Двигатели гравитации

Поделиться в соц. сетях

 

Фрагмент книги Калеба Шарфа «Двигатели гравитации. Как черные дыры управляют галактиками, звездами и жизнью в космосе»


Это книга о замечательной науке, в арсенале которой есть и сложнейшие теории, описывающие природные явления, и созданные высокой человеческой мыслью, а также развитой интуицией способы получения и интерпретации наглядных изображений глубинных областей реальной Вселенной. Это история о физиках и астрономах, охотящихся за черными дырами, и о нашем стремлении понять, что в действительности происходит в космосе со звездами, галактиками, экзопланетами, и даже как обстоят дела с жизнью в других мирах. C тех пор как черные дыры в 1960–1970-е годы попали на страницы популярных изданий, они приковывают к себе особое внимание. Враждебные, разрушительные, искажающие течение времени, чрезвычайно странные — они подкидывают нам не только задачи для научных исследований, но и сюжеты для научно-фантастических книг и фильмов. По мере того как астрономы получали и обрабатывали потоки новых данных и составляли более полное представление о Вселенной и ее содержимом, они стали понимать, что черные дыры являются важными и, более того, ключевыми элементами Вселенной. Кроме того, выяснилось, что многие из них ведут себя устрашающе шумно и по своему характеру — буяны. Эти сумасшедшие, захватывающие и революционные открытия последних лет — готовый сюжет для настоящего блокбастера.

Эта книга как раз и рассказывает о той важной роли, которую, как я думаю, играют эти космические объекты. Черные дыры — настоящие гравитационные генераторы, причем самые эффективные генераторы энергии во всем космосе. И именно из-за этого своего качества они сыграли ключевую роль в формировании той Вселенной, которую мы видим сегодня. И, мне кажется, самое странное и причудливое свойство природы, на которое мы натолкнулись случайно, состоит в том, что наиболее разрушительные и недоступные для изучения элементы Вселенной являются одновременно и самыми важными. Про это стоит поговорить, и я надеюсь, что рассказ будет чрезвычайно увлекательным. Конечно, вся эта история основывается на серьезных работах массы выдающихся ученых. Их коллективный труд вдохновлял меня и повлиял на мое собственное мышление. И мне хотелось бы, прежде всего, чтобы и у вас при прочтении этой книги возникло ощущение открывшегося нам космического величия, чтобы вы смогли оценить масштабы и гениальность идей, вложенных в его познание. Если все же вы почувствуете желание узнать больше, то в примечаниях найдете небольшое количество ссылок из огромного моря литературы, откуда я выловил наиболее лакомые кусочки. А если нет — просто пролистайте книгу до конца, чтобы оценить непостижимую глубину человеческой мысли.

Я обнаружил, что писать о науке — занятие увлекательное. Потратив изрядную часть своей жизни на занятия самой наукой, я решил, что стоит попробовать подойти с другой стороны и написать рассказ о достижениях этой науки, который был бы достаточно популярным, но при этом позволил бы разъяснить ее суть. Многие факты и вдохновляющие идеи я почерпнул из разных источников. Отдельного упоминания заслуживают книги Кипа Торна, Митча Бегельмана и Мартина Риса. Эти и другие работы были весьма полезными на всем пути написания моего рассказа, ссылки на них приводятся в примечаниях в конце книги. Многим другим людям я приношу благодарность по самым различным причинам. Что касается написания книги: она никогда не увидела бы свет, если бы не усилия моего замечательного и проницательного литературного агента Деирдры Маллейн из литературного агентства «Маллейн» и огромной работы и необычайного мастерства Аманды Мун из Scientific American и издательства Farrar, Straus and Giroux, терпеливо руководивших мной в течение всего процесса издания.

Если говорить о научной части книги, то вся эта история в действительности зародилась двадцать лет назад, когда я начал работать под руководством двух видных ученых — Офера Лахава и Дональда Линден-Белла, которые щедро делились со мной своей мудростью и помогли мне стать профессиональным астрономом. На протяжении долгого последующего пути многие люди повлияли на меня и, сами того не ведая, вдохновили на написание этой книги. Назову лишь некоторых из них, тех, кого мне хотелось бы особо поблагодарить: это Кейт Джэхода, Ричард Машоцкий, Лоуренс Джонс, Эрик Перлман, Хэральд Эбелинг, Дональд Хорнер, Меган Донахью, Марк Войт, Энди Фабиан, Кейт Джендро, Эрик Готтхелф, Колин Норман, Виль ван Брейгель, Айэн Смэйл, Дэвид Хелфанд, Марк Бауц, Фриц Паерелс, Стив Кан, Фернандо Камило, Франциско Феличиано, Нельсон Ривера, Эрлин Кроттс, Золтан Хейман, Джоан Бэйкер, Михаэль Сторри-Ломбарди, Дэвид Шпигель, Кристен Мену, Бен Оппенгеймер, Адам Блэк, Мбамбу Миллер, Грег Барретт, Джейн Розенман, а также многие другие, которые поддерживали и воодушевляли меня.

За всю остальную помощь я в вечном долгу перед своей персональной группой поддержки — долготерпеливой семьей: матриархом Мариной Шарф, женой Бонни Скарбороу и дочерьми Лайлой и Амелией. И наконец, небольшое замечание перед тем, как вы начнете читать эту книгу. Как вид мы возникли в результате жестокой эволюции, продолжающейся уже 4 млрд лет и заставляющей нас работать, работать и еще раз работать. Мы делаем это для того, чтобы выжить, но для слишком многих из нас даже выживание все еще не гарантировано. Для других работа — это средство достижения цели, способ обеспечить себе комфортную жизнь, доставить удовольствие и даже некоторый покой. И тем не менее мы все должны время от времени улучать момент и останавливаться, чтобы вглядеться в звездное небо. Ведь мы такие крохотные, и наша жизнь тесно связана с удивительным и величественным космосом. Он — наше наследие. Мы должны быть горды своей ролью в нем и никогда не переставать испытывать интерес к нему.

Глава 1

Темная звезда

Мой компьютер стоит на рабочем столе среди разбросанных бумаг, заляпанных кофе. Все утро его экран оставался темным. Неожиданно он загорается, на нем появляется изображение. Откуда-то приходит послание. За несколько дней до этого высоко-высоко над Землей гигантская орбитальная обсерватория в течение сорока часов рассматривала рукава галактики Млечный Путь. Беспристрастными глазами своих камер она упорно всматривалась в крошечную область космоса вблизи созвездия Возничего (Auriga). Это направление — лучшее для обзора глубин космоса, где можно надеяться найти сокровище. Замечательная конструкция, с помощью которой производились измерения, — космическая обсерватория «Чандра» — была названа в честь Чандрасекара. На создание «Чандры» ушло несколько десятилетий, над ней работали сотни людей из разных стран. Кровь, пот, слезы, любовь конструкторов и лучшие технологии современной цивилизации воплотились в совершенных поверхностях и сверхточных устройствах, установленных внутри этого потрясающего сооружения. За то время, что обсерватория постепенно превращалась из мечты в реальность, многие участники проекта сделали карьеры, у других они успели закончиться. Наконец станцию отправили в космическое пространство на шаттле «Колумбия», сконструированном и построенном в NASA, где на заданной орбите, со всеми предосторожностями, она была выпущена на волю из «брюха» межпланетного корабля, явив миру яркий пример бесконечного человеческого любопытства. И вот станция поймала какое-то дуновение из глубин космоса. Прилетевшие фотоны — частицы света — проделали свой путь через фильтры, отразившись в многочисленных зеркалах, и сформировали изображение на кремниевом сенсоре цифровой камеры. Затем это изображение, закодированное и превращенное в поток данных, было послано сначала в виде СВЧ-волн на наземную станцию, а с нее переслано в разные точки Земли. Обработанное и переданное на другой конец континента, оно проделало еще один отрезок пути в сотни миль по проводам и оптическим волокнам и, наконец, сформировало черно-белое изображение на экране моего маленького компьютера, установленного в неряшливом офисе, расположенном на десятом этаже дома на одной из улиц Манхэттена. Вот что такое технологии XXI в.!

Естественно, мы не можем рассчитывать найти в любой заданный момент что-либо особо примечательное в огромном потоке приходящих данных, с которыми имеет дело современная наука. Ученые научились терпению, и этот урок дался им непросто. Однако в данном изображении на фоне шума угадывалась структура. Она была неясной и небольшой, но без сомнений — она была. Я смог разглядеть яркую точку, справа и слева от которой были заметны какие-то размытые светлые полоски. Все это напоминало стрекозу, распластанную на куске картона. Было в этом изображении нечто любопытное. Возникло ощущение чего-то необычного. Уличный шум эхом отдавался в каньоне, образованном высокими зданиями за моим окном, но на мгновение он стих. В этот момент я как бы покинул Землю и оказался в очень отдаленном уголке Вселенной. Фотоны, образовавшие это изображение, начали свое путешествие 12 млрд лет назад. Это были рентгеновские лучи, невидимые человеческому глазу, но способные проходить сквозь мягкие ткани тела. За 12 млрд лет они беспрепятственно пересекли космос. Но пока они путешествовали, Вселенная изменилась, пространство само расширилось, а с ним удлинились и электромагнитные волны, фотоны охладились, а их энергия уменьшилась. Когда они отправились в путешествие, не существовало звезды, называемой Солнцем, не было и планеты под названием Земля. И только когда фотоны уже пролетели две трети своего пути, в этой еще невозможно далекой от них галактике из части распадающейся туманности — облака межзвездного газа и пыли — возникли новые звезды и множество новых планет, одна из которых стала впоследствии нашим домом. Когда Земля сформировалась, эти фотоны были уже древними частицами семи миллиардов лет от роду, пересекшими огромные просторы космоса. Прошло время. Где-то на Земле комплекс молекулярных структур начал воспроизводить сам себя — возникла жизнь. Еще через два миллиарда лет фотоны подлетели к тем отдаленным областям пространства, которые мы сейчас могли бы назвать знакомой нам Вселенной. Здесь расположены огромные суперкластеры и структуры галактик, похожие на сети, которые мы смогли нанести на карту. Простираясь на десятки или сотни миллионов световых лет, они образуют подобие скелетов, те обрастают галактиками и звездами, стягиваемыми гравитационными силами. Миллионы галактик и квинтильоны звезд протянулись сквозь космос. А на Земле тем временем эволюция уже привела к появлению первых клеток нового вида жизни — микроорганизмов — эукариотов, наших прямых предков. Эти неутомимые микроскопические существа выплыли в поисках пищи.

Прошел еще один миллиард лет, и фотоны влетели в действительно хорошо знакомый нам уголок пространства, где сейчас уже с помощью наших приборов мы нанесли на карту границы галактик и огромные пустые лакуны. Здесь помещаются структуры со знакомыми именами вроде Abell 2218 и Zwicky 3146 — огромные гравитационные скопления галактик, называемые кластерами. А на Земле возникли самые первые по-настоящему многоклеточные организмы, и воздух заполнился кислородом. Воздействие этого элемента таково, что оно приводит к появлению нового типа метаболизма, в результате произошла революция: уже через 500 млн лет земная суша покрылась экзотической растительностью, использующей молекулярный механизм фотосинтеза. Суперконтинент Гондвана, самая большая часть суши на планете, приобрел странный зеленоватый оттенок. Фотоны упорно продолжали свое путешествие, пролетая регионы, которые станут впоследствии постепенно изучаться еще неродившимися астрономами. По соседству находятся огромные кластеры галактик, которые мы будем называть по именам созвездий, в которых их видим: Кома, Центавр, Гидра. Из этих краев Вселенной впереди — по ходу полета фотонов — в небе видны тысячи световых пятнышек, одно из которых — наша галактика. Потребовалось 490 млн лет, чтобы фотоны достигли нашей Местной группы галактик. Некоторые из этих галактик огромны, например, Туманность Андромеды и Млечный Путь, а некоторые — малы, такие как карликовые галактики Кит, Пегас, Форнакс, Феникс. Эти места в космосе ничем не примечательны, там, возможно, в сумме насчитывается всего несколько триллионов звезд или что-то около того.

На Земле многие важнейшие эпохи пришли и ушли. Почти 60 млн лет как не видно динозавров. Континенты и океаны радикально изменились, уже четко проявились контуры нашего современного мира. Расплодились птицы и млекопитающие. Черное, Каспийское и Аральское моря начали отделяться от океана Тетис и моря, которое в будущем станет Средиземным. В последующие несколько миллионов лет фотоны попадают в гравитационное поле в окрестностях нашей галактики. Теперь Млечный Путь им видится как отчетливое светящееся пятно, простирающееся по мере приближения через все небо. На третьей по дальности планете от скромной звезды класса G (желтого карлика), чья орбита расположена во внешнем рукаве этой спиральной галактики, появился новый тип прямоходящих животных, передвигающихся на двух ногах. Когда они оставили свои следы на остывшей вулканической лаве в ущелье Олдувай (Olduvai Gorge), фотоны подлетели еще ближе. Почти 12 млрд лет они летели без остановки, даже не замедлившись — ведь они частицы света, движущиеся в пространстве и времени всегда с той же самой скоростью, которую они имели при рождении. Еще через два миллиона лет фотоны достигли внешнего края нашей галактики, похожей на огненное колесо фейерверка. А на Земле наступил большой ледниковый период. Огромные ледяные шапки расползлись от полюсов, накрыв всё Северное полушарие. Эти глубокие перемены в окружающей среде изменили поведение и судьбы потомков гоминидов — людей. Их группы начали мигрировать и изучать окрестности. Территории, бывшие когда-то неглубокими морями, теперь стало возможным пересечь пешком. Еще 12 000 лет, и фотоны уже летят сквозь спиральный рукав Персея, состоящий из звезд, газа и пыли. Вот уже и лед на Земле отступил, и ареалы обитания людей стали появляться повсюду. Зародились и исчезли великие культуры, в разных уголках планеты — от Ближнего Востока до Азии, от Африки до Южной Америки и Океании — стали появляться новые цивилизации.

Фотоны вошли в другой рукав нашей галактики — Шпору Ориона — и пролетели сквозь саму Туманность Ориона — большое красивое облако газа и пыли, место рождения новых звезд и кладбище старых. До конца их великого путешествия остается тысяча лет. Китайские и ближневосточные астрономы увидели в небе новый яркий объект. Не зная того, они наблюдали сверхновую — взрыв звезды и ее смерть. Через десятилетие, в 1066 г., герцог Нормандии Вильгельм, с унизительным прозвищем Незаконнорожденный, повел свои войска на завоевание островного королевства, поскольку претендовал на английский трон. Перед его вторжением небо пересекла яркая комета, впоследствии названная кометой Галлея, и это знаменательное событие было запечатлено на эпическом гобелене из Байё. Тогда многие считали появление кометы знаком свыше. Это было восемнадцатое зафиксированное наблюдение кометы Галлея, которая появляется раз в 75 лет. Короли и королевы, императоры и императрицы всходили на престол и лишались его. Войны начинались и в конце концов заканчивались. Люди мигрировали и осваивали планету. Эпидемии, извержения вулканов, землетрясения и наводнения мучили Землю, но со временем все успокаивалось. 600 лет пролетело как один космический миг. Фотоны уже находятся от Земли на том же расстоянии, что и звездное скопление Плеяды, известное также под именем Семь Сестер2. Отсюда Солнце кажется просто светящейся точкой. В это время Галилей с помощью телескопа изучал спутники Юпитера и понял, что они вращаются вокруг этого небесного тела, а не вокруг Земли. Прошло еще полвека, и Ньютон  сформулировал физические законы, которые описывают свойства движения и гравитации. А фотоны продолжали свое движение сквозь пустое межзвездное пространство, гораздо более пустое, если сравнивать его размеры с размерами звезд, чем межгалактическое пространство по сравнению с размером галактик. Прошло еще несколько сот лет. Две мировые войны — Первая и Вторая — опустошили Северное полушарие. Фотоны пролетели мимо некоторых звезд, входящих в созвездие Возничего, которое можно наблюдать на Земле в местах с хорошим обзором. Вспыхнула Вьетнамская война, из всех окон разносились песни группы The Beatles. «Аполлон-8» запущен на орбиту вокруг Луны, и впервые в истории человечества стало возможным увидеть восход Земли над лунным горизонтом.

Через несколько десятилетий фотоны достигли границ Солнечной системы. Продравшись сквозь магнитную оболочку гелиопаузы (границы области, внутри которой солнечное влияние преобладает над влиянием межзвездного пространства), они оказались всего лишь в нескольких часах пути от цели. И наконец, как будто участвуя в некой масштабной космической трагедии, они попадают в плен и оказываются в цилиндре диаметром всего четыре фута (~122 см), что составляет всего 0,0000000000000000001% диаметра галактики Млечный Путь, в которой этот цилиндр притаился. Вместо того чтобы улететь в бесконечность, фотоны заканчивают свой путь на далекой земной орбите, в огромной обсерватории «Чандра», где они попадают в систему зеркал в виде встроенных одна в другую стеклянных труб, покрытых иридием. В следующие несколько наносекунд эти древние фотоны рентгеновского диапазона встречают, наконец, на своем пути препятствие — кусочек тщательно отполированного кремния, который сам состоит из атомов, созданных в недрах другой звезды, умершей уже миллиарды лет назад. Когда фотоны падают на пластинку кремния, они, поглощаясь в крошечных пикселях камеры, выбивают электроны. Так фотоны заканчивают свой длинный, 12-миллиардолетний путь через космос. В следующие несколько секунд автоматически включается напряжение, которое гонит электроны по направлению к электродам (подобно тому как крупье сметает фишки на столе для игры в рулетку). Затем эти электрические заряды регистрируются, и в конечном счете наши фотоны превращаются в нечто качественно новое — информацию.

На экране моего компьютера в нью-йоркском офисе эта информация становится изображением — уникальным отпечатком, по которому можно судить об интенсивности и энергии зарегистрированного излучения. Здесь мы обнаруживаем следы молодой и чрезвычайно массивной черной дыры, безжалостно рвущей на части вещество в небе отдаленной и в настоящее время уже древней галактики. У дыры непомерный, неутолимый аппетит. Но обнаруживается и нечто новое и неожиданное. Эта обжора распространяет свое присутствие на огромные расстояния, распихивая, формируя, меняя окружающую Вселенную. Световые пятна в виде крыльев стрекозы тянутся от яркой части изображения, в которой притаилась черная дыра. Их реальные размеры трудно вообразить — они составляют в поперечнике сотни тысяч световых лет. Их истинная яркость огромна — она в триллион раз больше, чем у нашего Солнца. Они просто заливают древнюю галактику радиацией, каким-то образом генерируемой центральным монстром.

Изображение, сформированное рентгеновскими фотонами, летевшими к нам 12 млрд лет. Это изображение кажется нам разбитым на пиксели, так как оно получено на пределе разрешения приборов. На изображении видно яркое пятно, а рядом с ним — структура странной формы в виде крыльев стрекозы, протяженность которых составляет сотни тысяч световых лет. Это изображение таинственного колосса, пересланное из космических глубин.

Часть моей книги посвящена рассказу про этот удаленный уголок Вселенной. За последние несколько десятилетий сложилась замечательная и странная картина происходящего, причем она намного шире тех фантастических и понятных лишь посвященным результатов исследований экстремальных областей времени и пространства, которыми и занималась раньше наука о черных дырах. Астрономы в конце ХХ – начале ХХI вв. обнаружили, что черных дыр, во-первых, много, а во-вторых, что они очень разные. Мы думаем, что, хотя большинство из них возникает как сравнительно маленькие объекты с массой всего в несколько масс Солнца, многие умудряются вырасти в гораздо более крупные образования. Самые большие из известных нам дыр имеют массу, достигающую десятков миллиардов масс нашего Солнца. Цифры поражают воображение и ломают наши фундаментальные представления о том, как все объекты и структуры, которые мы видим во Вселенной, стали такими, какие они есть сейчас. В то же время черные дыры не являются невидимыми и безучастными, как считалось раньше. Мы пришли к заключению, что наука о черных дырах очень важна и актуальна. Их наличие заметно и сильно ощущается через весь космос, они сыграли ключевую роль в том, что Вселенная стала такой, какой она была в отдаленном прошлом и какой является сейчас. Поэтому черные дыры оказывают сильнейшее влияние на свое окружение и условия, в которых формируются планеты и планетарные системы, а также на их элементный и химический состав. Жизнь, частью которой мы являемся, фундаментально связана со всеми этими событиями. Мысль о том, что жизнь во Вселенной напрямую зависит от черных дыр, может, и звучит странно и неестественно, но это оказалось чистой правдой, и мы собираемся рассказать эту историю.

Вначале, чтобы объяснить, как появилось на экране моего офисного компьютера изображение этого эпохального катаклизма, я должен перевести стрелки часов на пару сотен лет назад, к тем временам, когда маленькая армада фотонов еще стрелой мчалась через окраины рукава Ориона в галактике Млечный Путь. А здесь, на Земле, начиналась другая эра — эра великих перемен и новых идей, и главные события тогда происходили в некотором маленьком уголке нашей планеты.

Приходская церковь Святого Михаила, с ее суровой каменной башней, расположенная вблизи деревни Торнхилл в графстве Западный Йоркшир в Англии, выглядит неподходящим местом для исследования загадок природы. Хотя, возможно, в окружающей холмистой местности, покрытой летом зеленью, и суровом зимнем небе есть что-то, что может побудить погрузиться в глубокие размышления о космосе. И в самом деле, в 1767 г. в маленькой торнхиллской общине случилось замечательное событие. Там появился новый пастор, и он оказался выдающимся эрудитом и мыслителем, а мысли его витали в высоких эмпиреях. В свои 43 года Джон Мичелл был уже крайне уважаемой фигурой в британских академических кругах. Он провел большую часть своей жизни в интеллектуальных занятиях и удостоился звания вудвордского профессора геологии в Кембридже. Его интересы простирались от гравитации имагнетизма до геологической природы Земли. Несмотря на его высокую научную репутацию и известность, до нас дошли лишь немногие детали частной жизни Мичелла. В некоторых воспоминаниях он описывается как низенький, кругленький и по существу физически ничем не примечательный человек. Другие описывали его живой и беспокойный ум и то, как он однажды встретился с Бенджамином Франклином, а также то, что он хорошо знал древнегреческий и иврит, был прекрасным скрипачом и поддерживал оживленную атмосферу в общине, наполненную дебатами и исследованиями. Еще известно, что, когда несколькими годами раньше, в 1760 г., работая в Квинс-колледже в Кембридже, он сделал работу по исследованию землетрясений, за ним закрепилась репутация основоположника современной сейсмологии. А десятилетием ранее он написал трактат о природе магнитов и их изготовлении. Он также написал работы по навигации, астрономии и по своим наблюдениям за кометами и звездами. Хотя, возможно, Мичелл не отличался особыми физическими данными, но его проницательный взгляд видел то, что другим было недоступно.

Мы можем только предполагать, что при церкви Святого Михаила Мичелл, видимо, имел достаточный для безбедной жизни доход, дом для себя и семьи и мог вести сравнительно спокойный образ жизни. Возможно также, что этот образ жизни позволял ему отвлекаться от научных дебатов, которые он проводил в близлежащем Лидсе, и от великих перемен, происходящих в окружающем мире. В Европе началась промышленная революция, Екатерина Великая правила Россией, на Западе разгоралась американская революция. Меньше чем за сотню лет до этого Исаак Ньютон опубликовал фундаментальную работу о природе сил и гравитации. То был золотой век науки, которая приобретала современные очертания, вооружаясь все более сложным математическим аппаратом и технологическими возможностями. Когда Джон Мичелл изучал астрономию, одна проблема вызвала его особый интерес. Она была одновременно и фундаментальной, и практической. Уже было ясно, что звезды в ночном небе — сородичи нашего собственного Солнца, но оставался кажущийся простым вопрос, на который ученые в то время не могли ответить. Из геометрических соображений ясно, что в нашей Солнечной системе Солнце много больше любой планеты. Из этого следовало, что можно сравнительно просто оценить массу Солнца, используя рассчитанное расстояние планет до Солнца и периоды обращения их по орбитам. Ньютон показал, как это сделать. Ньютоновский универсальный закон тяготения в виде простой формулы связывал массы двух тел, расстояние между ними и период вращения одного тела вокруг другого. Если принять массы планет ничтожно малыми по сравнению с массой Солнца, из периодов обращения их по орбитам можно вычислить истинную массу Солнца.

Но проблема, которой озаботился Мичелл, была не в измерении массы Солнца, а в измерении массы удаленных звезд. Еще нельзя было увидеть планеты, обращающиеся вокруг таких звезд, что могло бы свидетельствовать о силах их взаимного притяжения. Даже физическая природа звезд была еще неясной. Астрономы понимали, что они были яркими горячими объектами, и это заключение делалось по аналогии с тем, какое воздействие Солнца мы испытываем на Земле, хотя и тогда, и в последующие 70 лет истинные расстояния между ними были еще неизвестны. Но тем не менее становилось все более понятным, что персидские и китайские астрономы в Средние века были на правильном пути, когда считали, что звезды находятся в отдаленной Вселенной и их движение подчиняется тем же физическим законам, что и движение тел в нашей Солнечной системе. Если бы знать их истинные размеры, намного легче было бы уяснить их точную природу. Мичелл имел на удивление гибкий ум. В конце XVIII в. термин «статистика» был введен в науку только незадолго до Мичелла, основы теории вероятности сформулировали всего лишь столетие назад. Идея приложения этого аппарата к реальным научным проблемам находилась в стадии зарождения. И тем не менее, когда Мичелл рассматривал астрономические карты и таблицы, он использовал статистические аргументы для анализа данных о расположении звезд и показал, что многие из них не были изолированными. Он предположил, что некоторые пары звезд могут быть физически связаны друг с другом — их называют «двойными звездами». Это предположение не было проверено до 1803 г., когда астроном Уильям Гершель провел исследование движения звезд. Если бы во времена Мичелла можно было наблюдать реальные орбиты двойных звезд, то, воспользовавшись формулой Ньютона, можно было бы оценить их полную массу. Но такие наблюдения еще не были доступны астрономам, так что для оценки массы единичной удаленной звезды необходимо было изыскивать другой подход.

И Мичелл нашел невероятно остроумное решение. За сто лет до него Ньютон высказал гипотезу о том, что свет это поток «корпускул» — крошечных частиц, которые летят по направлению световых лучей. Мичелл же предположил, что, если свет состоит из таких корпускул, на них, как и на другие объекты, должны действовать силы. На свет, исходящий из удаленной звезды, должны, следовательно, действовать гравитационные силы, которые его замедляли бы. В конце XVIII в. уже было известно, что скорость света чрезвычайно высока — около 300 000 км/с. Мичелл знал, что даже такой большой монстр, как Солнце, может лишь слегка замедлить свет. Но если бы это изменение скорости как-то удалось измерить, то можно было бы вычислить и массу изменяющей скорость света звезды. 27 ноября 1783 г. Мичелл представил свои идеи, касающиеся этой проблемы, Лондонскому королевскому обществу. Название статьи Мичелла было поразительным примером многословия и уклончивости: «О методике измерения удаленности, размеров и прочих характеристик неподвижных звезд по уменьшению скорости исходящего от них света в случае, если будет найдено, что такое уменьшение для любой из них имеет место, а также о необходимости проведения для этой цели дальнейших наблюдений для получения дополнительных данных».

Представляя свою работу Королевскому обществу, Мичелл сформулировал свои аргументы, позволяющие вычислять массы звезд. Его логика была проста: «Давайте представим, что на частицы света действуют такие же силы притяжения, как и на другие знакомые нам объекты …, поскольку закон гравитации, насколько нам известно или насколько мы имеем основания полагать, является универсальным законом природы». Идея понравилась аудитории, которая была сведуща в ньютоновской физике, и по всем отзывам привела ее в возбуждение. Теория замедления света за счет гравитации оказалась заманчивой. Концепция Мичелла была очень смелой. Установление того факта, что звезда или другой космический объект оставляет свои «отпечатки пальцев» на свете, который исходит из нее и который мы в конечном счете регистрируем, можно по праву считать огромным достижением в современной астрономии. Возможность понять природу космического объекта, анализируя исходящий от него свет, сегодня является ключевым методом исследования Вселенной. Но Мичелл пошел еще дальше. Решив эту оригинальную проблему, пастор Торнхилла воодушевился. Его следующей важной целью было доказать, что объект может быть достаточно массивным, чтобы остановить пытающуюся улететь корпускулу света и притянуть назад. Используя некоторые математические кунштюки, Мичелл подсчитал, какую массу должен иметь объект, который был бы в состоянии остановить свет. Он сделал это, переформулировав задачу. Допустим, тело падает на звезду из бесконечности и достигает скорости света в точке падения на поверхность, тогда сила гравитации звезды должна быть настолько большой, чтобы воспрепятствовать свету распространяться в противоположном — от звезды — направлении. Если такая звезда обладает плотностью Солнца, ее диаметр по сравнению с Солнцем, как рассчитал Мичелл, должен быть в 500 раз больше. Его четкие выводы, представленные аудитории Королевского общества, были сформулированы предельно ясно: «…свет, испускаемый такой звездой, вынужден будет вернуться под действием силы тяжести самой этой звезды». Из расчетов Мичелла следовало, что во Вселенной могут быть объекты, которые захватывают весь свет, исходящий с их поверхности, и такие объекты должны быть во всех смыслах невидимыми. Единственный способ отследить их присутствие — попытаться увидеть их влияние на другие объекты. Такие массивные объекты в ньютоновской физике с того времени стали называться «темными звездами Мичелла».

Через десять лет после того, как Мичелл сформулировал свои идеи в сонном английском захолустье графства Западный Йоркшир, замечательный французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас пришел независимо к тем же выводам. Родившийся в Нормандии Лаплас был научным гением, его математический талант быстро вывел его в выс шие академические круги Франции. Когда ему было всего двадцать, он в одиночку разработал теорию, описывающую стабильность орбит планет, и также участвовал в создании современного исчисления, а позже опубликовал пионерские работы в области теории вероятности и математической физики. Объекты, которые Мичелл назвал «темными звездами», у Лапласа стали называться «черными звездами», и он написал о них в 1796 г.: «Таким образом, возможно, что самые большие во Вселенной светящиеся тела невидимы».

Хотя ученые заинтересовались идеями Мичелла, нет свидетельств того, что он по этому поводу общался когда-либо с Лапласом. Эта концепция почти все последующее столетие не была в полной мере понята. Корпускулярная теория света Ньютона вышла из моды, поскольку не смогла объяснить более поздние оптические эксперименты. Лаплас без особого шума даже изъял описание черных звезд из последующих изданий своей эпохальной работы Exposition du système du monde («Система мироздания»). Сейчас мы знаем, что фундаментальное предположение Мичелла и Лапласа о том, что свет может замедляться гравитацией, на самом деле неправильно. В действительности все оказалось гораздо более удивительным. Тем не менее эта идея стала поворотной в представлениях о массивных космических объектах. Концепция о возможности существования в пространстве огромных, невидимых ниоткуда объектов, оказалась революционной. Даже еще более необычным было предположение о том, что самые массивные и яркие объекты (испускающие наибольшее число фотонов, или корпускул, в любой заданный временной интервал) могут нами восприниматься как самые темные. Революционность этих идей была оценена много позже.

Два ключевых события заставили по прошествии времени вернуться к идее Мичелла о темных звездах. Первое из них произошло в холодном кливлендском подвале, в штате Огайо в 1887 г. Конец XIX в. ознаменовался прорывом в нашем понимании свойств света и электромагнетизма. Десятилетия экспериментов показали, что электрические токи порождают магнитные поля, в то же время движение проводников в магнитных полях приводит к появлению в них электрических токов. Когда усовершенствовались методы точных измерений этих токов, напряжений и полей, уточнились и математические выражения, связывающие их величины. Прорыв произошел в 1861–1862 гг., когда шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл сформулировал систему уравнений, увязывающих все эти физические величины друг с другом. В его уравнениях содержалось и еще много всего интересного. Центральной частью работы Максвелла была система из четырех уравнений. На языке математики они называются дифференциальными уравнениями в частных производных. Они связывают электрические заряды и токи с магнитными полями и потоками для любых случаев — от простой электростатики до сложнейших задач электромагнетизма. Максвелл был блестящим и упорным ученым, опубликовавшим свою первую научную статью в 14 лет. При выводе уравнений он обнаружил, что у них могут быть гораздо более глубокие применения. Магнитное поле обычно не может существовать без электрического поля, причем справедливо и обратное утверждение. Он понял, что эта взаимосвязь полей означает, что волна электрического поля должна распространяться в пространстве в сопровождении волны магнитного поля. Простейшим зрительным образом этого явления могут служить две параллельные веревки, которые мы одновременно встряхнем и пустим по ним волны, форма которых напоминает последовательность чередующихся холмов и долин и математически описывается функцией синуса. Когда волна электрического поля достигнет максимума или минимума, то же самое произойдет и с волной магнитного поля. Распространяющееся электрическое поле производит распространяющееся магнитное, и наоборот. В каком-то смысле это напоминает вечный двигатель. Максвелл обнаружил, что он может еще и вычислить скорость распространения этого «электромагнитного излучения». К своему удивлению, он нашел, что она совпадает со скоростью света. Позже Эйнштейн написал: «Вообразите чувство, которое испытал [Максвелл], когда из выведенных им дифференциальных уравнений стало очевидным, что электромагнитные поля распространяются в виде поляризованных волн со скоростью света!»

Максвелл установил и доказал, что свет представляет собой электромагнитное излучение. Этим он забил последний гвоздь в гроб ньютоновской корпускулярной теории света: ни электрическое, ни магнитное поле не имеют массы, следовательно, «безмассов» и сам свет. Уравнения Максвелла остаются совершенно справедливыми и сегодня. Но, помимо всей красоты и универсальности их применения, в них спрятано и некое еще более глубокое и удивительное свойство природы. Ни при каких конфигурациях электрических и магнитных полей скорость их распространения не меняется. В уравнениях пряталось предположение о постоянстве скорости света. Но и это еще не все. Если свет — электромагнитная волна, то необходима среда, в которой эта волна бы распространялась. Однако свет легко проходил сквозь вакуум. Так что же было светоносной средой? Многие физики, обсуждая уравнения Максвелла, пытались объяснить механизм распространения света. Наиболее популярной идеей, выдвинутой научным сообществом, была гипотеза «светоносного эфира» как невидимой среды, которая пронизывает Вселенную и позволяет распространяться электромагнитным волнам из одной точки в другую. Но с этой теорией не все так гладко. Даже если свет просто проходит через невидимый эфир с фиксированной скоростью, мы должны увидеть изменения его наблюдаемой скорости, поскольку сами движемся относительно эфира, например, на лошади, пешком, на поезде или просто оказавшись на планете, вращающейся вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с. Если применить принципы галилеевой и ньютоновской физики, скорость света должна при этом казаться нам разной.

Проверка этого — очень сложная задача. Поскольку свет распространяется с огромной скоростью в 300 000 км/с, даже скорость вращения Земли вокруг Солнца только на 0,01% могла бы изменить кажущуюся скорость его распространения в эфире. Измерение скорости света с большой точностью в лаборатории — трудное дело и сейчас. В конце XIX в. даже очень тщательно продуманные эксперименты, равно как и возможности приборов того времени, не позволяли получить точность, необходимую для определения разницы между абсолютной и кажущейся скоростью света. Позже, в 1887 г., два американских ученых — Альберт Майкельсон и Эдвард Морли — сконструировали оригинальную установку для измерения скорости света с беспрецедентной точностью. Майкельсон был известным физиком-оптиком. Он к этому времени уже потратил много сил на попытки измерить скорость света более точно (фактически это стало делом его жизни). За несколько лет до этого он провел эксперименты на прототипе установки, пытаясь добиться большей точности. Теперь он объединил усилия с Морли — профессором химии, замечательным экспериментатором. Вдвоем они начали собирать обновленный вариант установки. Чтобы избежать даже малейших температурных искажений или вибраций в процессе измерений, они поместили установку на массивную мраморную плиту, которая плавала на деревянном поплавке в небольшом сосуде с ртутью. Эта плотная жидкость позволяла легко поворачивать установку. Для пущей предосторожности вся конструкция крепилась на очень прочном фундаменте спального корпуса теперешнего Западного резервного университета Кейса (Кливленд, шт. Огайо). В эксперименте очень тонкий луч света расщеплялся при отражении от полупрозрачного зеркала, покрытого серебром (что-то вроде тонированного стекла), наклоненного под углом 45° к лучу. Два полученных пучка, распространявшихся под прямым углом друг к другу, бегали туда-сюда по разным диагоналям мраморной плитки, отражаясь от системы обычных зеркал, расположенных по ее углам. После десятка таких отражений пучки снова сводились вместе на полупрозрачном зеркале в центре плиты и попадали в небольшую зрительную трубу. В такой схеме лучи света пробегали гораздо больший путь, чем расстояние между зеркалами, усиливая таким образом эффект влияния разницы скоростей света в двух пучках, если таковая действительно имела место. Идею этого эксперимента Майкельсона–Морли иллюстрирует рисунок.

Идея эксперимента Майкельсона–Морли (time — время, position — положение). Представьте себе двух рыб в реке с течением (в эфире). Первая рыба (1) плывет к бакену, закрепленному на некотором расстоянии от нее, в направлении, перпендикулярном течению реки, и обратно. А вторая (2) плывет в направлении другого бакена, закрепленного выше по течению на том же расстоянии, что и первый бакен, и обратно (см. левую часть рисунка). Обе рыбы всегда прикладывают одинаковые силы, чтобы преодолеть сопротивление среды. Майкельсон и Морли понимали, что для совершения кругового путешествия рыбам потребуется разное время и что фотоны, если они взаимодействуют со средой, должны вести себя подобным же образом. На правой части рисунка отложено положение каждой рыбы в заданный момент. Для рыбы, плывущей поперек течения (1), на пути туда и обратно поток воды сбоку давит одинаково. А рыбе, плывущей против и по течению (2), сначала приходится бороться с течением, когда она плывет против него, но потом, когда она плывет по течению обратно, оно помогает рыбе. Тем не менее первая рыба (1) всегда приплывет к точке старта первой, как будто она плывет быстрее. Это в точности та самая идея, которую собирались реализовать Майкельсон и Морли, заставляя два луча света пробегать туда-сюда между зеркалами (поперек течения гипотетического эфира и параллельно ему).

Опыт Майкельсона–Морли был в принципе блестяще продуман. Предположим, лучи света распространяются в светоносном эфире. Тогда скорость того луча, который летит параллельно орбитальному движению Земли, по всей видимости, не совпадет со скоростью луча, распространяющегося в направлении, перпендикулярном орбите. Разница в скоростях приведет к смещению соответствующих световых волн. Когда они снова встретятся, световые волны не наложатся точно друг на друга, а произойдет их интерференция, возникнет изображение концентрических светлых и темных колец, радиусы которых могут быть измерены с помощью зрительной трубы, в которую направляются лучи света. Таким образом, Майкельсон и Морли использовали саму природу света, чтобы создать тончайший инструмент, необходимый для таких сложных измерений. Это был красивейший эксперимент, один из тех, которые навсегда вошли в историю науки, поскольку он завершился сокрушительной неудачей. При всем огромном мастерстве Майкельсона и Морли и всем совершенстве созданной ими установки измерения показали, что не заметно абсолютно никакой разницы в скоростях пучков света, распространяющихся в разных направлениях. И этот результат воспроизводился вне зависимости от времени суток, времени года, положения мраморной плиты и температуры воздуха в Кливленде, а также курса акций на бирже во время проведения измерений. Либо эфир, через который лучи света распространялись, не подчинялся известным законам физики, либо он вообще не существовал. Ученые старательно описали этот эксперимент со всеми деталями в своей статье в American Journal of Science («Американском научном журнале»). Отчаявшись проинтерпретировать результаты своих экспериментов, они высказали несколько гипотез по поводу того, почему они не получили ожидаемых результатов. Ни одна не звучала сколько-нибудь правдоподобно. Единственный вывод, который они смогли сделать, состоял в том, что если бы светоносный эфир существовал, Земля не могла бы столь быстро сквозь него двигаться. Последующие усилия и Майкельсона, и Морли, равно как и других ученых, не привели к прогрессу. Все их блестяще проведенные эксперименты не смогли выявить ничего нового, и стало чрезвычайно трудно придерживаться гипотезы эфира. Взамен требовалось придумать что-то новое.

Второй основополагающий сдвиг в научном сознании, который фактически вернул из небытия темные звезды Мичелла, произошел благодаря молодому немецкому патентному клерку, жившему в Швейцарии. До тех пор пока Альберт Эйнштейн не опубликовал свою специальную теорию относительности в 1905 г., таинственные свойства света продолжали интриговать физиков. Эта его работа бесповоротно изменила наши представления о реальности. В тот же момент такие кусочки пазла, как постоянство скорости света, неожиданно повернулись нужными сторонами и идеально встали на свои места. Фактически прорыв, произведенный Эйнштейном, стал результатом глубокого понимания им уравнений Максвелла. Оказалось, что уравнения уже содержали правильное математическое описание природы. Нужно было только найтись человеку, который смог бы осознать это. В специальной теории относительности Эйнштейна содержатся два фундаментальных постулата. Первый гласит, что законы физики не меняются в зависимости от системы отсчета, в которой вы находитесь, — концепция, выдвинутая еще итальянским астрономом Галилео Галилеем. Вы можете сидеть в кресле на террасе на тропическом острове, а можете быть пристегнутым к креслу ракеты, мчащейся со скоростью, составляющей десятки тысяч километров в час, но вы увидите, что в любом уголке Вселенной действуют одни и те же законы физики.

Что касается второго постулата, то такого до Эйнштейна еще никто не говорил. Он предположил, что скорость света остается постоянной независимо от скорости, с которой движется его источник. Это утверждение противоречит нашему каждодневному опыту, интуиции и ньютоновской механике. Но зато с его помощью можно покончить с мучениями Майкельсона и Морли, забыть об эфире и объяснить справедливость уравнений Максвелла. Отсюда еще становится понятно, что свет — явление совершенно фундаментальное для нашей Вселенной. В наши дни с изобретением лазеров и с использованием более сложного экспериментального оборудования скорость света можно измерять со сверхвысокой точностью — с относительной погрешностью не больше двух к десяти триллионам. Эйнштейн оказался прав. Скорость света в вакууме совершенно не меняется и не зависит от того, как движутся источник света и наблюдатель. Из этого простого факта вытекает много удивительных физических свойств нашей Вселенной. Само время становится важнейшей составляющей любой системы координат,течение времени оказывается относительным — оно зависит от того, как движется наблюдатель относительно происходящего события. Энергия движущегося тела по сравнению с простой формулой ньютоновской физики также меняется. Эйнштейн установил, что и неподвижное тело обладает так называемой энергией покоя (E), определяемой его массой, и вывел соотношение E = mc2, ставшее впоследствии знаменитым. По мере того как тела, имеющие массу, движутся все быстрее и быстрее, их кажущаяся полная масса, или инерция, возрастает, стремясь к бесконечности при приближении скорости движения к скорости света. Эйнштейн предположил в связи с этим, что реальный объект , имеющий массу, никогда не сможет достичь скорости света или превысить ее, поскольку для этого нужно было бы к нему приложить бесконечно большую силу.

Специальная теория относительности применима для случаев, когда движение объектов друг относительно друга или относительно наблюдателя равномерно (их скорости не меняются). Но десятью годами позже, в 1915 г., Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, которая включила в рассмотрение и случаи ускоренного движения, и явление гравитации. Если специальная теория относительности была революционной, то общая теория относительности стала полным и абсолютным пересмотром всей предыдущей физики. Одну из ключевых догадок Эйнштейна можно сформулировать так: если вам или мне пришлось бы плавать в невесомости в далеком пустом космическом пространстве, это было бы совершенно эквивалентно нашему падению в гравитационном поле массивного объекта. Это простое заключение привело его к тому, чтобы пересмотреть само понятие гравитации. Существенным в общей теории относительности является утверждение, что масса и энергия искривляют форму пространства и времени, как будто это кусок эластичной пленки, например из резины (рис.). То, что мы называем гравитацией, — просто способ движения объектов в этом искривленном пространстве–времени. Даже свет, не имеющий массы, но имеющий постоянную скорость, подвержен этому воздействию. Поскольку траектория лучей света искажается, свет тоже «чувствует» это странное воздействие, в результате которого лучи изгибаются вблизи массивных объектов. Общая теория относительности Эйнштейна была одной из тех теорий прошлого века, которые сильнее всего взбудоражили сознание. Она до сих пор воспринимается как сложнейшая концептуальная проблема, но тем не менее лучше всех других имеющихся у нас теорий описывает природу Вселенной.

Диаграмма погружения. Искривление геометрии трехмерного пространства за счет массы объекта можно представить на примере двумерной пленки из резины, которая стягивается и растягивается, если на нее положить массивный предмет. В данном случае предмет — что-то вроде звезды или планеты. Без этого груза координатные линии образуют идеальную сетку с квадратными ячейками. Под этим грузом геометрия пространства искажается — пленка под массивным предметом растягивается. Кратчайшее расстояние между точками в этой области необязательно будет отрезком прямой. Подробнее и глубже мы обсудим принципы общей теории относительности в гл. 3.

Из ранних результатов Эйнштейна вытекает важнейшее следствие. Из специальной теории относительности следует, что энергия, а соответственно и длина волны света меняются при изменении скорости источника относительно наблюдателя. Если источник движется на нас, то испускаемый им свет «голубеет», т. е. его длина волны становится короче, а энергия — больше. А свет от источника, движущегося от нас, будет казаться более красным — его длина волны увеличится, а энергия уменьшится. И при всем этом скорость света остается неизменной. В повседневной жизни мы этих явлений не чувствуем, однако во Вселенной тела могут двигаться достаточно быстро, и тогда эффект становится очень заметным. Согласно общей теории относительности, тот же эффект возникает и в искривленном пространстве–времени вблизи массивных объектов. Свет, приходящий из глубины искаженного массивным телом пространства, будет нам казаться более красным, т. е. обладающим более низкой энергией квантов. Этот эффект часто называют гравитационным красным смещением. Фотоны часть энергии тратят на то, чтобы выкарабкаться из гравитационной ямы, образованной телом, а скорость их при этом остается неизменной. Аналогично, если наблюдатель сидит глубоко в искривленном пространстве–времени — в яме около массивного тела, свет, приходящий к нему из далекой Вселенной, будет казаться более голубым, а фотоны покажутся более «энергичными», поскольку на пути к наблюдателю они сваливаются в гравитационную яму. Что еще более удивительно, искривление пространства–времени приводит к тому, что, если смотреть издалека, события разворачиваются тем медленнее, чем ближе они к телам большой массы. Эксперименты подтвердили этот эффект. Если у вас хватит терпения просидеть сорок восемь часов в воздушном шаре на высоте примерно 10 км над Землей, вы состаритесь примерно на 0,0000002 с больше, чем оставшиеся на Земле люди. Гравитация замедляет время, и это следствие точно того же явления, что и потеря энергии и связанное с этим красное смещение.

Прошло много лет после опубликования Эйнштейном работ по общей теории относительности, прежде чем были объяснены некоторые ее детали и поняты следствия. Но даже сам Эйнштейн не смог построить законченной модели того, как объект типа массивной звезды искажает ткань Вселенной вокруг себя. Однако другой физик на волне интереса к теории Эйнштейна добился с ее использованием прорыва, сыгравшего ключевую роль в решении этой проблемы. Как бы неправдоподобно сейчас это ни звучало, сорокадвухлетний ученый Карл Шварцшильд написал свои наиболее выдающиеся работы по теории относительности и квантовой физике в конце 1915 г., находясь на смертельно опасном русском фронте во время Первой мировой войны. Родившись в Германии в еврейской семье, Шварцшильд, как и Мичелл, был эрудитом, и особую страсть он питал к астрономии. Его гениальность проявилась уже в детстве, а к тридцати годам он уже был профессором и признанным в высших академических кругах ученым. Когда началась война, Шварцшильд из патриотических побуждений записался в немецкую артиллерию, но каким-то непостижимым образом при этом продолжал на фронте заниматься наукой. В письме к Эйнштейну он привел точное математическое решение задачи об искривлении пространства–времени вокруг массивного сферического объекта. Во втором письме он привел точное решение для искривления пространства–времени внутри такого сферического объекта при условии постоянства его плотности. Через полгода после написания этих писем на фронте Шварцшильд заболел и умер, так никогда и не увидев, насколько важными оказались следствия его результатов.

Самым важным результатом Шварцшильда была формула, которая теперь носит его имя. Радиус Шварцшильда устанавливает связь между массой объекта и ее воздействием на свет. Эта важнейшая зависимость со временем поможет доказать, что темные звезды Мичелла и Лапласа могут реально существовать в нашей Вселенной. Когда Мичелл и Лаплас продумывали свойства этих массивных объектов, они ошибочно полагали, что свет состоит из маленьких частичек, которые должны чувствовать силу гравитации так же, как кусок камня, теннисный мячик или любой другой предмет. Согласно этой теории, мы не сможем увидеть свет, исходящий с поверхности таких звезд, поскольку сила притяжения завернет его назад к звезде. Но если вам удалось бы подлететь к темной звезде, то вы бы смогли встретить эти частицы света, пока они не упали бы обратно на поверхность звезды. Если вы подлетите еще ближе, вы увидите, как их траектории меняют свое направление на противоположное, и вся картина напоминает полет триллионов шариков, подкинутых вверх и падающих обратно на землю. Все, что требуется от вас, это подлететь достаточно близко, и тогда свет от темной звезды станет видимым. Примечательно, что темные звезды Мичелла ворвались в наш современный мир именно сейчас. На языке Мичелла, на некотором расстоянии от достаточно массивного объекта скорость, требуемая для преодоления силы притяжения этого объекта, начинает превышать скорость света. Это останавливает свет, и объект для окружающей Вселенной становится темным. Но мы теперь знаем и из экспериментов, и из фундаментальной теории, что у света нет массы, и его скорость остается неизменной. Он просто выбирает кратчайший путь в пространстве–времени. Из формулы Шварцшильда, полученной при решении уравнений общей теории относительности, следует только, что тем не менее есть некое расстояние от центра масс объекта, за которое свет выйти не может, — оно называется радиусом Шварцшильда.

В математическом решении задачи об искажении пространства–времени вокруг сферического массивного объекта на расстояниях, равных радиусу Шварцшильда, возникает сингулярность. Математическая сингулярность — это просто точка, в которой алгебраическое выражение теряет смысл, вроде как при вычислении величины частного при делении на нуль. В случае замечательной формулы Шварцшильда такая сингулярность возникает на определенном расстоянии от массивного объекта и указывает на максимум кривизны пространства–времени. Но, возможно, самое интригующее в этом вопросе — является ли радиус Шварцшильда просто математическим трюком или он отвечает какой-то реальности? Ответ состоит в том, что, хотя сингулярность можно сгладить, правильно выбрав математические переменные, эта точка тем не менее выделена. Все траектории на расстояниях, равных радиусу Шварцшильда, заворачивают обратно, даже траектория лучей света. А для вас — сторонних наблюдателей — свет претерпевает сильнейшее красное смещение, т. е. его длина волны увеличивается до бесконечности. Неважно, как близко вы подберетесь, вы все равно никогда не увидите фотонов, вылетающих изнутри. Эйнштейн продемонстрировал, что свет — это эталон, с помощью которого можно измерять космические характеристики, и он вплетен в саму ткань наблюдаемой Вселенной. Он определяет способ, которым мы изучаем Вселенную, и способ взаимодействия материи и энергии. Сфера Шварцшильда — это нечто большее, чем поверхность, за которую свет не может вырваться. С точки зрения внешнего наблюдателя, это место, где время кажется остановившимся. Если вы установите часы в этом месте и будете наблюдать за ними с безопасного расстояния, вам будет казаться, что они остановились. Строго говоря, они вообще скроются из вида, поскольку красный сдвиг излучения, идущего от них к вам, настолько велик, что его частота и энергия обращаются в нуль. Все, что случается внутри этой сферы, — любое событие — наблюдатель, находящийся снаружи во Вселенной, никогда не увидит. По этой причине радиус Шварцшильда называют еще горизонтом событий (рис.).

Горизонт событий. Другое представление искажения пространства вокруг массивного объекта. В этом случае плотная масса искривляет пространство–время до экстремального состояния. Донышко получившейся воронки и есть горизонт событий. Внешний мир не получает никакой информации из области ниже этого уровня, поскольку даже свет не может вырваться из таких глубин воронки.

Напрашивался очевидный вопрос (и он возникал вновь и вновь даже спустя десятилетия после этих открытий) — могут ли существовать такие места в реальном космосе? Математическое выражение для радиуса Шварцшильда каждого сферического объекта представляется очень простой функцией от его массы. Загвоздка в том, что реальная величина этого радиуса очень мала. Например, для Земли с ее массой около шести триллионов триллионов килограммов (6 · 1024 кг) ее радиус Шварцшильда составляет всего 9 мм — меньше сантиметра от центра Земли. Это только часть проблемы. Вы должны будете ужать всю массивную Землю в шарик радиусом 9 мм, чтобы создать у нее горизонт событий. Понятно, что при существующем радиусе Земли нет такой точки, в которой бы пространство–время настолько искривились, чтобы помешать излучению света. Наше огромное Солнце имеет массу примерно в 332 000 раз больше массы Земли и радиус около 700 000 км. Солнце нужно сжать более чем в 200 000 раз, чтобы оно поместилось внутри своего радиуса Шварцшильда, равного 3 км. Только тогда пространство–время исказится настолько, что свет не сможет его покинуть. Хотя в общей теории относительности приводится более полное описание природы гравитации, а также получены строгие и исчерпывающие свидетельства принципиальной возможности существования темных объектов, людям было трудно поверить, что подобные нелепости действительно могут реализоваться где-то во Вселенной.

Забавно, что сам Эйнштейн был среди тех, кто оспаривал реальность таких объектов. Вместе с крупным английским физиком Артуром Эддингтоном и другими учеными он считал, что невозможно создать реальный объект, у которого бы выполнялись условия существования горизонта событий. Неизвестны были и физические процессы, которые могли бы привести к созданию столь плотного тела. Дело еще осложнялось странностью самого понятия горизонта событий. В этой точке время должно останавливаться. С точки зрения внешнего наблюдателя, это могло бы помешать любому реальному телу когда-либо проникнуть внутрь этой границы. Оно бы застыло там навсегда. Существуют разные варианты формулировок аргументов против существования темных объектов. Эйнштейн использовал пример облака из небольших тел, вращающихся друг вокруг друга подобно звездам, летящим по орбитам в искривленном пространстве–времени, или в общем гравитационном поле, образованном всеми их массами. Чем компактнее облако, включающее орбиты этих тел, тем быстрее и быстрее они должны вращаться, чтобы не стать жертвой гравитации и не свалиться в центр их масс. Если сделать облако размером с радиус Шварцшильда, то эти маленькие объекты должны будут вращаться со скоростью больше скорости света, что, как доказал Эйнштейн, невозможно. В течение следующих десятилетий замечательная группа величайших ученых ХХ в. постепенно пробилась через частокол труднейших и требующих огромных усилий для своего решения физических проблем, и, наконец, получение ответа стало возможным. Выяснилось, что во Вселенной существуют и другие экстремальные области, встречающиеся гораздо чаще, чем кто-либо подозревал. Все это стало ступеньками к нахождению ответа.

В это время разворачивалась еще одна революция, начавшаяся в ранние 1930-е гг., когда закладывались основы квантовой механики, физики атомных и субатомных масштабов, и возникла идея дуализма волновых и корпускулярных свойств материи. Если общая теория относительности опрокинула наши устоявшиеся представления о природе сущего, квантовая механика их еще больше запутала, и теперь уже мало кто мог, а скорее вообще никто не мог до конца всё это понять. В развитии этой новой физики ключевую роль сыграли многие ученые — от самого Эйнштейна до Макса Планка, Нильса Бора, Вернера Гейзенберга и многих других. В 1927 г. Гейзенберг первым сформулировал наиболее странную и сложную с точки зрения философии концепцию — принцип неопределенности. В соответствии с этим принципом в основе описания физического мира лежит тот факт, что в микроскопических масштабах природе присуща неопределенность. Например, невозможно одновременно точно измерить и положение тела, и его импульс (импульс есть масса, умноженная на скорость). Это означает, что если положение какого-либо объекта типа электрона, радиус которого имеет порядок фемтометров (10–15 м), измерено точно, то его импульс будет неопределенным. А поскольку сам акт измерения всегда предполагает взаимодействие (например, в процессе измерений электрон попадает в маленькую ловушку), от неопределенности никуда не деться. Благодаря этой свойственной миру неопределенности открываются возможности для спекуляций по поводу всяких необычных явлений вроде параллельной реальности или виртуальных частиц, возникающих из ниоткуда и исчезающих в никуда. Однако, посмотрев на проблему с позиций математики, мы увидим, что квантовая теория просто хорошо описывает окружающий нас мир. Она точно описывает поведение атомов, электронов и атомных ядер, а также свет и электромагнитные явления. В то время как эта таинственная реальность субатомного мира начала приоткрываться, в астрофизике звезд тоже произошли кардинальные открытия. Постепенно, начиная с 1900-х гг., становилось ясно, что звезды и звездоподобные космические тела — это не стационарные, а постоянно развивающиеся объекты самых разнообразных цветов и размеров. Но в каком-то смысле они представляют собой и разные стадии жизненного цикла единого процесса. И единственным известным источником энергии, поддерживающим жизнедеятельность звезд, мог быть ядерный синтез, в процессе которого вещество превращается в энергию, и теперь это можно было описать с помощью специальной теории относительности и квантовой механики.

К концу 1950-х гг. основные кусочки пазла, на котором изображена общая космическая картина, были расставлены по местам. Мы уже знали, что звезды — это объекты, в которых соревнуются между собой гравитация и внутреннее давление смеси электронов и атомных ядер (плазма) и даже самого света. Гравитация стремится сжать, или «схлопнуть», объект. А направленное наружу давление пытается удержать материю от коллапса. Такое соревнование приводит к тому, что в ядрах звезд температура достигает десятков миллионов градусов. Эти условия достаточно экстремальны, чтобы ядра атомов соединились, образуя более тяжелые элементы (ядерный синтез), и высвободили энергию. Это ключевой процесс, без которого любые формы жизни, например наша, никогда бы не возникли. Большая часть видимой материи во Вселенной все еще состоит из водорода и гелия. Эти первородные элементы — остатки горячей молодой Вселенной, образовавшейся после Большого взрыва. Весь углерод, азот, кислород и все другие тяжелые элементы во Вселенной образовались позже. За эти процессы ответственны звезды. Они служат «космической скороваркой», в которой ядра водорода и гелия сливаются, образуя все более и более тяжелые атомные ядра и снабжая Вселенную новыми элементами. Рецепты приготовления блюд сложны, но известно, что чем массивнее звезда, тем более тяжелые элементы в конечном счете она может синтезировать. И еще: чем больше масса звезды, тем быстрее она сжигает легкие элементы, служащие топливом. Если звезда, подобная нашему Солнцу, может варить блюда из атомных ядер в течение примерно десяти миллиардов лет, то в 20 раз более массивная звезда может сжечь свое топливо всего за несколько миллионов лет. В десять раз менее массивная, чем Солнце, звезда может спокойно гореть триллион лет или дольше.

Ключевой аспект этих открытий — конечная судьба звезд. Звезда, лишенная основного источника энергии в своем ядре, — это объект, в котором гравитация может раз и навсегда победить в борьбе с давлением. Это тоже сложная проблема, но природа предоставила нам некоторые подсказки. В течение первых десятилетий XX в. пошел поток все более изощренных и многообещающих наблюдений за окружающей нас Вселенной, в частности астрономы открыли и описали удаленные астрофизические объекты, явно не похожие на наше Солнце или известные нам ближайшие звезды. Среди них звезды, называемые белыми карликами. Несмотря на то что они очень тусклые, цветовой состав их излучения такой, какой можно было бы ожидать от больших, очень горячих и ярких звезд. В 1920-х гг. астрономы поняли, что в действительности — это маленькие объекты, много меньше обычных звезд, но во много-много раз превосходящие их по плотности. Теперь мы знаем — их плотность такова, что кубический сантиметр такого вещества (примерно размер кончика вашего мизинца) может весить миллионы граммов. Представьте себе, что кубик такого вещества со стороной четыре метра будет весить столько, сколько все люди на Земле. Астрофизики, изучающие звезды, считают, что эти объекты — остатки или оболочки сгоревших звезд, подобных Солнцу. Однако объяснение того, как такой плотный объект (хотя и размером много больше его шварцшильдовского радиуса) может существовать в стабильном состоянии, это гораздо более хитрая задача. Для уравновешивания сил гравитации, стремящихся схлопнуть такой компактный объект, как белый карлик, уже недостаточно тех сил нормального давления, какие поддерживают рановесие нашего Солнца, не давая ему сколлапсировать и взорваться.

Первая важная догадка осенила английского физика Ральфа Фаулера — энергичного, атлетически сложенного ученого из Кембриджа. Жадно набросившись на работу, Фаулер перелопатил целые разделы математики, а позже — физики и химии. В 1920-х гг. он ловко применил для решения этой задачи аппарат только что родившейся квантовой механики. Из ее уравнений вытекало, что если вещество переходит в более плотное состояние, начинает играть заметную роль новый тип давления, которое в обычных условиях, как, например, на поверхности Земли, едва заметно. По мере сжатия вещества белого карлика, его атомы сближаются, в результате чего разрушаются их электронные оболочки. Согласно квантовой механике, электроны должны оставаться разделенными и ограничены в своем движении размерами крошечных электронных волн. При уменьшении объема, доступного для движения электронов, их волновые свойства проявляются все явственнее, а импульсы увеличиваются согласно принципу неопределенности. Это приводит к тому, что давление квантового электронного газа (его называют вырожденным) намного превосходит давление обычных частиц классического газа. В белых карликах именно давление квантового электронного газа противодействует гравитации2. Фаулер понял, что квантовое давление даже не зависит от температуры. Фактически через достаточно большое время белый карлик мог бы охладиться до абсолютного нуля, а давление вырожденного электронного газа все еще могло бы удерживать его от разрушения! Но есть ли предел у массы карлика? Насколько массивным может быть белый карлик, еще не сколлапсировавший под действием собственной гравитации? Понадобился гений молодого физика по имени Субраманьян Чандрасекар, обучавшегося в Мадрасе, на юге Индии, чтобы решить проблему. Его способности позволили эффективно совместить различные знания из области теории относительности, квантовой механики и гравитации. В любом стабильном объекте с плотностью белого карлика пространство, занимаемое электронным газом, сжато до очень маленьких объемов, и электроны разгоняются до чрезвычайно высоких скоростей, обычно превышающих 50% скорости света. Чем массивнее белый карлик, тем меньше пространства остается электронам, тем выше их скорости и тем отчетливее проявляются их релятивистские свойства. Из этого проистекают два важных следствия. Первое: в отличие от космических объектов типа обычных звезд, чем массивнее белый карлик, тем меньше его диаметр. И второе: поскольку никому не позволено двигаться быстрее скорости света, возникает естественный предел для массы белого карлика. В конечном счете электроны уже не смогут разогнаться больше, давление вырожденного электронного газа перестанет дальше расти, и гравитация сожмет и раздавит карлика. В 1935 г. Чандрасекар представил полную теорию, объясняющую поведение всех белых карликов. Тогда ее подвергли жесткой критике, и прошло много лет, прежде чемона была полностью признана и оценена. Кроме того, Чандрасекар вычислил максимальную массу белых карликов. Он понял, что квантово-механическое давление вырожденного электронного газа может помочь белому карлику избежать коллапса под действием своего веса, только если его масса не превысит 1,4 массы нашего Солнца.

В этой истории много и других сюжетов, но красивейшее решение проблемы Чандрасекаром сыграло ключевую роль. В нем неявно содержался ответ Эйнштейну и другим физикам, сомневавшимся в том, что реальный объект может сжаться до размеров своего радиуса Шварцшильда. В теории Чандрасекара была также заложена основа понимания жизненных циклов самих звезд, многие из которых заканчивают свое существование, становясь белыми карликами. Неудивительно, что огромную современную рентгеновскую обсерваторию, зарегистрировавшую свет, проделавший до нее через Вселенную путь в 12 млрд световых лет, окрестили в знак уважения «Чандрой». Препарирование белых карликов было только началом. В те годы параллельно бурно развивались два процесса познания мира человечеством: с одной стороны, приоткрывалась завеса тайн над строением звезд, а с другой — пришло понимание природы субатомного мира. В XX в. беспрецедентно плотно переплелись наука и военная техника, политика и экономика, связанные с вооружением. Когда физики Запада и Востока нашей планеты соревновались в том, кто быстрее создаст разрушительную атомную бомбу, они параллельно продвинули науку об экстремальных состояниях материи. Следующий прорыв в науке о темных звездах произошел, когда стало понятно, что могут существовать состояния материи даже с большей плотностью, чем у белых карликов. Оказалось, электроны могут быть «вдавлены» в сами ядра атомов и превратить протоны в нейтроны. Это ведет фактически к превращению материи в гигантское и странное атомное ядро — нейтронную звезду. Она может быть во много-много раз более плотной и компактной, чем все объекты, встречавшиеся до сих пор. Американский физик Роберт Оппенгеймер, игравший центральную роль в создании атомной бомбы, участвовал и в создании теории, описывающей такие экзотические объекты. Как и белые карлики, нейтронные звезды имеют предельную массу. При значении массы больше двух-трех масс Солнца гравитация сокрушит даже и эти звезды.

Однако, в отличие от белых карликов, нейтронных звезд в природе никто никогда до того времени не наблюдал. Все изменилось в конце 1960-х гг. после некоторых любопытных астрономических измерений. Их кульминацией стало эффектное открытие учеными Джосилин Белл и Энтони Хьювишем удаленной нейтронной звезды, вращающейся вокруг собственной оси с частотой примерно один оборот в секунду; эту звезду отнесли к классу объектов, впоследствии названных пульсарами. Впервые такой объект был зарегистрирован в Англии комплексом гигантских радиоантенн, занимающих площадь около полутора гектаров в нескольких километрах к западу от Кембриджа. В окружении стада местных овец, увлеченно пасущихся на лужайках, уроженка Белфаста аспирантка Белл и ее научный руководитель англичанин Хьювиш изначально планировали исследовать радиоизлучение объектов в удаленных уголках Вселенной. Когда они зарегистрировали неизвестный пульсирующий сигнал, они испытали шок. Ученые задумались над природой этого объекта и поняли, что единственным возможным объяснением является то, что источник сигнала — это очень маленькое и очень быстро вращающееся тело, которое испускает радиоволны, подобные свету от маяка. Единственным астрофизическим объектом, таким маленьким, но при этом достаточно прочным, чтобы выдержать эту безумную скорость вращения, могла быть гипотетическая нейтронная звезда. Белые карлики при сравнении с нейтронными звездами выглядят совершенными пушинками. Кубический сантиметр (примерно кубик сахара-рафинада) вещества нейтронной звезды весит столько же, сколько все люди на Земле. Белый карлик с массой Солнца может иметь радиус порядка земного, а нейтронная звезда с массой, равной двум солнечным, будет иметь радиус порядка 12 км.

В нейтронных звездах гравитации противостоит то же самое квантовое давление, что и в белых карликах, но оно теперь создается не вырожденным электронным газом, а нейтронным. Неправдоподобная компактность нейтронных звезд приводит к тому, что их радиус становится почти равным их радиусу Шварцшильда. Чтобы оторваться от поверхности такого объекта, вы должны приобрести скорость, сравнимую со скоростью света (примерно 30% скорости света, что составляет 100 000 км/с). Пространство–время вблизи нейтронной звезды так искривлено, что если вас угораздит упасть на нее с высоты одного метра, вы грохнетесь на поверхность со скоростью 2000 км/с. И наконец, во Вселенной имеются и астрофизические объекты, которые балансируют на грани света и тьмы. Наличие таких объектов и разработка учеными более детальных и понятных моделей взрывов звездных остатков окончательно похоронили представление о том, что никакой реальный объект не может сжаться до размеров меньше его радиуса Шварцшильда. Если в этих экстравагантных астрофизических объектах накопить больше вещества, ни одна из известных сил уже не сможет противодействовать ужасному коллапсу внутрь сферы Шварцшильда и дальше во внутреннюю сингулярность — в точку, вблизи которой плотность вещества бесконечна. К концу 1960-х гг. все согласились с мнением, что такие места в космосе должны существовать, и тогда начались наблюдения за всеми необычными космическими объектами в надежде найти среди них каких-либо подходящих на такую роль кандидатов. В 1967 г. американский физик Джон Уилер делал доклад в Нью-Йорке (в настоящее время относящемся к NASA Годдаровском институте космических исследований при Колумбийском университете). В этом невзрачном здании (где, между прочим, на первом этаже разместился ресторан с названием «Обед у Тома», прославленный певицей Сюзан Вега), харизматичный Уилер впервые использовал термин «черная дыра» для объекта, сколлапсировавшего внутрь своей сферы Шварцшильда. И это название прижилось. После пары сотен лет забвения мичелловские темные звезды в конце концов превратились в черные дыры.

С тех пор мы многое узнали об этих экстравагантных черных дырах. Раньше я сделал утверждение, что они играют ключевую роль и в эволюции Вселенной, и в появлении самой жизни. Хотя это может звучать несколько вызывающе, но оказалось, что всё в нашей Вселенной намного более взаимосвязано, чем мы полагали даже десять лет назад. И гораздо более разнообразно. Концепции, которые помогают нам постичь эту взаимосвязь, являются также наиболее важными и ключевыми идеями физики последнего столетия. Мы уже обсудили некоторые из них. Это и конечность и постоянство скорости света, и природа пространства–времени, гравитации и массы, и конечный возраст и масштаб наблюдаемой Вселенной. Я затронул еще множество проблем: природу звезд, массу Вселенной, синтез элементов из первородных водорода и гелия. Помимо этих, есть еще другие вопросы, которыми сейчас активно занимаются ученые: как Вселенная «выпекает» звезды, как формируются миры, одна и та же разновидность молекулярных структур заполняет межзвездное пространство и создает жизнь на планетах или они разные? Существует целый набор замечательных и разнообразных идей, и хорошо бы ясно понять, насколько они перспективны. Мы уже охватили космическое пространство от колоссальной черной дыры, расположенной в древней галактике, до нашей микроскопической Земли. Но что мы знаем о размере и форме наблюдаемой Вселенной? Как она выглядит, как пахнет и какая на ощупь? Мы хотим понять, что ее формирует, что делает ее такой, какая она есть? Чтобы ориентироваться в ее «магистралях и объездных путях, горах и равнинах, уголках и закоулках», нам нужно, как мы это сделали бы, находясь в незнакомом городе, начать с составления очень хорошей карты Вселенной.

В Подписаться на сообщество вКонтакте

Поделиться в соц. сетях

 

Оставить комментарий

Войти с помощью: