Гиперпространство. Научная одиссея через параллельные миры, дыры во времени и десятое измерение

Существование чёрных дыр в некотором смысле неизбежно. Как мы помним, звезда — это продукт взаимодействия двух космических сил: гравитации, которая стремится сжать звезду, и силы ядерных реакций, которая стремится взорвать звезду, как водородную бомбу. Все этапы истории существования звёзды — следствие этого шаткого равновесия между гравитацией и ядерным взаимодействием. Рано или поздно, когда всё ядерное топливо гигантской звёзды наконец израсходуется и звезда превратится в скопление одних нейтронов, ничто, насколько нам известно, не сможет помешать воздействию мощной силы гравитации. В конце концов гравитация возобладает и уничтожит нейтронную звезду. Звезда завершила свой путь: она родилась, когда гравитация только начала сжимать газообразный водород в небе, создавая звезду, и умерла, когда ядерное топливо кончилось и гравитация вызвала схлопывание звёзды.

Плотность чёрной дыры настолько велика, что свет, подобно ракете, запущенной с Земли, вынужден двигаться по её орбите. Поскольку свет не в состоянии избежать воздействия гравитационного поля огромной мощности, схлопнувшаяся звезда по цвету становится чёрной. Так и принято давать определение чёрным дырам: это сколлапсировавшая звезда, от которой не может исходить свет.

Надо заметить, что у всех небесных тел есть так называемая скорость убегания. Это скорость, необходимая для полного преодоления гравитационного притяжения конкретного тела. К примеру, космический зонд должен развить скорость убегания 25 000 миль в час (40 000 км/ч), чтобы преодолеть гравитационное притяжение Земли и улететь в дальний космос. Такие космические зонды, как «Вояджер», который вышел в открытый космос и покинул Солнечную систему (увозя послание доброй воли к инопланетянам, которым он может повстречаться), развил скорость убегания нашего Солнца. (Мы дышим кислородом, так как атомам кислорода недостаёт скорости, чтобы преодолеть поле притяжения Земли. Оболочка Юпитера и других газовых гигантов состоит преимущественно из водорода, поскольку их скорость убегания достаточно велика, чтобы удержать изначальный водород ранней Солнечной системы. Таким образом, скорость убегания помогает объяснить эволюцию планет Солнечной системы за последние 5 млрд лет.)

В сущности, ньютонова теория гравитации даёт точное соотношение между скоростью убегания и массой звёзды. Чем тяжелее планета или звезда и чем меньше её радиус, тем большая скорость убегания понадобится, чтобы преодолеть силу её гравитационного притяжения. Ещё в 1783 г. английский астроном Джон Мичелл воспользовался этими вычислениями, чтобы предположить, что супермассивная звезда может иметь скорость убегания, равную скорости света. Свет, излучаемый такой массивной звездой, не отдаляется от неё, а движется вокруг по орбите. Таким образом, стороннему наблюдателю эта звезда может показаться совершенно чёрной. Пользуясь всеми знаниями, имевшимися в XVIII в., Мичелл действительно вычислил массу такой чёрной дыры.[18] Увы, его теорию сочли бредовой и вскоре забыли. Тем не менее сегодня мы склонны считать, что чёрные дыры существуют, так как благодаря телескопам и другим приборам увидели в небе белых карликов и нейтронные звёзды.

Объяснить, почему чёрные дыры чёрные, можно двумя способами. С точки зрения прохожего, сила, действующая между звездой и лучом света, настолько велика, что его траектория изогнута и представляет собой окружность. Можно также принять точку зрения Эйнштейна, согласно которой «кратчайшее расстояние между двумя точками — кривая». Искривление луча света до полной окружности означает, что и само пространство свёрнуто в круг. Такое возможно лишь в том случае, если чёрная дыра полностью сжала участок пространства-времени вокруг неё, поэтому луч света перемещается в гиперсфере. Этот участок пространства-времени теперь отделён от окружающего пространства-времени, а само пространство «разорвано».

Мост Эйнштейна — Розена

Релятивистское описание чёрных дыр фигурирует в работе Карла Шварцшильда. В 1916 г., всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн записал свои знаменитые уравнения, Шварцшильд сумел найти для них точное решение и вычислить гравитационное поле массивной стационарной звёзды.

Решение Шварцшильда имело несколько интересных особенностей. Во-первых, вокруг чёрной дыры находится «точка невозврата». Любой объект, приблизившийся на расстояние, меньшее, чем этот радиус, неизбежно затянет в чёрную дыру, спастись ему не удастся. Человек, которому не посчастливится оказаться в пределах радиуса Шварцшильда, будет захвачен чёрной дырой и раздавлен насмерть. В настоящее время это расстояние от чёрной дыры называется радиусом Шварцшильда, или горизонтом событий (самой удалённой видимой точкой).