Черные Дыры
(И)
Черная дыра Гаргантюа играет большую роль в Интерстелларе. Давайте рассмотрим основную информацию о черных дырах в этой главе, а затем сфокусируемся на Гаргантюа в следующей.
Для начала дикое заявление: Черные дыры состоят из искривленного пространства и искривленного времени. Ничего больше - ни грамма какой бы то ни было материи.
Муравей на Батуте: Искривленное Пространство Черной Дыры
Представьте, что вы муравей и живете на детском батуте - листе резины, растянутом между высокими жердями. Тяжелый камень прогибает резину вниз, как на рисунке 5.1. Вы слепой муравей и не видите ни жердей, ни камня, ни вогнутой резины. Вы - маленький муравей. Резиновый лист для вас - целая вселенная, и вы подозреваете, что она искривлена. Чтобы определить ее форму, вы прогуливаетесь по кругу в верхней области, измеряя окружность, а затем прогуливаетесь через центр от одного края круга до другого, измеряя диаметр. Будь ваша вселенная плоской, окружность была бы в π = 3,14159 раз больше диаметра. Но вы обнаруживаете, что окружность намного меньше диаметра. Вы делаете вывод, что ваша вселенная сильно искривлена!
Рис. 5.1. Муравей на искривленном батуте. [Мой набросок от руки.]
Пространство вокруг невращающейся черной дыры искривлено так же, как батут: Возьмите экваториальный срез через черную дыру. Это двухмерная поверхность. На виде из балка эта поверхность искривлена на тот же манер, что и батут. Рисунок 5.2 - это тот же рисунок 5.1, только без муравья и жердей, а камень заменен сингулярностью в центре черной дыры.
Рис. 5.2. Искривленное пространство вблизи и внутри черной дыры. [Мой набросок от руки.]
Сингулярность - это крошечная область, где поверхность образует точку и поэтому "бесконечно искривлена", и где, оказывается, приливные силы бесконечно сильны, так что вещество, каким мы его знаем, растягивается и сжимается до полного уничтожения. В Главах 26, 28 и 29 мы увидим, что сингулярность Гаргантюа представляет собой нечто иное, и узнаем почему.
В случае батута, искривление пространства порождается весом камня. Аналогично, можно подумать, что пространственная кривизна черной дыры порождается сингулярностью в ее центре. Это не так. На самом деле, пространство дыры искривляется громадной энергией искривления. Да, я имею ввиду именно это. Если это кажется вам немного закольцованным, что ж, так и есть, но в том есть глубокий смысл.
Требуется много энергии, чтобы согнуть тугой лук перед тем, как выпустить из него стрелу, и точно так же требуется много энергии, чтобы согнуть пространство - искривить его. И как в натянутом луке хранится энергия сгибания (до тех пор, пока вы не отпустите тетиву и не передадите энергию лука стреле), так и в искривленном пространстве черной дыры хранится энергия искривления. И в случае черной дыры эта энергия искривления столь велика, что она порождает искривление.
Искривление рождает искривление нелинейным, самовоспроизводящимся образом. Это фундаментальное свойство эйнштейновской теории относительности, столь далекое от повседневного опыта. Это что-то вроде гипотетической героини научной фантастики, которая отправляется в прошлое и рожает сама себя.
Сценарий "искривление рождает искривление" в нашей Солнечной системе не происходит чуть ли не вообще. В нашей системе искривление пространства настолько слабо, что энергия у него мизерная, слишком маленькая для самовоспроизведения. Практически все искривление пространства в Солнечной системе порождается непосредственно материей: Солнца, Земли, других планет - в противоположность черной дыре, где искривление полностью вызвано искривлением.
Горизонт Событий и Искривленное Время
Когда вы слышите упоминание о черное дыре, сначала вы, вероятно, думаете о ее затягивающей силе, как на рисунке 5.3, а не об искривленном пространстве.
Рис. 5.3. Сигналы, которые я посылаю после пересечения горизонта событий, не могут выбраться. Заметьте: поскольку одно измерение на этой диаграмме удалено, то я - двухмерный Кип, соскальзывающий по искривленной двухмерной поверхности - части нашей браны. [Мой набросок от руки.]
Если я свалюсь в черную дыру с микроволновым передатчиком, то когда я пересеку горизонт событий, меня неумолимо затянет вниз, в сингулярность дыры. И все сигналы, которые я попытаюсь каким бы то ни было образом передать, будут затянуты вместе со мной. Никто над горизонтом никогда не увидит сигналы, которые я отправляю после пересечения горизонта. Я со своими сигналами оказался в ловушке черной дыры. (См. в Главе 28 как это обыгрывается в Интерстелларе.)
Эта ловушка на самом деле создана искривлением времени. Если я зависну над черной дырой, удерживая себя тягой ракетного двигателя, то чем ближе я к горизонту, тем медленнее течет мое время. На самом горизонте время останавливается, и таким образом, в соответствии с законом Эйнштейна об искривлении времени, я должен испытать бесконечно сильное гравитационное притяжение.
Что происходит внутри горизонта событий? Время там так чудовищно искривлено, что оно течет в направлении, про которое можно подумать, что оно пространственное, - оно течет вниз к сингулярности. Фактически, из-за этого движения вниз ничто и не может выбраться из черной дыры. Все неумолимо влечется к будущему,[12] а поскольку будущее внутри дыры простирается вниз, прочь от горизонта, ничто не может вернуться назад, через горизонт.
Пространственный Вихрь
Черные дыры могут вращаться, как вращается Земля. Вращающаяся дыра затягивает вокруг себя пространство в вихревое движение наподобие воронки (рисунок 5.4). Как воздух в торнадо, пространство быстрее всего закручивается у центра дыры, и кружение замедляется при движении наружу, прочь от дыры. Все, что бы ни падало к горизонту дыры, затягивается пространственным вихрем в вихревое движение, и кружится и кружится вокруг дыры, как солома, затянутая ветром торнадо. Рядом с горизонтом невозможно как бы то ни было защититься от затягивания в вихрь.
Рис. 5.4. Пространство вокруг вращающейся черной дыры затягивается в вихревое движение. [Мой набросок от руки.]
Точное Изображение Искривленного Пространства и Времени Вокруг Черной Дыры
Все три составляющие искривления пространства-времени: искривление пространства, замедление и искажение времени, пространственный вихрь - описываются математическими формулами. Эти формулы выведены из законов теории относительности, и их точный прогноз изображен количественно на рисунке 5.5 (в противоположность рисункам 5.1 - 5.4, которые были просто качественными).
Форма искривленной поверхности на рисунке 5.5 именно такая, какой мы увидели бы из балка экваториальную плоскость дыры. Цвета изображают замедление времени, измеренное кем-то висящим над горизонтом на определенной высоте. На переходе от голубого к зеленому время течет со скоростью 20% от времени вдалеке от черной дыры. На переходе от желтого к красному время замедляется до 10% от нормальной скорости на удалении. А на черной окружности, внизу этой поверхности, время останавливается. Это горизонт событий. Это окружность, а не сфера, потому что мы смотрим только на экваториальную плоскость, только на два измерения нашей Вселенной (нашей браны). Если бы мы восстановили третье пространственное измерение, горизонт стал бы приплюснутой сферой - сфероидом. Белые стрелки изображают скорость завихрения пространства вокруг черной дыры. У горизонта оно быстрое, и уменьшается по мере того, как мы взбираемся вверх на космическом корабле.
Рис 5.5. Точное изображение искривленного пространства и времени вокруг быстро вращающейся черной дыры: дыра вращается со скоростью 99,8 процентов от максимально возможной. [Рисунок Дона Дэвиса, основанный на моем наброске.]
На абсолютно точном рисунке 5.5 я не изображаю нутро дыры. К нему мы вернемся позднее, в Главах 26 и 28.
Искривление на рисунке 5.5 - это суть черной дыры. Из его подробностей, выраженных математически, физики могут вывести все свойства черной дыры, кроме характера сингулярности в ее центре. Для сингулярности им нужны малоизвестные законы квантовой гравитации (Глава 26).
Вид Черной Дыры Изнутри Нашей Вселенной
Мы, люди, заключены внутри своей браны. Мы не можем выбраться из нее в балк (разве что какая-нибудь сверхразвитая цивилизация прокатит нас на тессеракте или еще каком транспорте, как Купера в Интерстелларе, см. Главу 29). Поэтому мы не можем увидеть искривленное пространство черной дыры так, как изображено на рисунке 5.5. Воронки и водовороты черных дыр, так часто показываемые в кино, например, в Черной Дыре 1979 года от Disney Studios, никогда не увидит ни одно живое существо в нашей Вселенной.
Рис 5.6. Быстро вращающаяся черная дыра (сверху), движущаяся на фоне звездного поля, показанного снизу. [Смоделировано для этой книги командой по визуальным эффектам Double Negative.]
Интерстеллар - это первый голливудский фильм, изображающий черную дыру правильно, такой, какой люди действительно увидели бы ее на своем опыте. Рисунок 5.6 - это пример, не взятый из фильма. Черная дыра бросает черную тень на звездное поле за ней. Искривленное пространство черной дыры изгибает лучи света от звезд; это гравитационная линза, создающая концентрическую модель искажения. Лучи, которые приходят к нам с левого края тени, двигаются в том же направлении, что и завихренное пространство черной дыры. Пространственный вихрь подталкивает их, позволяя выбраться из более близких к горизонту мест по сравнению с лучами на правом краю тени, которые пробиваются против вихря. Вот почему тень приплюснутая с левого края и выпуклая и правого. В Главе 8 я расскажу больше об этом и о других аспектах того, как на самом деле выглядит черная дыра, если смотреть на нее с близкого расстояния в нашей Вселенной, нашей бране.
Откуда Мы Знаем, Что Это Истина?
Теория относительности Эйнштейна была проверена с высокой точностью. Я убежден, что они верны, кроме случаев, когда они вступаю в противоречие с квантовой механикой. Для большой черной дыры, такой как Гаргантюа в Интерстелларе, квантовая механика уместна только рядом с центром, в сингулярности. Так что если черные дыры вообще существуют в нашей Вселенной, у них должны быть свойства, предписанные теорией относительности, свойства, которые я описал выше.
Эти и другие свойства выводили из уравнений Эйнштейна многие физики, которые интеллектуально стояли друг у друга на плечах (рисунок 5.7); особенно Карл Шварцшильд, Рой Керр и Стивен Хокинг. В 1915 году, незадолго до трагической гибели в Первой Мировой Войне на российско-немецком фронте, Шварцшильд вывел подробности искривленного пространства-времени вокруг невращающейся черной дыры. На жаргоне физиков, эти подробности называют "метрикой Шварцшильда". В 1963 году Керр (новозеландский математик) сделал то же самое для вращающейся черной дыры: он вывел "метрику Керра" вращающейся черной дыры. А в начале 70-х Стивен Хокинг и другие вывели свод правил, которым должны подчиняться черные дыры, когда поглощают звезды, сталкиваются и сливаются, и когда испытывают приливные силы других тел.
Черные дыры определенно существуют. Теория относительности настойчиво утверждает, что когда в массивной звезде заканчивается раскаляющее ее ядерное топливо, звезда должна схлопнуться. В 1939 году Дж. Роберт Оппенгеймер со своим студентом Хартландом Снайдером, используя законы теории относительности, выяснили, то если схлопывание идеально сферическое, то схлопывающаяся звезда обязательно создаст вокруг себя черную дыру, потом сингулярность в центре дыры, а затем будет поглощена этой сингулярностью. Материи не остается. Никакой. Получившаяся черная дыра состоит исключительно из искривленного пространства и времени. Спустя десятилетия после 1939 года физики с помощью законов Эйнштейна доказали, что деформированная и вращающаяся черная дыра при схлопывании тоже создаст черную дыру. Компьютерное моделирование раскрывает все подробности. Астрономы видели неоспоримые доказательства множества черных дыр в нашей Вселенной. Самый красивый пример - это массивная черная дыра в центре нашей галактики, Млечного Пути. Андреа Гез из УКЛА (Университет Калифорнии в Лос-Анджелесе) во главе маленькой группы астрономов наблюдала за движением звезд вокруг этой черной дыры (рисунок 5.8). Точки на каждой орбите - это положения звезд с интервалом в год. Я отметил положение черной дыры белой пятиконечной звездой. Из наблюдаемого движения звезд Гез вычислила силу гравитации дыры. Ее гравитационное тяготение на фиксированном расстоянии в 4,1 миллиона раз больше, чем тяготение Солнца на том же расстоянии. Это значит, что ее масса в 4,1 миллиона раз больше, чем масса Солнца!
Рис. 5.7. Ученые по черным дырам. Слева направо: Карл Шварцшильд (1873 - 1916), Рой Керр (1934 - ), Стивен У. Хокинг (1942 - ), Дж. Роберт Оппенгеймер (1904 - 1967) и Андреа Гез (1965 - ).
На рисунке 5.9 показано, где в ночном небе летом находится эта черная дыра. Это в правом нижнем углу созвездия Стрельца, в чайнике, там, где крестик, подписанный "Центр Галактики".
Массивная черная дыра живет в ядре почти каждой крупной галактики в нашей Вселенной. Многие из них весом с Гаргантюа (100 миллионов Солнц), и даже тяжелее. Самая тяжелая из измеренных до сих пор в 17 миллиардов раз массивнее Солнца; она находится в галактике под названием NGC1277, в 250 миллионах световых лет от Земли - это грубо одна десятая расстояния до края наблюдаемой Вселенной.
Рис. 5.8. Наблюдаемые орбиты звезд вокруг массивной черной дыры в центре нашей галактики, Млечного Пути, измененные Андреей Гез и ее коллегами.
Рис. 5.9. Положение центра нашей галактики на небе. Там находится массивная черная дыра.
В нашей родной галактике грубо 100 миллионов черных дыр помельче: такие дыры обычно от трех до тридцати раз тяжелее Солнца. Мы это знаем не потому, что видели доказательства их всех, а потому, что ученые подсчитали количество тяжелых звезд, которые станут черными дырами, когда у них закончится ядерное топливо. Из этого подсчета астрономы заключили, сколько их уже израсходовали топливо и стали черными дырами.
Так что черные дыры повсеместно встречаются в нашей Вселенной. К счастью, в Солнечной системе нет ни одной. А если бы была, то гравитация дыры посеяла бы разруху в земной орбите. Земля бросило бы либо ближе к Солнцу, где она сварилась бы, либо дальше от него, где заморозилась бы, либо даже за пределы Солнечной системы или в черную дыру. Человечество прожило бы не более года, или около того!
Астрономы оценили, что ближайшая к Земле черная дыра удалена на приблизительно 300 световых лет: в сотню раз дальше, чем ближайшая звезда (не считая Солнца) Проксима Центавра.
Теперь, вооруженные базовым пониманием Вселенной, полей, искривленных времени и пространства, и особенно черных дыр, мы готовы, наконец, исследовать Гаргантюа Интерстеллара.
12. Если путешествия назад во времени и возможны, то это можно сделать только улетев в дальний космос и вернувшись до отправления. Вы не сможете вернуться назад во времени, оставаясь на одном месте и наблюдая, как все остальные движутся во времени вперед. (Больше об этом см. в Главе 30.)
Комментариев нет :
Отправить комментарий