Таємниці і міфи чорних дір: нова теорія Хокінга і "репортаж з-за горизонту подій"

Нещодавно знаменитий фізик Стівен Хокінг шокував усіх, опублікувавши дослідження, присвячену новому погляду на чорні діри — самі загадкові об'єкти в нашому Всесвіті (якщо не вважати величезні області порожнечі — войди; квазари й інші інопланетні витівки). І вихід цей веде... в інший Всесвіт. Якого кольору волосся у чорних дірок, що станеться з людиною, яка потрапить за горизонт подій?

КОЛЛАПСАРИ: КОЛИШНІ ЗІРКИ

У деякому царстві, деякій державі... В сенсі, при деякій гравітації, деякому лінійному розмірі простору, в деяких класичних теоріях (теорія відносності в допомогу), друга космічна швидкість (дозволяє відірватися від об'єкта) на радіус Шварцшильда (гравітаційний радіус, умовна сфера, що визначає межі поля тяжіння) перевищує швидкість світла. З цього випливає, що навіть найшвидші фотони не можуть піти назовні, не кажучи вже про будь-якому тілі, що туди потрапило. Виняток робиться лише для не відкритих поки тахионов (частки часу), швидкість яких перевищує швидкості світла. В теорії струн і створили свою чорну діру, скрутивши кілька струн — гіпотетичних об'єктів — в спіраль. Але недавнє відкриття гравітаційних хвиль змусило всіх довіритися класичної теорії.

Для нашої з вами планети гравітаційний радіус мізерно малий. Але тіла поважче — більше 2,5 сонячних мас — справжні космічні перевертні. У більшості зірок горіння — це термоядерна реакція перетворення водню в гелій. А їх гравітаційне стиснення врівноважується газовим тиском і тиском світла, яке випромінюють внутрішні шари. Коли водень закінчується, ядро охолоджується і внутрішній тиск пропадає. Гравітація починає стискати ядро, розігріваючи його, з-за чого гелій трансмутирует в берилій, берилій — вуглець і так далі, аж до заліза. Коли закінчуються і ці реакції, ядро знову остигає і колапсує. Цей процес продовжується до тих пір, поки на тому самому радіусі Шварцшильда кривизна простору не стає нескінченною. Величезна маса поділяється на практично нульовий обсяг — і вуаля, ось вам готова чорна діра, яка продовжує пилососити весь навколишній космос у пошуках все, що можна поглинути. Власне, процес поглинання і допоміг астрономам виявити ці об'єкти — у бездонний гравітаційний колодязь валиться розігнане майже до світлової швидкості речовина, яка фонить на весь Всесвіт в гамма - і рентгенівському випромінюванні.

Вперше про чорні діри заговорив у 1784 році священик Джон Мічелл, його опублікували теорію, і забули до ХХ століття.

Він написав лист в Королівське суспільство, де містився розрахунок, з якого випливало, що для тіла з радіусом 500 Сонць і щільністю Сонця, друга космічна швидкість дорівнює швидкості світла. Світло не зможе покинути це тіло, і воно буде невидимим. Мішель припустив: в космосі таких об'єктів превелика безліч. У 1796 році французький астроном П'єр-Сімон Лаплас включив обговорення цієї ідеї у свою працю, на чому все і закінчилося.

Аж до ХХ століття, коли Ейнштейн у своїй теорії відносності вивів парочку цікавих рівнянь, перше з яких вирішив Карл Шварцшильд у 1915 році. З них випливало, що чорні діри — принаймні, як математичний казус, все-таки існують. Звичайно, на початку минулого століття у людства не було ні найменшої можливості заглянути в далекий космос і побачити подібний об'єкт наочно (навіть зараз їх зображень не існує), але любителі наукової екзотики вхопилися за ідею. Достеменно невідомо, хто придумав саму назву, але популяризував його Джон Арчибальд Уілер, який вперше публічно вжив його в популярній лекції "Наша Всесвіт: відоме і невідоме". До цього подібні об'єкти називали "сколлапсировавшие зірки" або "коллапсари", а також "застиглі (заморожені) зірки".

ХОКІНГ: ВИХІД В ІНШИЙ СВІТ

Стівен Хокінг разом з колегами створив чергову революційну теорію, апогеєм якої стала знаменита вже жарт: "Опинилися в чорній дірі? Не впадайте у відчай, вихід є".

Раніше чорні діри були простими і зрозумілими. Як тільки об'єкт потрапляв в дірку, вся інформація про нього пропадала. Вчені порівняли цю інфу з волоссям і довгий час вважали, що чорна діра, грубо кажучи, лиса. Що, м'яко кажучи, суперечить фізичним законам Всесвіту, де ніщо не зникає безслідно. Зараз вчені передумали і вирішили: волосся є. І частина їх все-таки пробивається назовні у вигляді фотонів (не мають кольору, так що волосся у чорної діри невидимі), енергія яких дорівнює нулю.

На цьому і заснована нова теорія Хокінга. Якщо інформація все ж виривається назовні, то чисто теоретично, потрапивши в чорну діру, можна з неї вибратися. Питання тільки один – куди саме вибратися? Сам фізик заявив, що потикатися в дірки все-таки не варто: є шанс потрапити в зовсім інший просторово-часовий континуум. Тому він особисто від подібних подорожей утримається.

Але факт залишається фактом. Чорні діри певного типу (вони повинні бути великого розміру і обертатися) можуть служити порталами. Оскільки ніхто не взявся перевірити, куди саме вони ведуть, нам залишається лише будувати теорії. Приміром, є теорія феєрверку, яка свідчить, що Великих вибухів було неміряно і кожен з них створив власну Всесвіт. Згідно теорії бран, наше чотиривимірний простір поділено на ділянки цими самими бранами — прокладками в порожнечі, які і є Всесвітами. А їх зіткнення породжує Великі вибухи.

Є і многомировая концепція Еверетта (з якої докорінно був незгодний Ейнштейн, заявляючи, що "Бог не грає в кості з всесвітом), яка говорить: всі ми живемо в імовірнісному світі. Кожна наша дія як би ділить простір-час на дві Всесвітів. В одній цю дію було, у другій — ні. Так що число континуумом, враховуючи кількість дій, які були або не були здійснені, прагне до нескінченності. Ось вам і відмінні місця для подорожей.

Проблема лише в тому, що перевірити ці теорії практично нереально — летіти до найближчої чорної діри зі швидкістю світла доведеться 6-8 тисяч років. Так що залишається задовольнятися гіпотезами. Принаймні поки що.

ОСНОВНІ МІФИ ПРО ЧОРНІ ДІРИ

1. Чорну дірку можна створити в земних умовах.

Можна. Чисто теоретично. Якщо накачати помітну енергію у вкрай малий обсяг, зіштовхуючи атомні частинки, наприклад, у Великому адронному колайдері.

2. Чорні діри засмоктують все — і вас в тому числі.

Точно так само, як і зірки з тією ж масою. Поки ви не потрапили за горизонт подій (умовна сфера, за якою простір вже скручено в нескінченність), є всі шанси звалити, як роблять релятивістські струменя (потоки плазми).

3. У Баку створять чорну діру, яка знищить Землю.

Ні. По-перше, чорна діра розміром з атом водню (для чого потрібно запхати в неї величезну масу) буде поглинати нашу планету стільки років, що наші нащадки плюнуть і переїдуть. По-друге, нашу атмосферу регулярно обстрілюють космічні промені з енергіями вище, ніж коллайдеру снилося — і досі нічого не сталося. По-третє, маленькі чорні діри швидко втрачають масу через випромінювання Хокінга. Так що всім — спокійно!

4. Наше Сонце стане чорною дірою.

Не стане. Замало маси. Щоб стати чорною дірою, Сонце повинне бути щонайменше у 2,5 рази важче і, відповідно, в 30 разів більше. Сонце перетвориться на червоного гіганта, а потім на білого карлика. Земля , природно, загине, але у нас є купа часу, щоб звідси втекти.

5. Спадаючи в чорну діру, можна побачити майбутнє.

Просто немає. На цю тему зробили стільки досліджень з вражаючою кількістю цифр і формул, що це навіть несмішно.

6. Чорні діри вічні.

По-перше, вони випаровуються завдяки тому ж випромінювання Хокінга, по-друге, ніщо не вічне.

7. Чорна діра — чорна.

Так. Але побачити це можна тільки на тлі світного об'єкта — зірки-супутника, наприклад. У всіх інших випадках ми бачимо не саму дірку, а сліди поглинання маси — аккреационний диск і релятивістські джети, які про-про-дуже яскраві.

ЩО ВСЕРЕДИНІ: СВІТ РОЗКОЛЕТЬСЯ НАДВОЄ

Попереджаю: людям зі слабкими нервами краще не читати. Тому що кількість неймовірних подій, які відбудуться в цьому тексті, зашкалює.

Перед нами — горизонт подій. Це зовнішня поверхня чорної діри, сфера, де гравітаційне поле і зусилля світла, намагається покинути об'єкт, врівноважуються. За ним — найпотужніший викривлення простору-часу, що упирається в нескінченне викривлення, іменоване сингулярністю. Сингулярність плює на простір, час і закони фізики. Це трохи страшно, але ми стрибаємо, залишаючи на орбіті друга, який за нами простежить.

Спочатку один побачить, як ми витянемся в довжину і сузимся в ширину, уповільнюючи швидкість. Потім, на горизонті подій, зупинимося, растянемся по поверхні цієї сфери і поджаримся з допомогою випромінювання Хокінга, перетворившись на шар попелу, який і поїде далі. Один дзвонить патологоанатому, історія закінчена.

Чи ні? Тому що ми, загалом-то, нічого цього не відчуємо завдяки станом вільного падіння. Ні гравітації, ні спека, ні уповільнення часу, тому що весь цей горизонт подій існує тільки для спостерігача. Ми ж, радісно посміхаючись, мчимо назустріч тій самій гравітаційної сингулярності. В процесі попиваємо кави (якщо захопили з собою термос) і милуємося викривленим космосом навколо. Тут, втім, варто зробити уточнення — працює з величезними чорними дірами, гравітація маленьких нерівномірна, і порве нас на частини.

Звичайно, вибратися назовні вже не вийде (хіба що вдасться осідлати потік тахионов, які, нагадаю, для цього варто відкрити). Найцікавіше, що до сингулярності нас тягне вже не простір — воно закінчилося десь там, за горизонтом, а час. Повернутися назад не можна, тому що машини часу у вас немає, а без неї битися з часом неможливо.

Так хто ж правий? Ви, затишно розташувалися на півдорозі до нескінченного викривлення простору-часу, або ваш друг, збирає попіл? Квантова фізика говорить, що обидва. З точки зору одного ви не можете перетнути горизонт подій, тому що інформація не втрачається безповоротно. З вашої точки зору ви можете перетнути горизонт подій, бо інакше порушиться теорія відносності. Таким чином, ви знаходитесь у двох місцях одночасно і в єдиному екземплярі. А все тому, що реальність залежить від спостерігача і в момент перетину горизонту подій вона як би "роздвоюється". І вся вищеописана психоделічна галюцинація — результат серйозних багаторічних досліджень найрозумніших людей на планеті.