Как люди убедились, что черные дыры реальны

Вокруг светаНаука

Познание тьмы

Текст Анатолий Глянцев

Тот поразительный факт, что черные дыры действительно существуют, открывался ученым на протяжении столетия, а окончательно широкую публику смогла убедить лишь нобелевская премия, присужденная полгода назад за их открытие. Разобраться в деталях этого удивительного научного квеста нам помог выдающийся российский космолог академик Алексей Старобинский.

Британский физик и математик, нобелевский лауреат прошлого года Роджер Пенроуз изобрел способ, как получить пользу от черной дыры. Если черная дыра вращается, и если бросить камень особым образом, по касательной, и если он развалится вблизи дыры на два куска, то одна из частей вернется к вам с большей энергией, чем весь камень обладал до этого. Если черная дыра удачная, таким способом некая смекалистая сверхцивилизация смогла бы извлечь в виде энергии больше четверти ее массы. Когда человечество доберется до центральной черной дыры нашей Галактики, оно сможет таким способом обеспечить себя энергией на квадриллион квадриллионов лет (если, конечно, его энергетические потребности останутся на нынешнем скромном уровне).

Почему мы начали рассказ с этого странного факта? Потому что это один из немногих ответов на вопрос «Какая нам польза от этих дыр?!». До ближайшей к нам дыры не меньше тысячи световых лет, и в ближайшее время человечество вряд ли сможет ставить над ними подобные опыты.

Однако при этом черные дыры завораживают воображение, как, наверное, ни один объект на Земле или в космосе. Область пространства, откуда нет возврата. Место, где пространственные координаты превращаются во временные (причем после этого времени остается не так уж много: внутри дыры солнечной массы от пересечения горизонта событий до встречи с сингулярностью у вас будет в запасе одна миллионная секунды, и любые ваши телодвижения лишь ускорят эту встречу). Сгустки энтропии. Дыры в реальности.

Впрочем, из современной физики следует немало подобных завораживающих воображение конструкций. Кротовые норы в пространстве-времени, белые дыры, машины времени на основе космических струн, телепортация макрообъектов – все это, судя по всему, не противоречит уравнениям, выведенным теоретиками. Однако тут есть тонкость: одно дело не противоречить уравнениям, совсем другое – быть реальной частью истории Вселенной. На рубеже ХХ– XXI веков черные дыры прошли этот главный экзамен: дыры в мироздании не просто «могут быть» – они реальны.

Нет возврата

Термин «черная дыра» появился только в 1969 году с легкой руки физика Джона Уилера. Но о телах, притяжение которых не может преодолеть свет, еще в XVIII веке задумались Джон Мичелл и Пьер Симон Лаплас.

К тому времени физики уже измерили скорость света, массу Земли и Солнца. Знакомо им было и понятие второй космической скорости – с такой скоростью надо стартовать, чтобы улететь от небесного тела и не стать его спутником. Чем небесное тело массивнее и компактнее, тем сложнее от него улететь и тем больше вторая космическая.

Мичелл и Лаплас решили занимательную задачу: каким должен быть радиус Земли или Солнца (при их настоящей массе), чтобы скорость освобождения для них превысила скорость света. Тогда, резонно считали классики, частицы света смогут лишь летать по замкнутым орбитам, не покидая их. Для удаленного наблюдателя такая звезда будет невидимой, почему Мичелл и назвал ее темной звездой.

Вряд ли теоретикам XVIII века могло присниться в страшном сне, что скорость света нельзя складывать со скоростью его источника или что тяготение влияет на геометрию пространства и на течение времени. Но даже не зная всего этого, они получили верную формулу. Чтобы Солнце стало гравитационной могилой, не отпускающей от себя свет, его требуется сжать до радиуса в три километра, а Землю – до сантиметра.

Это казалось шуткой. Какая сила может сжать планету до размеров коробка спичек? Ученые мужи с достоинством поправили парики и забыли о своих темных звездах более чем на столетие.

Карл Шварцшильд
получил решение
уравнений
Эйнштейна,
когда служил
артиллерийским
офицером
на Восточном
фронте в годы
Первой
мировой войны

Вторым рождением черные дыры обязаны общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая, в сущности, упразднила те предпосылки, на которых строили свои рассуждения Лаплас и Мичелл. Однако в 1915 году Карл Шварцшильд, решая уравнения ОТО, выяснил любопытную вещь: массивное и компактное тело сворачивает вокруг себя пространство-время в компактный кокон. Шварцшильд вычислил радиус этого кокона (сейчас его называют гравитационным радиусом): по удивительному совпадению он оказался равным предельному радиусу темной звезды.

Поясняет Алексей Старобинский: «По существу, Шварцшильд нашел центрально-симметричное решение уравнений ОТО, и оказалось, что оно протягивается от бесконечности не до нуля, а до гравитационного радиуса. Из-за случайного совпадения коэффициентов этот радиус оказался таким, на котором вторая космическая скорость равна скорости света. Ничего фундаментального в этом совпадении нет, но оно соответствует наивной точке зрения, что свет не может уйти из-под горизонта событий черной дыры просто потому, что его скорости для этого недостаточно. Настоящий смысл решения Шварцшильда оставался неясным еще лет 50, и никто над ним серьезно не думал».

На самом деле, отличие черной дыры от темной звезды, да и любого другого классического объекта, огромно. Чтобы забросить с Земли камень в открытый космос, ему действительно надо придать вторую космическую скорость, но вам лично никто не запретит удаляться в космос – от Земли или от темной звезды Мичелла – с любой скоростью, хоть бы и 5 километров в час. Был бы двигатель да запас топлива. Не таково решение Шварцшильда: пересечь горизонт можно только снаружи внутрь. И не потому, что выбраться силенок не хватит, а просто потому, что после этого момента никакой «наружи» для вас больше нет – она так же недостижима, как прошлое.

Мы не знаем, как Шварцшильд представлял себе место во Вселенной, откуда нет возврата. Зато мы знаем, что свою статью он писал зимой 1915–1916 годов во фронтовом госпитале в России, смертельно больной неизлечимой болезнью. По нашему мнению, не многим дано испытать в жизни опыт, более близкий к погружению в черную дыру.

Даже на Эйнштейна статья Шварцшильда поначалу не произвела впечатления. Позже он отдавал должное автору за его математический дар, но ставил под сомнение приложимость выводов к практике: «Побудительной причиной его неиссякаемого творчества, по-видимому, в гораздо большей степени можно считать радость художника, открывающего тонкую связь математических понятий, чем стремление к познанию скрытых зависимостей в природе». Черные дыры всем казались лишь игрой ума. Ну в самом деле, откуда возьмется в мире объект такой чудовищной плотности?

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Два герцога: Ришельё против Бэкингема Два герцога: Ришельё против Бэкингема

Противостояние Англии и Франции в XVII веке — это ещё и противостояние министров

Дилетант
Подарок на День святого Валентина любимой девушке: 8 свежих идей от Playboy Подарок на День святого Валентина любимой девушке: 8 свежих идей от Playboy

Подборка оригинальных и креативных подарков для возлюбленной

Playboy
Строитель единой Руси? Строитель единой Руси?

Деспотическая вертикаль Батыя на века осталась в управлении Московского царства

Дилетант
Правила жизни Бенисио Дель Торо Правила жизни Бенисио Дель Торо

Правила жизни актера Бенисио Дель Торо

Esquire
Драма 1921 года Драма 1921 года

Страшные подробности царь-голода в Советской России 1921 года

Дилетант
Почему безналичные чаевые в России — миллиардный рынок, которому мешают стереотипы Почему безналичные чаевые в России — миллиардный рынок, которому мешают стереотипы

Что интересного в сервисах для безналичных чаевых

VC.RU
Предельный Туле Предельный Туле

Край мира: где его искать

Вокруг света
«Цена от балды!»: почему в Сингапуре самые дорогие в мире автомобили «Цена от балды!»: почему в Сингапуре самые дорогие в мире автомобили

Что скажешь про хэтчбек «гольф»-класса за 100 тысяч евро?..

Maxim
Евпатий Коловрат: сотворение героя Евпатий Коловрат: сотворение героя

Существовал ли Евпатий Коловрат

Дилетант
Рядом со Стоунхенджем нашли неолитические могилы и мастерскую бронзового века Рядом со Стоунхенджем нашли неолитические могилы и мастерскую бронзового века

В коллекцию находок вошли предмет неизвестного назначения и разная керамика

N+1
Неизвестные X и Y Неизвестные X и Y

Как и, главное, зачем природа разделила обитателей земли на юношей и девушек

Вокруг света
Тянем-подтянем Тянем-подтянем

Чтобы помолодеть на 7 лет за одну процедуру, нужен SMAS-лифтинг

Лиза
Коперникианская революция: 9 мифов об отце современной астрономии Коперникианская революция: 9 мифов об отце современной астрономии

Что мы знаем о Николае Копернике?

Вокруг света
7 тревожных сигналов для пары, которые мы принимаем за норму 7 тревожных сигналов для пары, которые мы принимаем за норму

Паттерны, которые не приносят удовольствия и разрушают отношения

Psychologies
Здоровый настрой: 7 надежных клиник Здоровый настрой: 7 надежных клиник

Есть заведения, в которых лечиться не опасно

Вокруг света
Как полюбить зиму вопреки всему и насладиться последним ее месяцем Как полюбить зиму вопреки всему и насладиться последним ее месяцем

Зима — это в том числе и солнечные дни, и красота заснувшей природы, и спорт

Psychologies
Деревянные выборы Деревянные выборы

Самые интересные деревья мира

Вокруг света
Ма, ну сколько можно! Ма, ну сколько можно!

Мамочка, хватит уже критиковать подростка – дай ему возможность ошибаться

Лиза
Отсечь и отпустить Отсечь и отпустить

Принципы жизни Бурятии

Вокруг света
Эффектный конский хвост: 10 крутых идей для самой удобной прически Эффектный конский хвост: 10 крутых идей для самой удобной прически

Если обычный конский хвост — это слишком скучно, то попробуй наши варианты

Cosmopolitan
Остров сокровищ Остров сокровищ

Алмазные старатели Борнео

Вокруг света
Как тиктокер Костя Киевский попал под статью за хулиганство на протестах и набрал 800 000 подписчиков Как тиктокер Костя Киевский попал под статью за хулиганство на протестах и набрал 800 000 подписчиков

Что грозит Косте Киевскому после ареста и как складывалась карьера тиктокера?

Forbes
Английское убийство Английское убийство

Смерть инакомыслящего: по заказу монарха или по недоразумению?

Вокруг света
«Зеленый» разворот: опасна ли политика Байдена для нефтегазового бизнеса «Зеленый» разворот: опасна ли политика Байдена для нефтегазового бизнеса

Новый президент Америки провозгласил курс на «зеленую» энергетику

Forbes
Мельницы богов Мельницы богов

Как технологии обработки персональных данных перевернули мир

Вокруг света
«Дом стоит, свет горит. Я окей»: каким получился новый альбом Земфиры «Дом стоит, свет горит. Я окей»: каким получился новый альбом Земфиры

Рецензия на новый альбом Земфиры «бордерлайн»

РБК
Поля морей Поля морей

Новые технологии сельского хозяйства: фермы в океане

Популярная механика
Звезды-полиглоты: 5 знаменитостей, которые говорят на нескольких языках Звезды-полиглоты: 5 знаменитостей, которые говорят на нескольких языках

Что и на каких языках говорят знаменитости

Cosmopolitan
Оттепель: поколение гениев Оттепель: поколение гениев

Хрущёвская либерализация подарила миру целую коллекцию шедевров

Дилетант
Из бутадиена сделали потенциально перерабатываемый пластик Из бутадиена сделали потенциально перерабатываемый пластик

Пока удалось переработать только пять процентов, но считают, что это не предел

N+1
Открыть в приложении