Девять сомнительных фактов о черных дырах

Они существуют, растут и могут принести пользу народному хозяйству

Иллюстрация: Jean-Pierre Luminet

Иллюстрация: Jean-Pierre Luminet

Аудиоверсия этой статьи:

Очень хотелось назвать заметку «Все, что нужно знать о черных дырах», но помешали два обстоятельства.

Во-первых, о черных дырах практичному человеку не нужно знать ничего: эти знания бесполезны. Причем бесполезны они по глубочайшим теоретическим причинам: все, что может случиться с вами в черной дыре, никак не скажется на Вселенной снаружи*, а потому этот опыт в принципе не может быть использован.

Во-вторых, как бы вам ни хотелось, вопреки практическому расчету, что-то о них разузнать наверняка, это пока за пределами возможностей науки (почему — см. ниже). И тем не менее любой редактор научно-популярного ресурса скажет вам: если надо подстегнуть интерес к изданию, просто поместите на обложку картинку с черной дырой, и люди к вам потянутся. Примерно из этих соображений мы и публикуем сегодня эту в высшей степени бесполезную заметку. Итак, вот они, наши тщательно отобранные девять фактов.

1. О черных дырах ничего не известно наверняка

Физики и астрономы любят говорить о черных дырах с таким выражением лица, как будто уж кто-кто, а они-то знают о них не понаслышке. Увы, это не так. Черные дыры — предсказание общей теории относительности Эйнштейна. Но вот всю остальную современную физику принято формулировать в терминах квантовой теории поля. Эта теория, если опошлить ее максимально возможным образом, говорит о том, что в мире нет ничего, кроме квантовых полей. Мы с вами, кстати, тоже состоим из квантовых полей. И уж если стричь все на свете под одну гребенку, то квантовым полем должна быть и гравитация (включая черные дыры). Но тут, как назло, квантовая теория начинает бастовать и включать в себя гравитацию никак не желает.

Это не значит, что Стивен Хокинг, например, рассуждая о черных дырах, выдумывает что-то из головы. И он, и остальные физики в этом случае поступают так: берут готовое кривое пространство-время, которое следует из теории Эйнштейна, в качестве декорации, и запускают туда действующих лиц — уравнения теории поля. В большинстве случаев это работает настолько хорошо, что никаких расхождений с опытом найти невозможно (если бы их нашли, это бы как раз дало хоть какие-то подсказки насчет того, в чем засада с квантовой гравитацией). Хорошо оно работает потому, что гравитация обычно довольно слаба и потому гораздо менее важна, чем все остальное, что происходит в мире; потому ее и можно считать просто фоном или декорацией, а все остальное — настоящим действием. Но вот в черной дыре все как раз наоборот: гравитация там важнее всего на свете — да что говорить, там по сути вообще ничего не происходит, кроме гравитации, см. п. 3). А потому можно только надеяться, что предсказания, полученные с таким произвольным допущением, не слишком расходятся с реальностью.

Все нижеизложенное следует воспринимать в свете этой оговорки.

2. Черные дыры, похоже, действительно существуют

В этом сходится подавляющее большинство ученых — физиков, космологов и астрономов. Самая популярная у публики черная дыра находится в центре нашей галактики и имеет массу в 4 миллиона солнечных масс. А еще, говорят, бывают черные дыры звездной массы, образующиеся при коллапсе звезд: эхо от столкновения таких дыр, то есть гравитационные волны, поймали год назад физики из коллаборации LIGO, о чем «Сноб» должным образом известил читателей.

Однако вся уверенность в существовании черных дыр строится на косвенных уликах. Есть довольно много наблюдаемых астрономических явлений, которые в точности соответствуют тому, что астрономы ожидали бы увидеть при наличии где-то там черной дыры (с поправкой на п. 1, разумеется). Недавний пример: ученые из Физтеха совместно с китайскими коллегами предложили механизм, объясняющий природу высокоэнергичных космических лучей в нашей галактике. Лучи эти обязаны своим происхождением так называемым «пузырям Ферми», а те, в свою очередь, возможно, естественный продукт жизнедеятельности нашей прославленной черной дыры в центре мироздания. Если вдруг окажется, что черных дыр на самом деле не бывает, множество ученых безмерно удивятся, а потом бросятся пересматривать свои монографии и отзывать статьи из научных журналов. Вариант крайне маловероятный, но чего только в науке не случается.

3. Черные дыры внутри пустые, но сложные

В черные дыры сваливается уйма всякой космической дряни, от пыли и газа до целых звезд и незадачливых инопланетных астронавтов. Отсюда можно бы предположить, что из этой дряни они и состоят, но нет. Черная дыра устроена весьма банально: внутри она пустая. В этой пустоте скрывается «сингулярность», то есть загадочное место, где все разумные величины превращаются в бесконечность. А поскольку внутри дыры пространство еще и бесконечно искривлено, то расстояние от горизонта до этой самой сингулярности тоже, вообще говоря, может быть бесконечно большим (а точнее, просто неопределенным). Все, что когда-то упало в дыру: материя, излучение и даже такие экзотические «вещи», как вращение или электрический заряд, — превращается в гравитацию. Заряд и вращение, впрочем, в результате остаются, но вот больше ничего там точно нет. Это свойство было переформулировано физиком Джоном Уилером в виде следующей теоремы: «У черной дыры нет волос».

И тем не менее однажды эти безволосые дыры безмерно удивили Яакова Бекенштейна и Стивена Хокинга: из их расчета следовало, что энтропия черной дыры — это максимальное количество энтропии, которое только можно втиснуть в некий объем пространства. А энтропия — это вообще-то число способов, которыми можно перестроить объект, чтобы он сохранил свои внешние свойства. У черной дыры, как выясняется, число таких способов очень, очень велико. Как ученые представляют себе пустое место, построенное триллиардами разных способов? Пока никак. Они договорились на данном этапе ничему не удивляться, а просто ждать, пока кто-нибудь придумает квантовую теорию гравитации.

4. Время для спасения друга из черной дыры, возможно, ограниченно

В традиционном мифе о черной дыре — а тут мы имеем дело именно с мифами, см. п. 1, — триллер про падение в черную дыру в принципе не может закончиться трагично. Согласно этому мифу, для героя, падающего в дыру, события в остальной Вселенной будут казаться все более стремительными, пока на горизонте он в один миг не увидит все будущее мироздания. Тем временем для внешних наблюдателей все наоборот: незадачливый герой по мере приближения к горизонту событий все больше замедляется и тормозит, пока наконец не застывает намертво на самом горизонте. С нашей точки зрения он горизонт так и не пересечет (хотя будет выглядеть все более тускло и красновато). А значит, у нас есть ровно все время во Вселенной, чтобы организовать экспедицию по спасению, а потом еще одну, и еще одну, и никогда не настанет момент, когда капитан спасательного корабля усталым движением выключит свет в рубке… С другой стороны, сам герой уже в момент пересечения горизонта будет знать, чем все закончится, причем этот спойлер его не обрадует.

На самом деле даже грубые прикидки показывают, что с субъективным временем не все так просто. А если говорить о нормальной современной физике, то мы точно не сможем спасти друга после того, как черная дыра испарится (что неизбежно произойдет согласно Хокингу) и вся информация о нем перекодируется в излучение. Это произойдет за конечное время даже по нашим часам.

А еще кое-кто из физиков подозревает, что пересечь горизонт вообще невозможно для физического наблюдателя: его сожгут выскоэнергичные частицы, мечущиеся вдоль горизонта. За обоснование этой идеи Джозеф Полчинский получил в прошлом году Мильнеровскую премию; мы писали об этом в одной из заметок на сайте. Таким образом, судьба упавшего в дыру космонавта на данном этапе совершенно непредсказуема.

5. Если упали в дыру, не суетитесь

Если вы случайно пересекли горизонт событий, то назад выхода нет; но, возможно, есть способ как-то устроить свою жизнь внутри горизонта? Например, выйти на устойчивую орбиту вокруг сингулярности? На первый взгляд, нет.

Есть такое странное следствие из теории Эйнштейна: то, что для одного наблюдателя пространство, для другого время. Именно поэтому при быстром движении линейка становится короче, а время растягивается, так что можно вернуться на Землю через пару веков, как герои коммунистической фантазии Стругацких. Так вот, внутри дыры ваш световой конус (не спрашивайте!) наклоняется в сторону сингулярности так сильно, что она оказывается для вас не «где-то рядом», а «впереди во времени». А потому неизбежна, как судьба. Праздные физики-релятивисты подсчитали, что в черной дыре солнечной массы время вашей счастливой жизни составит примерно одну миллионную секунды.

А если, попав в дыру, предпринять решительные действия, например, врубить полную тягу, это время может сократиться еще сильнее. Как было сказано, от сингулярности вас отделяет не пространство, а время. А время по теории Эйнштейна медленнее всего течет, если отдаться на волю гравитационным полям. Любое движение его только сокращает. А потому, если вам дороги эти последние мгновения — еще бы не дороги, вы ведь напоследок видите то, о чем не узнает никто из живущих! — просто расслабьтесь.

Впрочем, все вышесказанное относится к классической «шварцшильдовской» черной дыре, которая не заряжена и не вращается (и которых, весьма возможно, вообще не бывает). Московский физик Вячеслав Докучаев недавно рассчитал, что в общем случае внутри горизонта могут существовать стабильные орбиты, и по ним, при удачном стечении обстоятельств,  вполне могут даже летать планеты с инопланетянами. Возможно, Вячеслав сделал этот расчет лишь для того, чтобы не лишать упавшего в дыру последней надежды; потому мы и сочли своим долгом донести до читателя его выводы.

6. Ньютон и Лаплас не открывали черную дыру

Продвинутый читатель, возможно, где-то слышал, что существование черных дыр можно предсказать из теории Ньютона, и якобы Джон Митчелл и Пьер-Симон Лаплас это сделали еще в XVIII веке. На самом деле ничего такого не было.

Речь идет о «черной звезде» — настолько плотной штуке, что вторая космическая скорость для нее равна скорости света. Фотоны, испускаемые такой звездой, вылетают из нее со скоростью света, но падают обратно на поверхность. Сенсация (несостоявшаяся) в том, что радиус такой штуки легко посчитать на основе школьной физики, и он оказывается в точности равен шварцшильдовскому радиусу черной дыры. То есть вроде как Эйнштейн не открыл ничего нового?

Еще как открыл. «Черная звезда» — просто черная, и кроме этого ничем не интересна. Фотоны из нее, допустим, не вылетают, но мы с вами легко бы выбрались. Вторая космическая скорость — вещь совершенно невинная: с такой скоростью надо кинуть камень, чтобы он улетел в открытый космос. Но нам ничего не стоит начать двигаться прочь от этой звезды — как и от нашей Земли — с любой скоростью, с какой нам разрешают врачи, хоть пять километров в час. Если у нас есть ракетный двигатель и много топлива, мы даже при таком черепашьем движении рано или поздно выйдем из-под влияния гравитации любого классического небесного тела.

А вот с черной дырой этот фокус не пройдет. Вырваться из нее не могут не только брошенные камни или фотоны, но и вообще никакой объект ни с каким двигателем или топливом, что и придает этим дырам в наших глазах неизъяснимую и завораживающую прелесть.

7. Черные дыры пожароопасны

Наверное, ни к чему было упоминать об этом в беседе с нашим просвещенным читателем, но все же отметим, что черные дыры ничего не засасывают специально, а просто притягивают разные штуки в зависимости от массы и расстояния, как обычные астрономические объекты. Не так уж они и страшны, как может показаться. Если, например, наша Луна превратится в черную дыру и опустится на Москву, чтобы ее поглотить, то в городе Санкт-Петербурге будет ощущаться лишь приятное увеличение гравитации примерно в полтора раза. Ну да, питерцам придется ходить по набережным или мостам, слегка наклоняясь к северо-западу, но оно ведь того стоит.

С другой стороны, при пожирании черной дырой даже не всей Москвы, а одного лишь Кремля вместе с Боровицким холмом выделится энергия, соразмерная взрыву Чиксулубского метеорита, сгубившего динозавров (да и то если у этой дыры не будет слишком уж сильного магнитного поля). То есть непонятно, радоваться ли петербуржцам или все-таки беспокоиться.

8. Черные дыры иногда испаряются, а иногда растут

Если вы где-то читали, что черные дыры со временем испаряются, имейте в виду, что это скорее теоретическое предсказание, чем практически значимый факт. Ну да, они должны бы вроде испаряться, причем тем быстрее, чем меньше дыра. Увы, у мировой науки нет ни малейших данных о том, что где-то на свете существуют дыры массой меньше нескольких солнечных. А те дыры, которые вроде как есть, имеют температуру, которую мы бы с вами назвали «почти абсолютный ноль». Для таких дыр даже космический микроволновой фон с температурой минус двести семьдесят по Цельсию — как приятный теплый душ. Они с удовольствием поглощают его и день ото дня только тяжелеют, а никоим образом не испаряются. Конечно, если подождать еще много миллиардов лет, ситуация изменится, но нам-то что в том проку?

9. Черные дыры могут служить народному хозяйству

Британский физик и математик Роджер Пенроуз придумал, как можно извлекать энергию из черных дыр: надо просто бросить тело этак по касательной, чтобы оно ушло от дыры с большей энергией, чем обладало до этого. Такой фокус, правда, прокатывает только с вращающимися черными дырами. Но если дыра попалась удачная и вращается быстро, то в полезную для народа энергию можно перевести больше четверти ее массы. Если бы такой удачной дырой оказалась та, что находится в центре нашей галактики, то доберись мы до нее — и потребности человечества в энергии были бы удовлетворены на миллиард триллионов триллионов лет** вперед. При условии, конечно, что эти потребности останутся на нынешнем уровне.

Следует, однако, понимать, что источник этот невозобновляемый: подоить данную черную дыру на предмет энергии можно лишь один раз, а потом она перестанет вращаться и станет бесполезной. Ищи потом замену в другой галактике.

Вот какие чудеса открываются, если долго и неотвязно размышлять о черных дырах. Потому, наверное, люди так и любят читать про эти дыры, что это их как-то подталкивает к осознанию чудесности Божьего мира.

То есть он чудесен и без дыр, но дыры упрощают понимание этого факта***.

 

Примечания

* Когда рассуждаешь о черных дырах, ни в чем нельзя быть уверенным наверняка: физики продолжают вести споры о том, как упавшая в дыру информация может выйти наружу в виде хокинговского излучения, а когда дыра через квадрильоны лет испарится полностью, снаружи, очевидно, окажется и ваш бесценный опыт. Ученым будущего останется только его расшифровать.

** Основную часть расчета выполнили Пенроуз и Хокинг, а мы в редакции «Сноба» только подставили цифры в формулу.

*** Автор глубоко признателен за критику астрофизику Сергею Попову, который нашел в первом варианте этой заметки много дурацких ошибок, а автор их исправил, как мог.

По мнению уважаемого Сергея Попова, такие статьи вообще не следует публиковать, потому что изложить подобный материал корректно может только «суперспециалист в данной области». Но если так рассуждать, придется поставить крест на 99% популяристики. Спор этот идет не первый век: подобно Сергею, средневековые богословы запрещали переводить Библию на европейские языки, чтобы избежать искажений. Они, как и уважаемый Сергей, полагали, что лучше уж полное невежество, чем искаженное и опошленное знание. Но эта точка зрения постепенно сдает позиции. Сейчас принято думать, что искаженное и опошленное знание все же лучше полного невежества. Именно такое знание мы и несем читателю в меру своих сил.

Источник