В заключение всех этих разговоров о том, что попадает в черную дыру, мы побеседуем о том, что оттуда выходит. Возможно, вы полагаете, что ничего, и это логично. Сколько я ни изворачивался, лишь бы не объяснять, как именно действует гравитация, черные дыры получили такое название потому, что свет из них не вырывается.

С другой стороны, мы «видим» черные дыры в форме квазаров в других галактиках. Квазары – необычайно яркие объекты в центрах галактик, где сверкающие облака раскаленного газа поглощаются сверхмассивной черной дырой. И, кстати, за исключением гигантских струй, видимых в радиодиапазоне, мы не можем рассмотреть структуру этих облаков. Когда в новостях о жизни черных дыр вам показывают подробно прорисованные аккреционные диски, это кто-то мухлюет с графическим редактором MS Paint, или чем там теперь рисуют наглядные иллюстрации.

Однако даже если не брать в расчет излучение квазаров, черные дыры все равно не совсем черные. Чтобы понять, почему, вернемся к Международной космической станции. Как мы уже видели, астронавты на борту МКС уверены, и не без оснований, что пребывают в невесомости, и все предметы на борту дружно поддерживают их в этом заблуждении.

Можно взять генератор Ван де Граафа и поставить его посреди МКС. Он из тех устройств, которые часто снимали в старых фильмах ужасов: движущаяся лента генерирует сильный электрический заряд на большой металлической сфере. Кроме того, это верный признак, что вы имеете дело с чокнутым профессором.

С точки зрения наших честных астронавтов, генератор Ван де Граафа повиснет в воздухе. Казалось бы, и пусть его висит. Невесомость тем и хороша, что все в целом где оставишь, там и висит. Это простое следствие из принципа эквивалентности.

А теперь подумайте, как выглядит то же самое устройство и его заряд снаружи. Давайте я припаркую свой собственный звездолет в отдалении, так, чтобы гравитацией Земли можно было пренебречь.

С моей точки зрения астронавты, космическая станция и генератор Ван де Граафа мчатся со скоростью приблизительно 30 000 километров в час. А главное – космическая станция, астронавты и заряженный генератор постоянно меняют направление движения: они же движутся по кругу, а значит, на них, несомненно, действует ускорение.

А заряды при ускорении излучают. Например, радиопередатчик именно так и работает: заставляет пучок электронов в источнике дрожать и испускать излучение с определенной частотой. В крупных исследовательских центрах вроде Брукхейвенской Национальной лаборатории на Лонг-Айленде есть огромные магнитные кольца, где электроны бегают по красивым круглым орбитам. Устройство в Брукхейвенской лаборатории просто потрясающее. Радиус у него около 800 метров, электроны летают на скорости примерно 99,999999 % скорости света, и ускорение там гораздо сильнее, чем нежное земное тяготение. Таким образом получают так называемое синхротронное излучение и очень полезный экспериментальный источник света.

Обо всем этом я упоминаю для того, чтобы показать, что если генератор Ван де Граафа движется по кругу – даже если это круг, огибающий целую Землю, – то он обязательно испускает какое-то излучение. Но если верить принципу эквивалентности, на борту МКС любой эксперимент должен давать те же результаты, что и вообще без ускорения. Из этого следует, что астронавты не увидят никакого излучения от заряда.

Это серьезная путаница. Свет или есть, или нет. Он не может зависеть от точки зрения.

Читатель вправе сказать, что я делаю из мухи слона. Ведь какой-то один ускоряющийся заряд – это не так уж много, а гравитационное ускорение Земли совсем не велико по астрономическим понятиям. Однако в реальной вселенной речь идет отнюдь не о единичных зарядах.

Едва ли не самый неожиданный прогноз квантовой механики состоит в том, что даже пустое в нашем представлении пространство, так называемый вакуум, не вполне пусто. Оказывается, мы живем в бурлящем океане частиц и античастиц. Просто мы их обычно не замечаем, поскольку они необычайно эфемерны. Для наглядности: электрон-позитронные пары живут всего около 10^-21 секунд и за это время успевают пробежать максимум чуть больше радиуса атомного ядра.

Кроме того, поскольку частицы и античастицы всегда имеют противоположный заряд, флуктуации вакуума с электрической точки зрения друг друга гасят.

И есть веская причина полагать, что эта энергия вакуума – вовсе не какая-то безумная выдумка физиков-теоретиков, призванная сделать вселенную еще диковиннее. В 1948 году Хендрик Казимир заметил, что если взять две незаряженные металлические пластины и поместить их очень близко друг к другу, они будут притягиваться друг к другу. Это называется эффектом Казимира и его можно понять только в том случае, если представить себе, что между пластинами роятся виртуальные заряженные частицы, обладающие именно теми свойствами, которые предсказывает пресловутая плотность энергии вакуума.

С другой стороны, есть и веские причины относиться к плотности энергии вакуума с большой осторожностью. В каждой конкретной области пространства создаются фотоны, которые, если помните, сами себе античастицы, со всевозможными длинами волн. Поскольку фотоны с очень маленькой длиной волны обладают очень высокой энергией, из этого естественным образом следует, что в каждый момент энергии вакуума должно быть бесконечно много буквально везде.

Если в уравнениях всплывает бесконечность, то в большинстве случаях это нас не особенно тревожит. Прямо мы энергию не измеряем, а измеряем только разницу. Так что если у нас имеется бесконечность, не страшно: она же везде одинаковая. Спокойно вычитаем ее и уповаем на то, что никто ничего не заметит.

На самом деле можно придумать и более красивый выход из положения. Физики исходят из предположения, что на масштабах меньше некоторого – планковской длины – известная нам физика перестает работать. Из этого следует, что от бесконечности можно избавиться. С другой стороны, даже если бы самая маленькая длина волны фотонов была бы масштаба планковской длины, соответствующая плотность энергии была бы примерно в 10¹²⁰ раз больше, чем реальная плотность энергии во вселенной. Такое чувство, что где-то в вычислениях допущена грубая ошибка.

Поскольку гравитация должна чувствовать всю энергию во вселенной, какая только есть, эта ошибка в гугол раз – самая больная проблема физики. И забывать о ней мы не будем. Однако мы не можем совсем игнорировать существование пар виртуальных частиц, поскольку они играют очень важную роль в устройстве черных дыр.

Представьте себе, что вы сидите в ракете, которая движется в вакууме с ускорением, и кругом постоянно создаются и аннигилируют электроны и позитроны. Каждая из этих виртуальных заряженных частиц выглядит так, словно ускоряется прямо на вас. А как мы теперь знаем, ускоряющиеся частицы испускают излучение. Иначе говоря, если вы находитесь в ускоряющемся звездолете, уже само включение реактивных двигателей заставит вас увидеть излучаемый вакуумом свет. Если бы мы не проделали предварительно упражнений с МКС, вы бы, наверное, решили, что я спятил.

То, что ускоряющийся наблюдатель увидит излучение, независимо обнаружили в семидесятые годы сразу несколько ученых, в том числе канадский физик Уильям Унру, в честь которого и получил название этот эффект. В нормальных обстоятельствах эффект этот крошечный. Если выше ускорение составляет 1 g, температура излучения Унру будет всего лишь около 4 × 10^–20 K. Даже по привычным стандартам глубокого космоса это очень холодно.

Я привожу в пример излучение, которое видит ускоряющийся наблюдатель, поскольку Эйнштейн подарил нам симметрию: двигаться с ускорением и находиться в реальном гравитационном поле – это, в сущности, одно и то же. А как мы сейчас увидим, это сильно влияет на то, как устроены черные дыры.