атомных и ядерных масштабов. Но в шестидесятых годах благодаря новейшей

технике число астрономических наблюдений сильно возросло, а их область

значительно расширилась, что вызвало возрождение интереса к астрономии и

космологии. Результаты Оппенгеймера были заново открыты и развиты далее

многими физиками.

В итоге благодаря Оппенгеймеру мы имеем сейчас следующую картину. Из-за

гравитационного поля звезды лучи света в пространстве-времени отклоняются

от тех траекторий, по которым они перемещались бы в отсутствие звезды.

Световые конусы, вдоль поверхности которых распространяются испущенные из

их вершин световые лучи, около поверхности звезды немного наклоняются

внутрь. Это проявляется в наблюдаемом во время солнечного затмения

искривлении световых лучей, идущих от удаленных звезд. По мере сжатия

звезды увеличивается гравитационное поле на ее поверхности и световые

конусы наклоняются еще сильнее. Поэтому световым лучам, испущенным звездой,

становится все труднее выйти за пределы гравитационного поля звезды, и

удаленному наблюдателю ее свечение будет казаться тусклым и более красным.

В конце концов, когда в ходе сжатия радиус звезды достигнет некоторого

критического значения, гравитационное поле у ее поверхности станет очень

сильным, и тогда световые конусы настолько повернутся внутрь, что свет не

сможет больше выйти наружу. По теории относительности ничто не может

двигаться быстрее света; а раз свет не может выйти наружу, то и никакой

другой объект не сможет выйти, т. е. все будет втягиваться назад

гравитационным полем. Это значит, что существует некое множество событий,

т. е. некая область пространства-времени, из которой невозможно выйти

наружу и достичь удаленного наблюдателя. Такая область называется сейчас

черной дырой. Границу черной дыры называют горизонтом событий. Она

совпадает с путями тех световых лучей, которые первыми из всех теряют

возможность выйти за пределы черной дыры.

Чтобы понять, что вы увидели бы, если бы наблюдали за образованием черной

дыры при коллапсе звезды, надо вспомнить, что в теории относительности

отсутствует абсолютное время и у каждого наблюдателя своя мера времени. Из-

за того, что звезда имеет гравитационное поле, для наблюдателя на звезде

время будет не таким, как для удаленного наблюдателя. Предположим, что

какой-нибудь отважный астронавт находится на поверхности коллапсирующей

звезды и коллапсирует внутрь вместе с ней. Пусть он каждую секунду по своим

часам посылает сигналы на космический корабль, обращающийся по орбите

вокруг звезды. В какой-то момент времени по его часам, скажем в 11:00,

звезда сожмется до радиуса ниже критического, при котором гравитационное

поле становится насколько сильным, что ничто не может выйти наружу, и тогда

сигналы этого смельчака больше не попадут на космический корабль. При

приближении времени к 11:00 интервалы между очередными сигналами, которые

астронавт посылает своим спутникам на космический корабль, будут

удлиняться, но до 10:59:59 этот эффект будет невелик. Между сигналами,

которые астронавт по своим часам пошлёт в 10:59:58 и 10:59:59, на

космическом корабле пройдет чуть больше секунды, но сигнала, посланного

астронавтом в 11:00, им придется ждать вечно. Световые волны, испущенные с

поверхности звезды между 10:59:59 и 11:00 по часам астронавта, будут, с

точки зрения пассажира космического корабля, размазаны по бесконечному

периоду времени. Временной интервал между двумя волнами, приходящими друг

за другом на корабль, будет все время увеличиваться, и поэтому излучаемый

звездой свет будет непрерывно ослабевать и казаться все более красным. В

конце концов звезда станет такой тусклой, что ее больше не увидят с борта

космического корабля: от нее останется лишь черная дыра в пространстве. При

этом на корабль будет по-прежнему действовать гравитационное притяжение

звезды, так что он продолжит свое движение по орбите вокруг черной дыры.

Но этот сценарий не совсем реалистичен по следующей причине. При удалении

от звезды ее гравитационное притяжение ослабевает, а поэтому ноги нашего

отважного астронавта всегда будут испытывать более сильное гравитационное

воздействие, чем голова. Разница в величине сил приведет к тому, что

астронавт либо окажется вытянутым, как спагетти, либо разорвется на части

еще до того, как размеры звезды сократятся до критического радиуса, когда

возникает горизонт событий! Но мы считаем, что во Вселенной существуют

гораздо большие объекты, например центральные области галактик, которые

тоже могут превращаться в черные дыры из-за гравитационного коллапса.

Тогда, находясь на одном из таких объектов, астронавт не был бы разорван на

части еще до образования черной дыры. На самом деле он бы не почувствовал

ничего особенного, когда радиус звезды достиг бы критического значения, и

вполне мог бы пройти, не заметив, точку, за которой начинается область,

откуда нельзя вернуться назад. Но всего через несколько часов, когда эта

область начала бы коллапсировать, разница гравитационных сил, действующих

на ноги и на голову, возросла бы так сильно, что его опять разорвало бы на

части.

В работе, которую мы с Роджером Пенроузом выполнили в период с 1965 по

1970 г., было показано, что, согласно общей теории относительности, в

черной дыре должна быть сингулярность, в которой плотность и кривизна

пространства-времени бесконечны. Ситуация напоминает большой взрыв в момент

начала отсчета времени с той только разницей, что это означало бы конец

времени для астронавта и для коллапсирующего тела. В этой сингулярной точке

нарушались бы законы науки, а мы потеряли бы способность предсказывать

будущее. Но эта потеря не коснулась бы ни одного наблюдателя, находящегося

вне черной дыры, потому что до него не дошел бы ни световой, ни какой-

нибудь другой сигнал, вышедший из сингулярности. Под влиянием этого

удивительного факта Роджер Пенроуз выдвинул «гипотезу космической цензуры»,

которую можно так сформулировать: «Бог не терпит голой сингулярности».

Другими словами, сингулярности, возникшие в результате гравитационного

коллапса, появляются лишь в местах вроде черных дыр, где горизонт событий

надежно укрывает их от взглядов извне. Строго говоря, это гипотеза слабой

космической цензуры (как ее и называют сейчас): благодаря ей наблюдатели,

находящиеся за пределами черной дыры, защищены от последствий того, что в

сингулярности теряется способность предсказывать будущее, но эта гипотеза

ничего не дает для спасения несчастного астронавта, упавшего в черную дыру.

Существуют некоторые решения уравнений общей теории относительности,

которые позволяют астронавту увидеть голую сингулярность; он может

увернуться от сингулярности и, пролетев через «кротовую нору», выйти в

другой области Вселенной. Такой вариант предоставил бы широкие возможности

для путешествия в пространстве и времени, но, к сожалению, все эти решения,

по-видимому, сильно нестабильны. Малейшее возмущение, например присутствие

астронавта, могло бы так изменить решения, что астронавт не увидел бы

сингулярность до самого столкновения с ней, когда его существованию пришел

бы конец. Другими словами, сингулярность находилась бы всегда в его будущем

и никогда в прошлом. Сильная формулировка гипотезы космической цензуры

такова: сингулярности реалистического решения должны быть всегда либо

целиком в будущем (как в случае гравитационного коллапса), либо целиком в

прошлом (как в случае большого взрыва). Очень хочется надеяться, что

гипотеза космической цензуры выполняется в той или иной формулировке,

потому что иначе вблизи голых сингулярностей имелась бы возможность

попадать в прошлое. Это было бы прекрасно для писателей-фантастов, но

означало бы, что никогда нельзя быть уверенным в своей безопасности: кто-то

может войти в прошлое и лишить жизни кого-нибудь из ваших родителей еще до

того, как они успели дать жизнь вам!

Горизонт событий, ограничивающий ту область пространства-времени, из

которой невозможно выбраться наружу, подобен некой полупроницаемой

мембране, окружающей черную дыру: объекты вроде неосторожного астронавта

могут упасть в черную дыру через горизонт событий, но никакие объекты не

могут выбраться из нее через горизонт событий обратно. (Вспомните, что

горизонт событий — это путь, по которому в пространстве-времени

распространяется свет, когда он стремится выйти из черной дыры, а быстрее

света не может двигаться ничто.) О горизонте событий можно сказать так, как

сказано у поэта Данте о входе в Ад: «Оставь надежду всяк, сюда входящий».

Все и вся, провалившееся за горизонт событий, вскоре попадет в область

бесконечной плотности, где время кончается.

Общая теория относительности предсказывает, что при движении тяжелых

объектов должны излучаться гравитационные волны, которые представляют собой

пульсации кривизны пространства, распространяющиеся со скоростью света.

Излучаемые при любом движении гравитационные волны будут уносить энергию

системы. (Это напоминает поведение брошенного в воду поплавка, который

сначала то уходит под воду, то выныривает на поверхность, но, поскольку

волны уносят его энергию, в конце концов застывает в неподвижном

стационарном состоянии.) Например, при обращении Земли вокруг Солнца

возникают гравитационные волны и Земля теряет свою энергию. Потеря энергии

будет влиять на орбиту Земли, и Земля начнет постепенно приближаться к

Солнцу. В конце концов они войдут в контакт, и Земля, перестав двигаться

относительно Солнца, окажется в стационарном состоянии. При вращении Земли

вокруг Солнца теряемая мощность очень мала — примерно такова, какую

потребляет небольшой электрокипятильник. Это означает, что Земля упадет на

Солнце примерно через тысячу миллионов миллионов миллионов миллионов лет, а

потому прямо сейчас беспокоиться не о чем! Изменения орбиты Земли

происходят слишком медленно для наблюдения, но за последние несколько лет в

точности такой же эффект наблюдался в системе PSR 1913+16. (PSR означает

«пульсар» — особая разновидность нейтронной звезды, которая излучает

периодические импульсы радиоволн.) Это система двух нейтронных звезд,

вращающихся одна вокруг другой; потери энергии на гравитационное излучение

приводят к их сближению по спирали.

Когда во время гравитационного коллапса звезды образуется черная дыра,

все движения звезды должны сильно ускориться, и поэтому потери энергии тоже

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7