В чаду черных дыр

Вырваться из черной дыры – задача не тривиальная, а квантово-механическая.
Мауриц Эшер, «Звезды», 1948 г.

«Известно, что наша Вселенная возникла за счет взрыва вакуума – я об этом читал в книжках. Не могли бы вы сказать: а что было до Большого Взрыва? Может быть, там было много Вселенных – какой уровень IQ мог бы быть у их обитателей?» Переполненный актовый зал знаменитого ФИАНа – Физического института Академии наук – на мгновение замер, а затем чуть было не грохнул аплодисментами от такого вопроса в «лоб», обращенного к лектору – известному российскому ученому, академику Валерию Рубакову. Автор вопроса вряд ли перешагнул порог пятого класса средней образовательной московской школы. Впрочем, никак не меньше, чем две трети слушателей – это были старшие школьники, студенты, аспиранты. Дело происходило в воскресенье, в 10 утра┘

Впервые в новейшей истории России ученые с мировым именем – в данном случае профессор Хуан Малдасена (Институт передовых исследований, г. Принстон, США) и академик Валерий Рубаков (Институт ядерных исследований РАН, г. Москва) – выступали с Публичными лекциями по физике. Тема лекции Малдасены – «Черные дыры и информационный парадокс», Рубакова – «Темная материя и темная энергия во Вселенной». Организаторы этого действа – фонд Дмитрия Зимина «Династия» при содействии Международного центра фундаментальной физики в Москве.

В общем, три часа на одном дыхании – об устройстве пространства-времени в космологическом масштабе, в субмикроскопическом масштабе, а заодно – об устройстве Вселенной, которая с сумасшедшей скоростью расширяется в этом же самом пространстве-времени. (Удвоение расстояний во Вселенной происходит каждые 12 миллиардов лет; впрочем, по космологическим меркам, – ужасно медленно.)

Парадоксов и в том, и в другом докладе было представлено более чем достаточно. Так как темной энергии посвящена отдельная статья в сегодняшнем выпуске «НГ-науки» (см. «Темная история с «темной энергией»), имеет смысл более подробно приглядеться к черным дырам.

Итак, краткое досье на черные дыры (ЧД).

Чтобы тело, масса которого равна массе Земли, превратилось в черную дыру, его нужно сжать до радиуса меньше сантиметра. Для превращения в ЧД объекта с массой Солнца – он должен усохнуть до диаметра меньше километра; объект с массой 100 кг, надумавший стать черной дырой, должен будет сжаться (или, как говорят физики, сколлапсировать) до характерных размеров┘ меньше любой длины, известной когда-либо.

Тут вступает в действие другой парадокс. Оказывается, наше восприятие времени зависит от того, с какой скоростью мы движемся. Это было проверено в эксперименте. Но и гравитация влияет на ход времени. Эйнштейн предположил, что масса искривляет пространство-время вокруг себя. Это приводит к забавным практическим результатам. Для обитателя первого этажа многоэтажного дома время течет медленнее, чем для квартиросъемщика чердачного помещения. Для типичной городской архитектуры Земли этот эффект составляет 10-15 секунды за секунду. Именно настолько прописка в полуподвале продлевает жизнь его обитателей – пустячок, а вроде приятно.

А вот часы на поверхности Солнца идут на одну миллионную медленнее, чем часы, которые находятся вдали от светила. Дальше – больше. На поверхности нейтронной звезды (плотность нейтронной звезды может превышать 10 млн. тонн в кубическом сантиметре при диаметре звезды в несколько километров; чайная ложка нейтронного вещества весит столько же, сколько все автомобили на Земле – миллиарды тонн!) время течет со скоростью 70% от скорости часов вдали от нее. Эйнштейновская Общая теория относительности говорит как раз о том, как ведет себя время вблизи массивного объекта – по мере приближения к звезде оно идет все медленнее и медленнее. Если сделать звезду меньше черной дыры, то окажется, что время там буквально останавливается. Физики любят давать малопонятным поначалу объектам и феноменам красивые и загадочные названия. Звезды, на которых останавливается время, получили название – холодные звезды.

Еще. Типичный диаметр черной дыры – 10 км, но где-то в глубинах Вселенной есть ЧД размером с Солнечную систему. Вот и относительно недавно астрономы зафиксировали колоссальный поток частиц, идущих из галактики, расположенной на расстоянии тоже не хилом – 90 тыс. световых лет. Есть мнение, что эти потоки частиц производятся черной дырой. (Как производятся – это вопрос особый; возможность испускания черными дырами частиц теоретически предсказал в 1974 г. англичанин Стивен Хокинг.) А вообще, у всех галактик, похожих на Млечный Путь, в центре имеется своя черная дыра.

Ничто не вечно под Луной. Черные дыры тоже. Они все время излучают энергию и в конце концов излучат ее всю. Для ЧД массой, равной массе Солнца, время жизни – больше времени жизни Вселенной; ЧД с массой человека живет миллисекунды; время жизни черной дыры с массой земного горного хребта эквивалентно времени жизни Вселенной. «Но в эксперименте нам не удалось еще наблюдать процесс испарения черной дыры», – самокритично вынужден был признать Хуан Малдасена.

Еще один нетривиальный парадокс, связанный с ЧД. Сохранится ли информация при падении, например, книги в черную дыру? Эту проблему обнаружил в свое время упомянутый уже выше Стивен Хокинг. Он предположил, что в ЧД информация исчезает бесследно и безвозвратно. Но это противоречит принципам квантовой механики. Нужна была какая-то теория, позволяющая обойти этот парадокс. «Сейчас на эту роль рассматривается теория струн, – не раз подчеркивал в своем выступлении Малдасена. – Она соединяет квантовую механику и теорию гравитации Эйнштейна. Это необходимо для понимания проблемы Большого Взрыва. Теория струн, похоже, единственный кандидат, претендующий на адекватное описание процесса возникновения Вселенной».

«Теория струн, – поддержал своего коллегу и Валерий Рубаков, – может пригодиться в точке сингулярности – там теория струн может работать».

Название «Теория струн» – это еще один пример неизбывной любви физиков к красивым и загадочным названиям. (Дипломная работа Хуана Малдасены называлась «Теория струн в искривленном пространстве», 1991 г.) А все, на самом деле, гораздо проще. Взяли и предположили: гравитоны, эти гипотетические пока переносчики гравитационного взаимодействия, выглядят, мол, как маленькие петли, образованные струнами. (Отсюда и название – теория струн).

Экспериментальной проверки этой теории до сих пор нет. (Замечу, кстати, что это дает основания некоторым недоброжелателям говорить о том, что современная физика элементарных частиц становится не столько наукой, сколько разделом эстетики.) «Пока мы не можем описать Большой Взрыв в теории струн, – признает и профессор Малдасена. – Но она может объединить все существующие взаимодействия. Все взаимодействия – это струны, колеблющиеся разным образом»...

В заключение лекции Хуану Малдасене тоже был задан свой «детский» вопрос из продвинутой московской аудитории: «Чем отличается наша Вселенная от черной дыры; ведь ее, Вселенную, тоже вроде бы можно рассматривать как ЧД, только гигантских размеров?» Успокойтесь, дорогие читатели, все не так страшно.

«Вселенная все-таки отличается от черной дыры, – философски успокоил собравшихся Малдасена. – Если вы попали в черную дыру, то вы ударитесь в сингулярность. То есть сингулярность черной дыры – в будущем. Но в нашей Вселенной сингулярность – в прошлом».

Другими словами, все самое страшное, что могло с нами произойти – Большой Взрыв, например, – все в прошлом. И на том спасибо.