•к к к
В главе 3 я обсуждал большую разницу, которая существует между законами физики в нашей, реальной Вселенной и в обществе муравьев, которое описано в книге Т. X. Уайта «Король сегодня и навсегда». Основное правило муравьев в книге Уайта — «Все, что не запрещено, является принудительно-обязательным». Но законы физики сильно нарушают это правило. Множество вещей, разрешаемых законами физики, настолько маловероятны, что никогда не происходят. Теорема Прайса является замечательным исключением. Это одна из немногих ситуаций, с которыми я встречался в физике, где твердо поддерживается муравьиное правило: если закон физики не запрещает черной дыре испускать какое-нибудь излучение, то это излучение является обязательным.
Очень необычными являются следствия безволосого состояния черной дыры. Обычно мы, физики, строим упрощенные теоретические или компьютерные модели в попытках понять сложную Вселенную вокруг нас. Например, чтобы понять погоду, физики-атмосферщики строят компьютерные модели циркуляции земной атмосферы. Чтобы понять землетрясения, геофизики строят простые теоретические модели перемещения земных платформ друг относительно друга. Чтобы понять схлопывание звезд, Оппенгеймер и Снайдер в 1939 г. построили простую теоретическую модель, в которой рассмотрели охлопывающееся облако вещества, совершенно сферическое, однородное и полностью лишенное давления. Строя все эти модели, физики понимают, что они достаточно условны. Эти модели являются всего лишь бледными отражениями сложных структур реальной Вселенной.
Не так обстоит дело с черной дырой, по крайней мере, «безволосой». Такая черная дыра настолько проста, что мы можем описать ее точными математическими формулами. Здесь нам не нужны идеализации. Нигде больше в макроскопическом мире (на масштабах больших, чем размер элементарной частицы) это не выполняется. Нигде больше математические уравнения не являются настолько близкими к реальности. Только с черной дырой можно обрести такую свободу.
Почему черные дыры так отличаются от всех остальных объектов в макроскопической Вселенной? Почему они, и только они, такие элегантно простые? Если бы я знал ответ, я бы смог проникнуть глубоко в природу физических законов. Но я не знаю. Возможно, следующее поколение физиков поймет.
Черные дыры вращаются и пульсируют
Каковы свойства безволосых черных дыр, так точно описываемые математиками в рамках ОТО?
Если считать, что черная дыра абсолютно лишена электрического заряда и вращения, то она превращается в сферическую дыру, с которой мы уже встречались в предыдущих главах. Она описывается математическим решением уравнения поля Эйнштейна, полученным Карлом Шварцшильдом в 1916 г. (главы 3 и 6).
Когда электрический заряд попадает в такую дыру, она приобретает всего лишь одно новое свойство: силовые линии электрического поля, которыми она утыкана по радиусам, подобно ежовым колючкам. Если заряд положительный, силовые линии электрического поля отталкивают протоны от черной дыры и притягивают электроны. Если он отрицательный, силовые линии отталкивают электроны и притягивают протоны. Существует математическое решение уравнения поля Эйнштейна, точно описывающее заряженную черную дыру. Это решение было найдено немецким физиком Гансом Райсснером в 1916 г. и голландским физиком Гуннаром Нордстремом в 1918 г. Но физический смысл решения Райсснера—Нордстрема стал понятен только в 1960 г., когда два студента Уилера, Джон Грейвс и Дитер Брилл, открыли, что это решение описывает заряженную черную дыру.
Врезка 7.2
Организация советской и западной науки: контрасты и последствия
Когда мы с моими молодыми коллегами-физиками пытались развить гипотезу обруча и доказать, что черные дыры не имеют волос, а также понять, как они теряют свои волосы, мы в процессе этого постигали, насколько отличаются подходы к организации физической науки в СССР, в Британии и в Америке. Уроки, усвоенные нами, могут иметь некоторое значение для будущего, особенно в странах бывшего Советского Союза, в которых все государственные учреждения — научные, правительственные, экономические — пытаются сейчас (1993 год) провести реорганизацию по западному образцу. Западная модель отнюдь не совершенна, а советская система была не так плоха!
В Америке и в Британии существует постоянная «текучка» молодых кадров через научно-исследовательские группы, подобные группам Уилера и Сиамы. Студенты могут работать в этой группе до последнего курса, а на выпускном курсе они занимаются своим дипломом. Выпускники могут войти в группу и работать там от трех до пяти лет, а после защиты находят себе другое место работы. К этой группе могут присоединиться также и «постдоки» на два или три года, а затем они уезжают и либо организуют свою собственную группу в другом месте (как я в Калифорнийском институте) или вливаются в какую-либо другую группу. Практически никому в Британии и в Америке не 72
разрешают сидеть на одном месте под крылышком своего родного учителя, даже если ученик весьма талантлив.
Напротив, в СССР выдающиеся молодые физики (такие, как Новиков) обычно остаются рядом со своим преподавателем десять, двадцать, тридцать, а то и более лет. Ведущие советские физики, такие как Зельдович или Ландау, обычно работают в институте Академии наук, а не в университетах. Их преподавательская нагрузка мала или ее вообще нет. Оставляя у себя самых лучших студентов, они выстраивают вокруг себя постоянную, крепко спаянную и мощную группу исследователей, которые могут остаться с учителем даже до конца своей деятельности.
Некоторые из моих советских друзей считают американо-британскую систему недостаточно эффективной. Почти все крупные британские и американские физики работают в университетах, где исследовательская работа подчинена учебному процессу и где существует очень мало постоянных рабочих мест для создания долговременной и сильной группы исследователей. В результате, в Британии и в Америке в 1930—1950 годах не существовало групп физиков-теоретиков, которые могли сравниться с группой Ландау или в 1960—1970 годах с группой Зельдовича. Запад в этом смысле не мог соревноваться с Советским Союзом.
Некоторые из моих американских друзей, наоборот, считают советскую систему недостаточно эффективной. В СССР было очень трудно перемещаться из института в институт и переезжать из города в город, поэтому молодые физики, как правило, оставались со своими учителями. У них не было возможности организовывать свои собственные группы. В результате, как утверждали критики, возникала феодальная система. Учитель был как лорд, а его группа — как крепостные, пожизненно работавшие на феодала. Слуги и господа во многом зависели друг от друга, но вопроса о том, кто хозяин, не возникало. Если хозяином был такой большой мастер, как Зельдович или Ландау, действия группы были очень продуктивны. Если хозяин проявлял авторитарность и непонимание (как в большинстве случаев и происходило), результат был довольно трагичным: слабая творческая отдача и недостаточно высокий уровень жизни для «слуг».
При советской системе каждый большой учитель, такой как Зельдович, создавал всего одну научно-исследовательскую группу, хотя и очень высокопродуктивную. С ней не мог сравниться никто на Западе. Напротив, выдающиеся американские или британские учителя, такие как Уилер или Сиама, производят в качестве дочерних много меньших по размерам и более слабых групп, рассеянных по всей земле. Но эти группы могут иметь большой кумулятивный эффект. Американские и британские учителя имеют постоянный приток новых молодых людей для подержания творческого потенциала на должном уровне. В тех редких случаях, когда советские учителя хотели начать все сызнова, они должны были ломать связи со своей прежней группой. Подчас последствия этого были достаточно тяжелыми.
7.6. Силовые линии электрического поля, выходящие из горизонта событий электрически заряженной черной дыры. Слева: диаграмма. Справа: вид на диаграмму сверху
По сути дела, так и произошло с Зельдовичем. Он начал создавать свою группу из астрофизиков в 1961 г. К 1964 г. она уже превосходила любую другую группу теоретиков-астрофизиков в мире. В 1978 г., вскоре после окончания Золотого века, произошел драматический разрыв, группа распалась, почти все из нее ушли. Зельдович, конечно, был психологически травмирован, но при этом он обрел свободу для того, чтобы начать все сначала. Грустно, но его попытка не удалась. Никогда уже он не смог окружить себя такими талантливыми учеными, которыми он когда-то руководил с помощью Новикова. Новиков, который в предыдущей группе был помощником Зельдовича, стал теперь самостоятельным исследователем. В 1980-х Новиков возглавил реконструированную группу Зельдовича.