Дыры в пространстве—времени
Вероятно, самое занимательное и впечатляющее предсказание общей теории
относительности — существование черных дыр . Им часто дают довольно при-
земленное определение: «Объекты, гравитационное поле которых настолько
сильно, что покинуть их не могут даже кванты света» . В действительности все
намного интереснее .
Даже в ньютоновской теории гравитации ничто не мешает нам рассматри-
вать настолько массивные и плотные объекты, что скорость убегания от них
будет выше скорости света, — это, по сути, «черные» тела . Данная идея не
нова — ее рассматривали, в частности, британский геолог Джон Митчелл
в 1783 году и Пьер-Симон Лаплас в 1796-м .4 В то время ее жизнеспособность
вызывала определенные сомнения, ведь никто не мог однозначно сказать,
влияет ли гравитация на свет, а скорость света еще не приобрела ту фундамен-
тальную значимость, которая ей приписывается в теории относительности .
Однако еще важнее то, что, казалось бы, незначительно отличающиеся форму-
лировки «скорость убегания выше скорости света» и «кванты света не могут
покинуть» на самом деле скрывают огромные различия в базовых понятиях .
Скорость убегания — это скорость, с которой объект должен начать двигать-
ся вверх, для того чтобы вырваться из гравитационного поля тела без какого-
либо дополнительного ускорения . Если я захочу запустить бейсбольный мяч
в космическое пространство, мне придется бросить его в воздух со скоростью,
превышающей скорость убегания . Но почему бы мне, с другой стороны, 
Часть II . Время во Вселенной Эйнштейна
не поместить тот же самый мячик в ракету и не отправить в космос путем по-
степенного ускорения? В таком случае мне даже не придется заботиться о том,
чтобы достичь скорости убегания . Другими словами, не обязательно достигать
скорости убегания для того, чтобы фактически покинуть гравитационное поле
тела; если у вас достаточно топлива, вы можете перемещаться с той скоростью,
которая вам удобна, даже если она будет намного ниже .
Однако настоящая черная дыра, согласно общей теории относительности, —
штука куда более суровая . Это настоящая область невозврата: оказавшись
в черной дыре, вы уже не сможете ее покинуть, какие бы технологические ди-
ковинки ни находились в вашем распоряжении . Причина в том, что общая те-
ория относительности, в отличие от ньютоновской гравитации и специальной
теории относительности, допускает искривление пространства—времени .
В каждой точке пространства—времени присутствуют световые конусы, де-
лящие пространство на прошлое, будущее и области, достичь которых невоз-
можно . Однако, в отличие от специальной теории относительности, в общей
теории относительности световые конусы не закреплены и не выстроены; они
могут наклоняться и растягиваться, а пространство—время искривляется под
действием вещества и энергии . Световые конусы, находящиеся вблизи тяже-
лого объекта, наклоняются в его сторону в полном соответствии с утвержде-
нием о том, что объекты притягиваются гравитационными полями . Черная
дыра — это область пространства—времени, в которой световые конусы на-
клонились так сильно, что покинуть ее соответствующие объекты смогли бы,
только превысив скорость света . Несмотря на сходство формулировок, это
намного более серьезное заявление, чем «скорость убегания больше скорости
света» . Граница, определяющая область черной дыры и отделяющая области,
из которых у вас еще есть шанс сбежать, от областей, где вам ничего не остает-
ся, кроме как продолжать погружаться в глубь неизвестности, называется го-
ризонтом событий .
В реальном мире черные дыры могут образовываться разными способами,
но стандартным сценарием считается коллапс достаточно массивной звезды .
В конце 1960-х годов Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг доказали одно пора-
зительное свойство общей теории относительности: когда гравитационное
поле становится достаточно сильным, обязательно образуется сингулярность .5
Возможно, вам это кажется само собой разумеющимся, ведь сила притяжения
становится все больше и больше и в итоге стягивает вещество в одну точку .
Однако в ньютоновской гравитационной теории все происходит совсем не так .
Если очень сильно постараться, то добиться сингулярности, конечно, можно,
но в общем случае вещество при сжатии всего лишь достигает максимальной
Глава 5 . Время гибкое
Рис . 5 .4 . Световые конусы наклоняются вблизи черной дыры . Горизонт событий, опре-
деляющий границу черной дыры, — это место, где конусы наклоняются так сильно, что
единственной надеждой на побег становится движение со скоростью, превышающей
скорость света
плотности, и больше ничего не происходит . В противоположность этому, в общей
теории относительности плотность и кривизна пространства—времени возрас-
тают неограниченно до тех пор, пока не образуют сингулярность бесконечной
кривизны . Подобную сингулярность можно найти в любой черной дыре .
Было бы неверно считать, что сингулярность находится в «центре» черной
дыры . Если внимательно рассмотреть схему на рис . 5 .4, иллюстрирующую
пространство—время вблизи черной дыры, то мы увидим, что световые кону-
сы внутри горизонта событий продолжают наклоняться в сторону сингуляр-
ности . Нам уже известно, что световые конусы определяют то, что наблюдатель
в данном событии называет «будущим» . Таким образом, как и сингулярность
Большого взрыва в прошлом, сингулярность черной дыры в будущем — это
момент во времени, а не место в пространстве . И оказавшись за горизонтом
событий, вы не сможете повернуть назад: сингулярность станет вашей суровой,
но неизбежной судьбой, потому что она находится впереди во времени, а не
по какому-то направлению в пространстве . Уклониться от попадания в сингу-
лярность так же нереально, как уклониться от попадания в завтра .
Пересекая горизонт событий, вы вряд ли заметите что-то необычное . Это
не какой-то силовой барьер, не энергетическая стена, проходя сквозь которую
вы понимаете, что попали в черную дыру .6 Это всего лишь уменьшение числа
вариантов развития событий; вариант «возвращение во внешнюю Вселенную»
становится невозможным, а единственно доступным остается «нырок 
|
|
|
|
|
Часть II . Время во Вселенной Эйнштейна
Рис . 5 .5 . Объект приближается к горизонту событий, но удаленному наблюдателю кажется,
что он всего лишь замедляется и краснеет . Момент на мировой линии объекта, когда он
пересекает горизонт, — это последнее мгновение, когда его можно увидеть снаружи
в сингулярность» . Вообще, зная массу черной дыры, вы могли бы даже точно
рассчитать, сколько времени (согласно вашим часам) пройдет до момента до-
стижения сингулярности, когда вы прекратите существовать . В черной дыре,
масса которой равна массе Солнца, это займет около одной миллионной доли
секунды . Возможно, вы попробовали бы отсрочить ужасную гибель и сбежать
от сингулярности, запустив ракетный двигатель, однако на самом деле это
сыграло бы против вас . Согласно теории относительности, движение без уско-
рения максимизирует время между двумя событиями . Пытаясь бороться с не-
избежным, вы лишь ускорили бы приближение конца .7
Момент на вашей траектории, когда вы, падая, пересекаете горизонт со-
бытий, определяется однозначно . Предположим, что вы отправляете своему
другу, находящемуся за пределами черной дыры, непрерывный поток радио-
сигналов . Он получит только те сигналы, которые вы успели отправить до
прохождения горизонта событий, и ни одного сигнала изнутри черной дыры .
Но при этом вы не исчезнете внезапно из его поля зрения . Он продолжит полу-
чать ваши радиосигналы — просто через все более долгие интервалы и в ис-
каженном виде, поскольку из-за большего красного смещения длина волны
сигналов также будет постоянно возрастать . Последний момент вашего падения
|
Глава 5 . Время гибкое
перед пересечением горизонта с точки зрения внешнего наблюдателя вообще
будет «заморожен», хотя картинка и будет с течением времени становиться
все более тусклой и краснеть .