу было 36 лет, он состоялся как блестящий физик. Он уже десять лет сидел в инвалидном кресле, его речь настолько ухудшилась, что его понимали лишь немногочисленные члены семьи и близкие коллеги. Один из студентов, стоя вплотную к Хокингу, разбирал его слова и передавал аудитории. Помню, что к концу лекции проникся глубочайшим убеждением, что, какие бы препятствия ни встретились мне в жизни и в карьере, все это будет ничто по сравнению с тем, что испытывал Хокинг.

Двадцать лет спустя мы с двоюродным братом посетили публичную лекцию Хокинга в Кембридже. Текст лекции был подготовлен заранее и озвучивался синтезатором речи — это стало визитной карточкой Хокинга. Он отвечал на вопросы медленно, так как ему приходилось одним пальцем выбирать нужные фразы из огромной компьютерной базы. Но колкий юмор ученого проявился сполна. Кто-то спросил: «Мы ­когда-­нибудь сможем использовать черные дыры, чтобы спасти человечество от уничтожения?» Помедлив, Хокинг напечатал: «Надеюсь, нет». Другой вопрос: «Может ли ­кто-нибудь выжить, падая в черную дыру?» Он медленно набрал ответ: «Вы — может быть. У меня и без того достаточно проблем».

В действительности ответ на второй вопрос заключается в том, что, к сожалению, падающий в черную дыру путешественник не выживет, его ждет «спагеттификация» под действием силы растяжения вследствие гравитации. Гравитация слабеет обратно пропорционально квадрату расстояния до объекта. Для любого компактного объекта — такого как черная дыра — разница между гравитацией, действующей на две точки на разных расстояниях от этого объекта, может быть большой — это так называемая приливная сила. На расстоянии 3000 км сила растяжения создаст между вашими головой и стопами ускорение, примерно равное гравитации Земли. Приятного мало, но вы выживете. На расстоянии 1000 км сила растяжения в 50 раз превысит земную гравитацию и разорвет на части ваши кости и внутренние органы. В 300 км — все еще далеко от горизонта событий — сила растяжения в 1000 раз превысит гравитацию Земли, твердые тела разрушатся. Спагеттификация — не детская игра, в которой один тянет вас за ноги, а другой — за руки, и даже не средневековая пытка дыбой. Пространственно-­временной континуум возле черной дыры искривляется, и вас растягивает на всех уровнях: мышечных волокон, клеток и спирали ДНК.

Возникает парадокс. Горизонт событий — это точка невозврата, информационная мембрана: информация проникает внутрь, но не наружу. Если бы вы могли нырнуть в черную дыру с цифровыми часами и каким-то образом избежать спагеттификации, вам показалось бы, что часы продолжают нормально идти, пока вы в свободном падении погружаетесь в горизонт событий. Тем временем ваш компаньон, наблюдающий за падением, увидит, что часы замедляются, а ваша деформированная фигура медленно приближается к горизонту событий — до тех пор, пока вы не остановитесь вместе с часами. Теперь представьте, как мы бросаем в черную дыру книгу. Согласно законам гравитации, книга пересечет горизонт событий и информация будет утрачена, но с точки зрения стороннего наблюдателя книга никогда не достигнет горизонта событий. Утрачивается ли информация или каким-то образом «сохраняется» на горизонте событий?

Впрочем, Хокинг был рад проиграть одно пари — первое пари с Кипом Торном, заключенное в 1975 г. Хокинг оспорил существование черной дыры — это должно было его подстраховать. Он надеялся на проигрыш, но если бы выиграл, то, по его словам, утешился бы четырехлетней подпиской на британский сатирический журнал Private Eye. Как мы узнаем из следующей главы, источник высоко­энергетического излучения Лебедь Х-1 оказался убедительным кандидатом в черные дыры, и в 1990 г. Хокинг признал свое поражение. В качестве выигрыша Торн получил годовую подписку на Penthouse.

Золотой век теории черных дыр

После эпохальных открытий Хокинга изучение черных дыр пошло быстрее. Мы наблюдаем золотой век теории черных дыр, и с каждым годом выходит все больше статей. Физики пытаются согласовать «стройные» описания тел в общей теории относительности с «шероховатыми» описаниями материи в квантовой теории.

Как сказано выше, вопрос о том, что происходит с информацией на горизонте событий, остается величайшей загадкой. Теория испарения черных дыр Хокинга проникает в арсенал квантовой механики. Изначально ученый утверждал, что излучение черной дыры хаотично и случайно и при испарении черной дыры теряется вся содержавшаяся в ней информация. Это противоречит основной предпосылке квантовой теории, согласно которой взаимодействия частиц обратимы во времени, следовательно, можно было бы «проиграть фильм задом наперед» и восстановить начальное состояние из конечного. Противоречия между двумя весьма успешными теориями в физике — общей теории относительности и квантовой механики — многие ученые восприняли как кризис.

В 1996 г. Энди Строминджер и Кумрун Вафа воспроизвели энтропию и излучение Хокинга с помощью теории струн. Теория струн — это растянувшаяся на много десятилетий попытка объединить четыре фундаментальные силы природы с концепцией материи не как частиц, а крохотных одномерных «струн» энергии, существующих в пространственно-­временном континууме, имеющем, возможно, восемь или десять измерений. Теория струн более фундаментальна, чем стандартная квантовая теория, поскольку постулирует единственную сущность, лежащую в основе всевозможных частиц, таких как электроны, протоны и нейтроны. Она красива и математически точна, но ее трудно проверить. Однако потрясающим образом с ее помощью удалось объяснить некоторые важные свой­ства черных дыр — впервые микроскопическая теория материи была успешно применена в области сильной гравитации. Исследование Строминджера и Вафы позволило предположить, что информация, попавшая в черную дыру, действительно может быть восстановлена. Однако ученые по-прежнему не пришли к согласию по вопросам сохранения информация и по поводу того, что теория струн может сказать о природе черных дыр.

Многие ведущие физики трудятся над этой головоломкой. Согласно одной оригинальной идее, информация хранится на горизонте событий подобно тому, как голограмма служит двумерным информационным хранилищем трехмерного объекта. Если информация о содержимом черной дыры каким-то образом кодируется на поверхности (илл. 9), то это разрешает информационный парадокс. В 2012 г. в этой бочке меда обнаружили большую ложку дегтя: виртуальные частицы, обеспечивающие излучение Хокинга, оказались связанными — их квантовые состояния одинаковы даже на большом удалении друг от друга. Извлечь информацию, нарушив эту связность, означает высвободить мощный поток излучения, создав «стену огня» (файрвол) прямо над горизонтом событий. Путешественника ждет не скучное погружение в черную бездну, а уничтожение стеной огня. Однако для внешнего наблюдателя путешественник так и останется на горизонте событий, как муха на липкой ленте. Умрет или выживет? Никто не может выбраться наружу, и ничто не может проникнуть внутрь. Неизбежна ли стена огня? Ученые продолжают об этом спорить.

Этот спор показывает, как сильно менялись представления в процессе разработки теории черных дыр. Предоставим заключительное слово Энди Строминджеру. В статье 2016 г. «Мягкие волосы черных дыр», написанной в соавторстве с Хокингом, он оспаривает теорему Джона Уилера об отсутствии волос и идентифицирует частицы, которые могут играть роль квантовых пикселей информационного хранилища на границе черной дыры. Эта работа еще не завершена. Строминджер признает: «У меня есть список из 35 задач, решение каждой отнимет несколько месяцев. Физикам-­теоретикам такое по вкусу: есть вещи, которые мы не понимаем, но можно сделать расчеты, что неизбежно приведет к пониманию».

За последние 100 лет черные дыры из монструозных идей, противоречащих здравому смыслу, превратились в испытательный полигон для проверки блестящих физических теорий. Черные дыры — подарок Вселенной. Их содержимое скрыто и загадочно, однако даже обертку этого ящика интересно изучать. Я вспоминаю ироничное замечание Марка Твена: «В­се-таки в науке есть что-то захватывающее. Вложишь какое-то пустяковое количество фактов, а берешь колоссальный дивиденд в виде умозаключений».

Пора задать прагматичный вопрос: а черные дыры действительно существуют?

Отправить