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