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 .