Читать интересную книгу Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

Оставался еще вопрос, как именовать объект, образующийся при схлопывании звезды. С 1958 по 1968 гг. на Востоке и на Западе применяли различные названия: советские физики использовали название, которое обращало внимание на то, как выглядит схлопывание для удаленного астронома. Вспомним, что поскольку свету невероятно трудно вырваться из гравитационных тисков, издали будет казаться, что схлопывание будет продолжаться вечно, поверхность звезды никогда не достигнет критической окружности, а горизонт никогда не образуется. Астрономам будет казаться (если у них будут достаточно мощные телескопы, способные рассмотреть схлопывающиеся звезды), что звезда оказывается замороженной как раз около критической окружности. По этой причине советские физики называли объект, образующийся при схлопывании, замороженной звездой, и это название помогло им задать тон и угол зрения в их исследованиях схлопы-вания в 1960-х годах.

Наоборот, на Западе акцентировалась точка зрения наблюдателя, находящегося на поверхности схлопывающейся звезды и движущегося вместе с ней через горизонт внутрь, к настоящей сингулярности, соответственно создающийся при этом объект называли сколлапси-ровавшей звездой — коллапсара. Это название помогло сфокусировать внимание физиков на вопросах, ставших главной заботой Джона Уилера: природе сингулярности, в которой соединятся квантовая физика и кривизна пространства-времени.

Но ни одно название не было вполне удовлетворительно. Ни одно не акцентировало внимание на горизонте, окружающем охлопывающуюся звезду, который отвечает за иллюзию «замораживания» звезды. В течение 60-х годов расчеты физиков последовательно открывали огромную важность горизонта, и постепенно Джон Уилер (которого, как никого другого, волновала проблема оптимального названия) стал ощущать всё большее неудовлетворение.

* * *

Медитировать о названиях, которыми мы называем различные вещи, расслабляясь в ванной или лежа вечером в постели, было вполне в духе Уилера. Иногда он мог искать для чего-нибудь подходящее имя месяцами. Так было и в случае поиска замены имени для «замер-зшей»/«сколлапсировавшей» звезды. Наконец, в конце 1967 г. он нашел совершенное название.

В типичном для Уилера стиле он не побежал к своим коллегам со словами: «Я нашел потрясающее новое название, давайте отныне будем называть это та-та-та-та». Вовсе нет, он просто начал применять его так, как будто никакого другого названия раньше никогда не существовало, как будто все уже согласились, что это как раз самое подходящее название. Он опробовал его на конференции по пульсарам в Нью-Йорке поздней осенью 1967 г. и затем прочно утвердил его на лекции в декабре 1967 г. в Американской ассоциации успехов науки, озаглавленной «Наша Вселенная — известное и неизвестное». Те из нас, кто там не присутствовал, впервые столкнулись с этим новым названием в печатной версии его лекции. «Вследствие все более и более быстрого падения [поверхность схлопывающейся звезды] убегает от [удаленного] наблюдателя все быстрее и быстрее. Свет сдвигается в красную область. Он с каждой миллисекундой становится все бледнее и бледнее и меньше чем за секунду становится слишком темным, чтобы его можно было видеть ... [Звезда], как Чеширский кот, постепенно исчезает. Кот оставляет после себя улыбку, а звезда — только гравитационное притяжение. Гравитационное притяжение остается, а свет — нет. То же и с частицами. Более того, свет и частицы, направленные снаружи к черной дыре, лишь добавляются к ее массе, увеличивая ее гравитационное притяжение».

Черные дыры — таково было новое название, предложенное Уилером. В течение одного месяца оно было с энтузиазмом воспринято физиками-релятивистами, астрофизиками и широкой публикой на Востоке и на Западе. За одним исключением: во Франции, где фраза trou noir (черная дыра) имеет непристойный оттенок, сопротивление продолжалось несколько лет.

ЗОЛОТОЙ ВЕК

глава, в которой выясняется, что черные дыры вращаются и пульсируют, запасают и высвобождают энергию, но не имеют волос

Время действия — 1975-й год, место действия — Университет Чикаго, в южной части города, недалеко от берега озера Мичиган. Здесь, в угловом кабинете здания на 56-й стрит, Субраманьян Чандрасекар был поглощен разработкой полного математического описания черных дыр. Черные дыры, которые он теперь анализировал, радикально отличались от тех объектов, которые обрисовались в начале 1960-х, когда физики только начали разрабатывать их концепцию. Прошедшее десятилетие явилось золотым веком исследований черных дыр, эрой, в которую произошла революция в нашем понимании предсказаний общей теории относительности.

В 1964 г., в начале Золотого века, считалось, что черные дыры являются лишь тем, что предполагает их название: бездонными космическими провалами, в которых все исчезает и из которых ничего не может появиться. Но проведенные на основании уравнений общей теории относительности Эйнштейна более чем сотней физиков расчеты, которые чередой публиковались в Золотой век, изменили эту картину. Теперь, когда Чандрасекар в своем чикагском офисе снова приступил к вычислениям, черные дыры представлялись уже не просто неподвижными дырами в пространстве, а сложными динамичными объектами, которые могут вращаться и вовлекать во вращение подобно торнадо окружающее искривленное пространство-время. В этих космических вихрях должна быть запасена колоссальная энергия, которая может частично высвобождаться при космических катастрофах. Если на большую черную дыру упадет планета, звезда или меньшая дыра, это приведет к пульсациям горизонта большой черной дыры.

Такие пульсации, подобные вертикальному дрожанию поверхности Земли при землетрясениях должны производить гравитационную рябь в искривленном пространстве-времени, которая волнами распространяется по Вселенной, разнося симфоническое описание черной дыры. Самым удивительным открытием Золотого века стало, вероятно, следствие общей теории относительности, заключающееся в том, что все свойства черной дыры точно описываются лишь тремя числами: ее массой, моментом импульса и электрическим зарядом. Эти три числа позволяют вам при достаточном владении математическим аппаратом вычислить, например, форму горизонта дыры, силу гравитации, детальную форму завихрения пространства-времени вокруг дыры и частоту пульсаций. Многие из этих свойств к 1975 г. были уже известны, но некоторые еще предстояло открыть. Вычисление еще неизвестных свойств черных дыр было непростой задачей, но это был как раз тот вызов, который привлекал Чандрасекара. Он понял это в 1975 г. и решил вернуться к этой деятельности. Боль душевных ран, полученных в битвах с Эддингтоном в 1930-х годах, почти сорок лет мешала Чандрасекару вернуться к расчетам превращения массивных звезд в черные дыры. За эти сорок лет он заложил основы многих направлений современной астрофизики в теории звезд, галактик, межзвездных газовых туманностей и во многих других областях. Но исследование судьбы массивных звезд продолжало манить его. Наконец, в Золотой век он смог преодолеть старую боль и вернулся к черным дырам.

Он вернулся в семью исследователей, в которой доминирующую роль играли аспиранты и постдоки. Золотой век был во власти молодежи, но нестареющий душой, хотя и достигший уже среднего возраста, консервативный в манерах Чандрасекар был приветливо встречен в этой среде. Во время частых посещений Калтеха и Кембриджа его, одетого в консервативный темный костюм (цвета серый Чандрасекар, как шутили его юные друзья), можно было часто застать в кафетерии в окружении неформально и броско разодетых студентов и аспирантов. Золотой век был краток. Аспирант Калтеха Билл Пресс, который летом 1975 г., так же как и Чандрасекар, занимался вычислением свойств черных дыр, придумал ему название и он же организовал его похороны на четырехдневной конференции в Принстонском университете, на которую были приглашены только исследователи моложе тридцати лет.1 На конференции Пресс и многие из его молодых коллег согла- 67

Субраманьян Чандрасекар в студенческом кафетерии Калтеха «Сальное» с аспирантами Саулом Тьюкольски (слева) и Аланом Лайтманом (справа), осенью 1971 г. [Фотография любезно предоставлена Сандором Дж. Ковачем]

Участники похоронной конференции Золотого века исследований черных дыр в Принстонском университете, летом 1975 г. Первый ряд, слева направо: Яков Пет-терсон, Филипп Ясскин, Билл Пресс, Лэрри Смарр, Беверли Берджер, Джорджия Витт, Боб Вальд. Второй и третий ряды, слева направо: Филипп Маркус, Питер Д’Ит, Пол Шечтер, Саул Тьюкольски, Джим Нестер, Пол Виита, Майкл Шулл, Бернард Карр, Клиффорд Вилл, Том Честер, Билл Унру, Стив Кристенсен. [Предоставлена Саулом Тьюкольски]