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

Предельный Туле Предельный Туле

Край мира: где его искать

Вокруг света
Бренды образования Бренды образования

Как попасть в престижный университет и стоит ли туда стремиться?

Forbes
Исчезающая пища Исчезающая пища

К середине XXI века бананы и кофе снова могут оказаться деликатесами

Вокруг света
9 лучших игр для двоих: свежие идеи для домашнего свидания 9 лучших игр для двоих: свежие идеи для домашнего свидания

Хватит залипать в сериалы!

Playboy
Великий комбинатор Великий комбинатор

Знаменитый аферист времен великой депрессии Виктор Люстиг

Вокруг света
Простор для творчества Простор для творчества

Кажется, что выполнить рекомендуемую «норму» по овощам — невозможно

Худеем правильно
Евпатий Коловрат: сотворение героя Евпатий Коловрат: сотворение героя

Существовал ли Евпатий Коловрат

Дилетант
Мария Аронова. Бабье счастье Мария Аронова. Бабье счастье

Актриса Мария Аронова о семье, слабостях и страхе одиночества

Караван историй
Молниеносный Молниеносный

Французский десерт – это особый раздел гастрономии

Вокруг света
«Мы забросили русское искусство!» Что Мягков думал о современном российском кино «Мы забросили русское искусство!» Что Мягков думал о современном российском кино

Андрей Мягков, его отношение к кино, железные принципы и большая любовь

Cosmopolitan
Английское убийство Английское убийство

Смерть инакомыслящего: по заказу монарха или по недоразумению?

Вокруг света
Приз за подписку: как устроены и чем оборачиваются розыгрыши в Instagram Приз за подписку: как устроены и чем оборачиваются розыгрыши в Instagram

Как устроены гивы в инстаграме и почему вокруг них так много скандалов?

РБК
За черным пнем За черным пнем

Как живут люди и овцы в австралийской пустоши

Вокруг света
От мини до гендерной нейтральности и авангарда: как эволюционировал стиль Шарлотты Рэмплинг От мини до гендерной нейтральности и авангарда: как эволюционировал стиль Шарлотты Рэмплинг

Стиль актрисы Шарлотты Рэмплинг всегда был прогрессивным для своего времени

Esquire
Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие

Двадцать разных способов мастурбации на любой вкус и цвет

Cosmopolitan
Что посмотреть и попробовать в Туве. Гид «РБК Стиль» Что посмотреть и попробовать в Туве. Гид «РБК Стиль»

Гид по самой загадочной республике России, где есть ларьки и нет супермаркетов

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

Что мы знаем о Николае Копернике?

Вокруг света
Сомнения батьки: ждет ли белорусов настоящий транзит власти Сомнения батьки: ждет ли белорусов настоящий транзит власти

Когда уйдет Александр Лукашенко

Forbes
Отсечь и отпустить Отсечь и отпустить

Принципы жизни Бурятии

Вокруг света
Паруса в виде колонн: эффект Магнуса Паруса в виде колонн: эффект Магнуса

Странные мачты-паруса на яхте

Популярная механика
Остров сокровищ Остров сокровищ

Алмазные старатели Борнео

Вокруг света
Поднимите мне веки Поднимите мне веки

Рассказываем, как скорректировать веки красиво и безопасно

Собака.ru
Черное без черного Черное без черного

Парадоксы Ренуара и его «Девушек в черном»

Вокруг света
Учёные рассчитали, сколько шагов в день нужно проходить на самом деле Учёные рассчитали, сколько шагов в день нужно проходить на самом деле

Сколько шагов в день достаточно, чтобы снизить риск возникновения заболеваний

Inc.
Магнитная. Тайны космических всплесков Магнитная. Тайны космических всплесков

Магнетары — нейтронные звезды, помогающие раскрыть загадки космоса

Наука и жизнь
Пикап по-самурайски. Как знакомиться с девушками в японских ресторанах Пикап по-самурайски. Как знакомиться с девушками в японских ресторанах

Почему нужно знакомиться с девушкой в японском ресторане?

Maxim
Щит от гиперзвука Щит от гиперзвука

Они быстро настигнут врага в любой точке мира

Популярная механика
«Макаров»: плохой хороший пистолет «Макаров»: плохой хороший пистолет

Пистолет Макарова — это такая же легенда, как автомат Калашникова

Maxim
Гибель без крови Гибель без крови

Нехватка продовольствия не раз становилась причиной массовой гибели людей

Дилетант
Аня, два ее мужа и один котенок Аня, два ее мужа и один котенок

За очередным поворотом судьбы может оказаться то, что давно перестала искать

Psychologies
Открыть в приложении