Черные дыры — это реальность
У нас есть веские причины полагать, что черные дыры реально существуют .
Конечно, мы не в состоянии увидеть их непосредственно — они достаточно
«темны», даже несмотря на доказательство Хокингом отсутствия их абсо-
лютной «черноты» . Однако мы можем наблюдать то, что происходит в их
окрестностях, а пространство вокруг черной дыры обладает достаточно
специфическими свойствами, чтобы мы могли с уверенностью утверждать,
что наблюдаем именно окрестности черной дыры . Некоторые черные дыры
образуются в результате коллапса очень массивных звезд, а такие звезды часто
имеют звезд-компаньонов, вращающихся вокруг главной звезды . Потоки газа,
испускаемые звездой-компаньоном, могут падать на черную дыру, образуя
вокруг нее аккреционный диск, который, в свою очередь, нагревается до
гигантских температур и испускает мощное рентгеновское излучение . Спут-
никовые обсерватории обнаружили множество источников рентгеновского
излучения, демонстрирующих все характерные особенности объектов по-
добного рода, в частности сильные потоки высокоинтенсивного излучения,
исходящие из небольшого участка космического пространства . У астрофи-
зиков нет другого удовлетворительного объяснения этих наблюдений, кроме
предположения о наличии там черных дыр .
Имеются также убедительные доказательства существования сверхмассив-
ных черных дыр в центрах галактик — их массы в миллионы раз превышают 
Глава 12 . Черные дыры: конец времени
массу Солнца (хотя эти массы все равно составляют лишь небольшую часть
полных масс галактик, которые обычно превышают массу Солнца в сотни
миллиардов раз) . На ранних стадиях образования галактики эти гигантские
черные дыры поглощают все вещество вокруг себя, затягивая его мощнейшими
вихрями, которые мы наблюдаем как квазары . По мере прихода галактики к со-
стоянию равновесия эти процессы замедляются, и квазары «выключаются» .
Ученые почти уверены, в частности, что в центре нашего собственного Млеч-
ного Пути скрывается черная дыра массой около четырех миллионов солнечных
масс . Даже при отсутствии интенсивного излучения квазаров наблюдения за
звездами, находящимися в центре галактики, показывают, что эти звезды вра-
щаются строго по эллиптическим орбитам вокруг некоего невидимого объ-
екта . Можно заключить, что эти звезды находятся в гравитационном поле на-
столько плотного и массивного объекта, что он не может быть ничем, кроме
черной дыры, если, конечно, считать общую теорию относительности при-
менимой .3
У черных дыр нет волос
Как бы ни было интересно заниматься поиском черных дыр во Вселенной, еще
интереснее просто размышлять о них .4 Черная дыра — это наилучшая лабора-
тория для проведения мысленных экспериментов в области гравитации . Особо
ценное свойство черных дыр — это их «чистота» .
Хотя наблюдения убеждают нас в существовании черных дыр, они не дают
нам сколько-нибудь подробных сведений об их свойствах; мы не можем близко
подойти к черной дыре и потрогать ее . Когда мы уверенно заявляем что-либо
о тех или иных свойствах черных дыр, мы неявно исходим из определенных
теоретических предпосылок . К сожалению, ученым еще не удалось построить
законченную теорию квантовой гравитации, которая предположительно долж-
на объединить общую теорию относительности с принципами квантовой ме-
ханики . Так что пока у нас нет единой корректной теории, которая бы могла
дать ответы на все наши вопросы раз и навсегда .
В отсутствие полной теории мы обычно исследуем вопросы в рамках одно-
го из трех теоретических подходов .
1 . Классическая общая теория относительности как она сформулирована Эйн-
штейном . Это наилучшая полная теория гравитации, имеющаяся на данный
момент, и она полностью согласуется со всеми известными эксперимен-
тальными данными . Эта теория великолепно работает в том смысле, что она
может дать конкретный ответ на любой правильно поставленный вопрос
Часть IV . Из кухни в Мультиленную
(даже если наши вычислительные возможности не позволят нам получить
точное числовое значение) . К сожалению, эта теория не исчерпывающе
верна, поскольку она полностью классическая, а не квантово-механическая .
2 . Квантовая механика в искривленном пространстве—времени . Это подход
с «раздвоенной природой» . Мы рассматриваем пространство—время,
среду, сквозь которую движется материя во Вселенной, как что-то класси-
ческое, подчиняющееся законам общей теории относительности . В то же
время мы рассматриваем «материю» как что-то квантово-механическое,
описываемое в терминах волновых функций . Это вполне оправданный
компромиссный подход, который может помочь в решении многих прак-
тических задач .
3 . Квантовая гравитация . Корректная теория квантовой гравитации пока не
создана, хотя существует ряд многообещающих подходов, таких как теория
струн . Мы не абсолютно беспомощны в данном вопросе: нам кое-что из-
вестно о принципах действия гравитации и кое-что — о принципах кван-
товой механики . Зачастую таких знаний бывает достаточно для получения
подходящих приближений к реальной картине квантовой гравитации даже
в отсутствие законченной теории .
Среди всех перечисленных подходов лучше всего изучена классическая
общая теория относительности, в то время как теория квантовой гравитации
изучена хуже остальных; в то же время последняя обеспечивает наилучшее
приближение к реальности . Квантовая механика в искривленном простран-
стве—времени представляет собой «разумную середину» между двумя дру-
гими подходами; Хокинг использовал именно ее для решения проблемы из-
лучения черных дыр . Однако нам следует вначале понять, как описывать черные
дыры в сравнительно несложных рамках подхода общей теории относитель-
ности, прежде чем переходить к разбору более передовых, но более спекуля-
тивных теорий .
В классической общей теории относительности черная дыра представляет
собой практически «чистое» гравитационное поле . В абстрактном мысленном
эксперименте мы можем представить себе образование черной дыры множе-
ством способов: из шарового скопления газа типа обычной звезды либо из
гигантской планеты, состоящей из чистого золота, либо из огромного шарика
мороженого . Но когда эти объекты сжимаются до маленького размера с таким
сильным гравитационным полем, что ничто уже не может покинуть его, то есть
когда этот объект «официально» превращается в черную дыру, становится уже
совершенно неважно, из какого материала он изначально состоял . Черная дыра,
образовавшаяся из газового шара солнечной массы, неотличима от черной
Глава 12 . Черные дыры: конец времени
дыры, образовавшейся из шарика мороженого солнечной массы . Согласно
общей теории относительности, черная дыра — это не просто плотно упако-
ванный объем исходного материала . Это чистое гравитационное поле: исход-
ный материал исчез в сингулярности, образовав область сильно искривленно-
го пространства—времени .
Рассматривая гравитационное поле Земли, мы можем представить нашу
планету как идеальную сферу определенной массы и размера . Но это всего
лишь приближение . Если мы хотим большей точности, то мы должны принять
во внимание факт вращения Земли, благодаря которому ее радиус немного
больше в районе экватора, чем у полюсов . Если же мы захотим максимально
возможной точности, то увидим, что гравитационное поле Земли меняется от
точки к точке довольно сложным образом; неровность поверхности, а также
отличие плотности суши и моря или различных видов горных пород приводят
к небольшим, но измеримым вариациям силы земного тяготения . Эти локальные
особенности гравитационного поля Земли действительно содержат существен-
ное количество информации .
Все это не относится к черным дырам . После образования черной дыры
любые неровности и неоднородности материала, из которого она образовалась,
исчезают . Возможно, существует короткий период времени в процессе обра-
зования черной дыры, в течение которого она еще остается не до конца сфор-
мированной . Но очень быстро она становится абсолютно гладкой и лишенной
каких-либо особенностей . После завершения формирования черной дыры у нее
остаются три характеристики, поддающиеся измерению: ее полная масса,
скорость ее вращения и ее электрический заряд (суммарный электрический
заряд реальных астрофизических черных дыр близок к нулю, но при этом ско-
рость их вращения может быть очень большой) . Вот и все . Два скопления ве-
щества с одинаковыми массой, зарядом и угловым моментом, характеризующим
вращение, превратившись в черные дыры, становятся совершенно неразличи-
мыми при рассмотрении в рамках классической общей теории относительности .
Это довольно интересное предсказание общей теории относительности кратко
выражено в остроумном изречении Джона Уилера, человека, давшего черным
дырам их название: «У черных дыр нет волос» .
Выявленный факт «отсутствия волос» должен привести нас к важному
заключению . Очевидно, что если все вышесказанное верно, то процесс обра-
зования черной дыры имеет одно очень серьезное следствие, а именно: инфор-
мация теряется . Мы можем взять два совершенно разных типа начальных
условий (одну солнечную массу горячего газа или одну солнечную массу мо-
роженого), и они могут прийти к одному и тому же конечному состоянию (одна
Часть IV . Из кухни в Мультиленную
черная дыра солнечной массы) . Однако до сих пор мы утверждали, что микро-
скопические физические законы, одним из которых, по-видимому, является
и уравнение Эйнштейна, обладают свойством сохранения информации . Дру-
гими словами, образование черной дыры, видимо, является необратимым
процессом, несмотря на то что уравнение Эйнштейна определенно обратимо .
Вы правильно забеспокоились! Эта загадка связана со временем . Классиче-
ская общая теория относительности предлагает такой выход: мы можем сказать,
что информация на самом деле не исчезла как таковая, но она исчезла для нас,
поскольку оказалась за горизонтом событий черной дыры . Вы можете сами
решить для себя, выглядит это объяснение удовлетворительным или оно по-
хоже на простую отговорку . В любом случае мы не можем остановиться на
этом, поскольку Хокинг нам в конце концов заявит, что черные дыры испаря-
ются, если принять во внимание квантово-механические эффекты . Таким об-
разом, ясно, что мы столкнулись с серьезной проблемой — проблемой, послу-
жившей стимулом для публикации тысячи работ по теоретической физике .5