Маленькая книга о черных дырах

Стивен Габсер
Маленькая книга о черных дырах

Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив «Траектория» (при финансовой поддержке Н. В. Каторжнова).

Права на издание получены по соглашению с Princeton University Press. Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

© 2017 by Steven S. Gubser and Frans Pretorius

© Перевод на русский язык ООО Издательство «Питер», 2019

© Издание на русском языке, оформление ООО Издательство «Питер», 2019

© Серия «New Science», 2019

© Масленников К. Л., пер. с англ. яз., 2018

© Стивен Габсер, 2019

* * *

Предисловие

Это произошло 14 сентября 2015 года, почти ровно через 100 лет после того, как Альберт Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности. Два огромных приемника – один в штате Луизиана, другой в штате Вашингтон – проходили последнее тестирование перед научным экспериментом, результатом которого должна была стать регистрация гравитационных волн. Совершенно неожиданно записывающие устройства приемников зарегистрировали необычный сигнал. Если бы этот сигнал можно было услышать, он прозвучал бы как слабый глуховатый стук.

Спустя пять месяцев, после тщательного исследования данных, зафиксированных в тот день приемниками, сотрудники лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) опубликовали свое открытие. Оказалось, что зарегистрированный во время испытаний импульс и был именно одним из тех сигналов, ради приема которых была построена гигантская установка и который физики так надеялись принять в результате наблюдений, – далеким эхом слияния двух черных дыр в одну, более массивную. Мировое физическое сообщество было взволновано. Представьте, если бы мы всю жизнь жили, не воспринимая красного цвета, и вдруг пелена упала с наших глаз и мы в первый раз увидели розу.

И какую розу! Количественные оценки, выполненные по данным LIGO, показали, что слабый «стук», записанный приемниками, был порожден происшедшим более миллиарда лет назад слиянием двух черных дыр, каждая из которых была раз в тридцать массивнее Солнца. Во время столкновения в форме гравитационного излучения выделилась энергия, соответствующая примерно трем солнечным массам.

И черные дыры, и гравитационные волны давно уже были предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна. На регистрацию именно таких гравитационных волн, какие теория предсказывает в случае слияния черных дыр, был настроен детектор LIGO, и именно им соответствовал сигнал, записанный 14 сентября. Но то, что произошло, было не просто доказательством правильности долго вынашиваемых теоретических идей. Первая регистрация гравитационных волн открыла эру гравитационно-волновой астрономии. Детектору LIGO посчастливилось «увидеть» событие, о котором физики грезили десятилетиями. Теперь мы будем исследовать открывшийся нам чудесный сад гравитационно-волновых явлений.

Большие события в науке редко бывают однозначными, поэтому сначала следует спросить: а насколько мы убеждены, что группа LIGO правильно истолковала принятый слабый импульс как дальнее эхо слияния черных дыр, случившегося миллиард лет назад? Если говорить коротко, то ответ будет: «На сто процентов». Сходится все. Сигнал зарегистрировали оба детектора. Поблизости не происходило ничего такого, что могло бы позволить объяснить его как-то иначе. Он был достаточно сильным, чтобы новый детектор LIGO смог его почувствовать, и при этом слишком слабым, чтобы он мог наблюдаться прежней аппаратурой. Гипотеза слияния черных дыр, случившегося миллиард лет назад, не противоречит общим представлениям астрофизики и космологии. И главное: вскоре подтвердились надежды на то, что и другие такие же события не заставят себя ждать. На рождество 2015 года LIGO объявила о регистрации второго сигнала, а 4 января 2017 года – третьего. В целом эти новые события похожи на первое, и это укрепляет нашу уверенность в том, что LIGO действительно наблюдает слияния черных дыр. В общем, мы полны уверенности, что находимся на пороге новой эры наблюдательной астрофизики – эры, в которой черные дыры будут играть первую скрипку.

В этой книге мы описываем черные дыры и как астрофизические объекты, существование которых уже почти не вызывает сомнений, и как лаборатории для теоретиков, где последние могут отточить свое понимание не только тяготения, но также и квантовой механики, и теплофизики. В главах 1 и 2 мы поговорим о специальной и общей теории относительности. В последующих главах мы продолжим наше изложение: обсудим шварцшильдовские черные дыры, вращающиеся черные дыры, столкновения черных дыр, гравитационное излучение, излучение Хокинга и потерю информации в черной дыре.

Что же такое черная дыра? В сущности, это область пространства-времени, которая стягивает в себя вещество и из которой невозможно выбраться. Сначала мы сосредоточим обсуждение на самых простых черных дырах, называемых шварцшильдовскими в честь их первооткрывателя Карла Шварцшильда. Есть старая поговорка: «Чем выше поднимаешься, тем больнее падать». Внутри шварцшильдовской черной дыры действует более сильное утверждение: подниматься некуда, можно только падать. Мы, правда, не вполне уверены, куда мы в конце концов упадем. Самая простая гипотеза, соответствующая математическим уравнениям, которые описывают шварцшильдовскую черную дыру, заключается в том, что в ее центре лежит чудовищно плотное, бесконечно сжатое материальное ядро. Столкновение с ним означает конец всего, даже времени. Проверить эту гипотезу довольно трудно, так как ни один наблюдатель, который рискнул бы отправиться в черную дыру, не мог бы даже сообщить нам о том, что он видит.

Но прежде, чем мы продолжим исследовать черные дыры Шварцшильда более глубоко, давайте сделаем шаг назад и рассмотрим тяготение в более слабых формах. Например, если мы запустим с поверхности Земли объект с достаточно большой вертикальной скоростью, он сможет двигаться вверх вечно. Минимальная скорость, для которой это верно, называется скоростью убегания, или второй космической скоростью, и если пренебречь трением о воздух, она составляет примерно 11,2 километра в секунду. Для сравнения вспомним, что человек вряд ли способен бросить мяч со скоростью большей, чем 45 метров в секунду, а это меньше, чем полпроцента скорости убегания. Скорость пули, вылетающей из боевого ружья, примерно 1,2 километра в секунду, что немного выше 10 % скорости убегания. Так что, говоря: «Чем выше поднимаешься, тем больнее падать», мы обычно имеем в виду, что, швыряя объект вверх обычными средствами, притяжение Земли мы вряд ли преодолеем.

Современное средство, способное бесповоротно победить земное притяжение и отправиться в космическое пространство, – это космическая ракета. Чтобы вырваться из объятий тяготения Земли, ракете не обязательно лететь со скоростью выше 11,2 километра в секунду (хотя некоторые из них на это способны). Ракета может лететь медленнее, но должна нести достаточно горючего, чтобы подняться до такой высоты, на которой гравитационное поле Земли существенно слабее, а скорость убегания, соответственно, меньше. Другими словами, если ракета должна полностью выйти за пределы действия гравитационного поля Земли, то в точке, где ее двигатели перестают работать, она должна иметь скорость большую, чем скорость убегания.

Интересно, а что, если бы Земля была гораздо плотнее? Тогда скорость убегания с ее поверхности была бы больше, ведь гравитационное поле Земли было бы гораздо сильнее. Если говорить об устойчивых формах вещества, то во Вселенной самая большая плотность его встречается в нейтронных звездах. Примерно полторы массы Солнца помещается внутри сферы радиусом всего в 12 километров, хотя радиусы нейтронных звезд пока измерены с не очень высокой точностью. Обычное вещество будет полностью расплющено по поверхности такой звезды ее чудовищной гравитационной силой, примерно в 100 миллиардов раз превышающей силу тяжести на Земле. При радиусе в 12 километров скорость убегания составит примерно 60 % скорости света. Но не будем останавливаться – представим себе, что нам удалось сжать нейтронную звезду еще сильнее. Если мы доведем ее радиус до 4,5 километра, скорость убегания достигнет скорости света. Продолжим сжатие, и характер поля тяготения полностью изменится. Никакая форма материи уже не сможет преодолеть силу гравитации. Двигаться во времени – будет означать неизбежно и бесповоротно стремиться внутрь сферы вдоль ее радиуса. Вырваться будет невозможно. Это и будет черная дыра.

Рис. 0.1. Схематическое представление геометрии черной дыры. Вдалеке от горизонта пространство-время плоское. С приближением к горизонту оно становится все более искривленным, но при этом остается независимым от времени, или статическим. Однако после пересечения горизонта пространство-время становится динамическим: с течением времени два из пространственных измерений (имеющих сферическую геометрию) сжимаются, а третье (не показанное на рисунке) удлиняется, и это происходит до тех пор, пока все пространство не вытянется и не сожмется в бесконечно длинную и тонкую сингулярность.


Главная цель первых глав этой книги – уточнить, что же такое «черная дыра». Здесь ключевой будет идея «горизонта событий», который можно назвать поверхностью черной дыры. В геометрическом смысле эта поверхность является двумерной областью в трехмерном пространстве. Например, в простейшем случае шварцшильдовской черной дыры ее горизонт представляет собой идеальную сферу, радиус которой называют радиусом Шварцшильда. Но у горизонта черной дыры есть одна странность (по крайней мере, в привычном для нас смысле): он не является поверхностью чего-то конкретного. Пролетая сквозь него, вы не заметите ничего особенного. Вот только если вы захотите повернуть обратно и выйти наружу, ничего не получится. Неважно, какие усилия вы будете для этого прикладывать – пользоваться ракетой, лазерной пушкой или чем-нибудь еще. Неважно, какую помощь будут пытаться вам оказать снаружи. Снова оказаться на внешней стороне горизонта или хотя бы послать наружу сигнал SOS невозможно. Образно говоря, на горизонте черной дыры вы будто на кромке водопада, с которой пространство-время мощным потоком неотвратимо низвергается в сингулярность – а в ней разрушается все.

 

Черные дыры – это реальные объекты, а не просто мысленный эксперимент! Считается, что во Вселенной они возникают по крайней мере в двух ситуациях. По поводу первой из них вспомним, что мы чуть выше узнали о нейтронных звездах. Когда в недрах мас сивных звезд заканчивается ядерное горючее, они коллапсируют – обрушиваются внутрь самих себя. В процессе коллапса большая часть вещества звезды выбрасывается в окружающее пространство в результате взрыва, называемого вспышкой сверхновой. (Кстати, обычно считается, что именно взрывы сверхновых играют главную роль в распространении металлов и других сравнительно тяжелых элементов по всей Вселенной.) Но на месте взрыва все же может остаться слишком много вещества, чтобы из него могла образоваться устойчивая нейтронная звезда: сколлапсировав, это оставшееся вещество образует черную дыру массой по крайней мере в несколько масс Солнца. Черные дыры, слияния которых наблюдались детектором LIGO, еще массивнее, но все равно укладываются в модель звездного коллапса.

А вот черные дыры в центрах галактик, по-видимому, гораздо больше. Подробности процесса образования таких черных дыр таинственны – возможно, они связаны с существованием темного вещества, с физикой очень ранней Вселенной или и с тем и с другим. Черные дыры в центрах галактик имеют невероятно большие массы: от тысяч до миллиардов масс Солнца. Одно такое чудовище, по-видимому, находится в центре Млечного Пути: в нем около 4 миллионов солнечных масс. Мы могли бы спросить: как можно быть уверенными в присутствии черной дыры, если никакой сигнал не в состоянии выскользнуть из-под ее горизонта? Ответ состоит в том, что гравитационное притяжение черной дыры воздействует на окружающие ее объекты. Отслеживая движения звезд в окрестности центра Млечного Пути, мы убеждаемся в том, что там находится какой-то очень массивный и очень плотный объект. Он, конечно, не обязан быть именно черной дырой, но можно точно сказать, что если это не черная дыра, то что-то гораздо более странное. Иными словами, черная дыра в этой ситуации является самым простым из всех возможных объектов, и поэтому все сходятся на том, что в центрах многих, если не большинства, галактик действительно находятся сверхмассивные черные дыры.

Черные дыры исключительно удобны с точки зрения теории, так как математически они гораздо проще большинства астрофизических объектов, например звезд. Энергию звезд обеспечивают ядерные реакции в их недрах. Вещество внутри звезд подвергается гигантскому давлению и участвует в гидродинамических движениях, которые мы можем промоделировать численно, но понимаем еще далеко не полностью. Динамика поверхности звезды, вероятно, столь же сложна, как и изменчивая погода на Земле. По сравнению со всем этим черная дыра отличается великолепной простотой. В отсутствие другого вещества черные дыры должны принимать одну из нескольких определенных форм, которые в явном виде описываются уравнениями общей теории относительности Эйнштейна в терминах неевклидовой геометрии. Конечно, вещество, падающее в черную дыру, усложняет картину, но и при этих условиях достигнуто вполне удовлетворительное понимание того, что будет происходить с обычным веществом. Существует даже подробное математическое описание того, как одна черная дыра сталкивается с другой. В главе 6 этой книги подробно объясняется, как строится это описание и что оно означает для интерпретации таких экспериментов, как наблюдения LIGO.

Странности начинаются, когда выясняется, что черные дыры в действительности не такие уж черные. Методами квантовой механики Стивен Хокинг доказал, что черные дыры имеют определенную температуру, связанную с их поверхностным тяготением. Фактически появилась целая научная дисциплина, известная как термодинамика черных дыр; в ней их геометрические свойства ставятся в точное соответствие с характеристиками, описываемыми теорией теплоты, то есть температурой, энергией и энтропией. Существует даже предположение, что внутренние части черных дыр в удаленных областях Вселенной перекрываются, и это помогает объяснить такой квантовый эффект, как запутанность. Мы поговорим об этих проблемах в главе 7.

Черные дыры продолжают привлекать внимание ученых. Астрономы ищут все более точное описание свойств вращающихся черных дыр и поэтому ждут очень многого от сотрудничества с гравитационно-волновыми обсерваториями: есть надежда на основе наблюдений описать катаклизмические события, происходящие при слияниях черных дыр. Гравитационно-волновая астрономия находится в самом начале пути. Усилиями ученых всего мира строится сеть детекторов в Соединенных Штатах (два детектора LIGO: в Хэнфорде, штат Вашингтон, и в Ливингстоне, штат Луизиана), в Европе (Virgo и GEO600), в Японии (KAGRA) и в Индии (LIGO India). Одновременно специалисты в области теории струн изучают черные дыры в многомерных пространствах – не только для измерения квантовых эффектов в тяготении, но и для построения физических аналогий столь разнообразным процессам, как столкновения тяжелых ионов, вязкие жидкости, сверхпроводники. Наконец, существование черных дыр подталкивает нас к поистине странным вопросам: а не могут ли они когда-нибудь стать полезными человеку? Что же в действительности находится внутри них? Как можно представить себе падение в черную дыру? А может быть, мы уже падаем в нее и просто еще не знаем об этом?

Глава 1
Специальная теория относительности

Чтобы понять, что такое черные дыры, нам придется познакомиться с теорией относительности. Эта теория делится на две части: «специальную» и «общую» – их часто сокращенно обозначают СТО и ОТО. Специальную теорию относительности Альберт Эйнштейн предложил в 1905 году: он рассматривал движение объектов друг относительно друга и то, как движение наблюдателя влияет на восприятие им пространства и времени. Главные идеи специальной теории относительности можно сформулировать в рамках очень красивой геометрической концепции, которая называется «пространство-время Минковского».

Позже эта теория стала частью общей теории относительности, в которой центральным встал вопрос о природе тяготения. Общая теория относительности и понадобится нам, если мы хотим понять, что такое черная дыра. Эйнштейн разрабатывал эту теорию много лет и только в конце 1915 года подвел итог своих исследований в статье, главным в которой были так называемые уравнения гравитационного поля, – с тех пор они носят имя их автора. Уравнения Эйнштейна описывают, как искривляется пространство-время Минковского под влиянием тяготения. В результате с их помощью можно описать геометрию шварцшильдовской черной дыры – об этом мы поговорим подробно в главе 3. Из-за того, что в специальной теории относительности тяготение не принимается во внимание или считается настолько слабым, что им можно пренебречь, специальная теория относительности выглядит гораздо проще, чем общая. Именно в рамках специальной теории относительности была выведена формула E = mc², связывающая энергию тела E, его массу m и скорость света c, – одно из самых знаменитых уравнений во всей физической науке, а может, и вообще одна из главных вершин человеческого знания. Применение этой формулы позволило высвободить гигантскую энергию, скрытую в атомных ядрах, – эта энергия используется в атомном оружии. А теперь мы надеемся, что слияние ядер сможет стать для человечества практически неисчерпаемым источником энергии, не загрязняющей к тому же окружающую среду. Формула E = mc²имеет прямое отношение и к физике черных дыр. При первом наблюдавшемся астрономами слиянии черных дыр выделилась энергия, эквивалентная трем массам Солнца, что и стало прямой иллюстрацией эквивалентности массы и энергии. Чтобы представить себе, насколько огромны масштабы этой космической катастрофы, вспомним, что при взрыве атомной бомбы мощностью в 400 килотонн выделяется энергия, эквивалентная массе всего в 19 грамм.

Специальная теория относительности тесно связана с теорией электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла. Первые ростки релятивистского взгляда на пространство и время появились в конце XIX века: тогда были выведены так называемые преобразования Лоренца, которые показывают, как восприятие наблюдателем электромагнитных явлений зависит от характера движения этого наблюдателя. А самое распространенное электромагнитное явление – это свет, который является просто движущейся в пространстве волной связанных друг с другом электрического и магнитного полей. Из теории Максвелла следовало, что у света есть определенная скорость распространения. Теория относительности была основана на идее, что эта скорость постоянна и независима от движения наблюдателя.

В специальной теории относительности движение наблюдателей описывается в терминах «систем отсчета». Чтобы наглядно представить себе роль системы отсчета, вообразим скорый поезд. Если все пассажиры уселись на свои места и багаж аккуратно уложен, все в поезде находится в покое по отношению к стенкам и полу вагона. Но ведь поезд при этом быстро мчится по отношению к Земле. Представим себе, что он движется по прямой с постоянной скоростью. Чтобы вполне точно описать понятие системы отсчета, мы вдобавок должны допустить еще полное отсутствие поля тяготения. То есть вместо поезда, мчащегося с постоянной скоростью по земной поверхности, лучше бы представить себе космическую ракету, летящую в пустом пространстве. Правда, поле силы тяжести Земли достаточно слабое, чтобы для наших целей мы в поезде могли не принимать его во внимание: тогда можно обойтись специальной теорией относительности, не прибегая к общей.

Итак, если мы не будем смотреть в окно, нам трудно будет сказать, с какой скоростью движется поезд. А если допустить, что поезд имеет фантастически мягкую подвеску, рельсовый путь – невообразимо гладкий, а шторы на всех окнах наглухо опущены, будет, пожалуй, невозможно определить, движется ли наш поезд вообще. Поезд представляет собой систему отсчета – в этой системе пассажиры могут естественно определить, движется ли что-нибудь внутри вагона. Но в нашей идеализированной ситуации они не смогут сказать, движется ли сам поезд. Вот если кто-то отправится на прогулку по проходу между креслами, пассажиры, конечно, будут это знать: он же перемещается относительно их системы отсчета! Больше того, любое физическое явление, происходящее внутри поезда, например отскоки от пола мячика или вращение спиннера, будет с точки зрения пассажира происходить всегда одинаково, независимо от того, движется поезд или стоит на месте. Короче говоря, система отсчета – это способ, которым наблюдатель воспринимает связанное с ним пространство и время в состоянии равномерного движения, то есть когда поезд не ускоряет и не замедляет свой ход, и к тому же не поворачивает. Как только что-то из перечисленного произойдет, пассажиры тут же это заметят: например, резкое ускорение вдавит их в спинки кресел, а при торможении их бросит вперед.

Давайте теперь представим себе, что наш поезд, не останавливаясь и даже не замедляя хода, проходит мимо станции. Пассажиры – назовем их Алиса, Алан и Авери – это наблюдатели в движущейся системе отсчета, которую мы назовем системой A. Тем временем их друзья Боб, Бетси и Билл стоят на платформе и их система отсчета, которую мы будем называть системой Б, неподвижна. Чтобы изобразить эти системы графически, будем отмечать положения, измеренные в системе Б, по горизонтальной координатной оси, а измеренное в этой системе время по вертикальной. Теперь нанесем на координатную плоскость траектории наших наблюдателей в пространстве и во времени: получается, что с течением времени наблюдатели в системе Б всегда остаются в одних и тех же положениях (измеренных в этой системе), тогда как наблюдатели из системы А движутся вперед. Получившаяся диаграмма и есть изображение пространства-времени Минковского! Выражение «пространство-время» отражает тот факт, что мы изображаем пространственные и временные координаты на одной и той же диаграмме.

Но можно взглянуть на пространство-время Минковского с другой точки зрения: в соответствии с ней, наблюдателей из системы A можно представить покоящимися, а те, что находятся в системе Б, будут двигаться назад. Мы вернемся к этому чуть позже.

Специальная теория относительности базируется на предположении, что скорость света постоянна. Другими словами, теория исходит из того, что скорость света имеет одно и то же значение, измеряется ли она наблюдателями в поезде или теми, кто стоит на платформе. Если бы это было не так, тогда, измеряя скорость света, наблюдатель мог бы определить, в которой из этих двух систем он находится. А главный физический принцип – принцип относительности – в том и состоит, что законы физики должны быть абсолютно одинаковы в любой системе отсчета и что никакое физическое измерение не может вам подсказать, в какой системе находитесь вы. Так что, согласно этому принципу, мы не можем выбрать какую-то систему отсчета и сказать: «Пока я остаюсь в этой системе, я нахожусь в состоянии покоя. Движение означает переход в другую систему». Мы можем только сказать: «Каждая система отсчета не лучше и не хуже любой другой. Единственное, что можно назвать движением, – это перемещение одного наблюдателя относительно другого». Иначе говоря, состояние движения не абсолютно, а относительно. А значит, неправильно говорить, что система А движется, а система Б покоится. Все, что мы можем сказать, – это что они движутся друг относительно друга. (Хотя, конечно, мысль о том, что система Б покоится, нам кажется более естественной, потому что мы подсознательно всегда рассматриваем движение относительно Земли.)

 

Рис. 1.1. Слева: пространство-время Минковского. Три наблюдателя из системы отсчета Б неподвижны, а три наблюдателя из системы А движутся вперед. Справа: другая перспектива пространства-времени Минковского, в которой наблюдатели из системы Б движутся назад, а наблюдатели из системы А покоятся.


Получается, что наши интуитивные суждения об относительном движении исходят из здравого смысла, и стоит спросить себя: не можем ли мы из этих представлений извлечь какой-нибудь способ объяснения природы пространства и времени? Здесь нам на помощь приходит максвелловская теория электромагнетизма. Ведь из нее следует (кроме всего прочего), что если Алиса вытащит лазерную указку и пошлет лазерный импульс вперед, в сторону, в которую мчится ее поезд, и то же самое сделает Боб, то эти два лазерных луча полетят вперед с одинаковой скоростью.

На первый взгляд, ничего особенного – но только на первый взгляд! Ведь, например, если мы разгоним наш поезд до 99 % скорости света (хотя в Америке, как всем известно, поезда ходят гораздо медленнее), то разве для Боба скорость луча, посланного по ходу поезда Алисой, не окажется равной почти двойной скорости света? Ведь Алиса мчится к Бобу со скоростью в 99 % световой, а ее лазерный луч мчится со скоростью света относительно нее – значит, измеренная Бобом скорость ее лазерного луча составит 199 % скорости света?

1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13 
Рейтинг@Mail.ru