Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

В центре чёрной дыры материя, из которой состояла звезда, сжимается до бесконечной плотности, а искривлённость пространства и времени и сила гравитации принимают бесконечно высокие значения. [196] Изначально Шварцшильд полагал, что сингулярность находится на границе чёрной дыры. Затем оказалось, что это была всего лишь ошибка использованной им системы координат. На самом деле сингулярность располагается в самом центре чёрной дыры. Как говорил американский драматург и писатель Стивен Райт, «чёрные дыры — это места, где Бог разделил на ноль». Появление такой сингулярности в любой теории означает, что она больше не имеет отношения к реальности.

Комментируя работу Шварцшильда о чёрных дырах, Эйнштейн сказал: «Если бы эти результаты были верны, это означало бы настоящую катастрофу». И ни Эйнштейн, ни даже сам Шварцшильд ни на секунду не верили в их подлинность. Ни одному из них не приходила в голову мысль, что уравнение для чёрных дыр может описывать реально существующие во Вселенной объекты.

Те немногие, которые поверили в это, тоже не особо волновались. Запасы энергии в любой звезде конечны, и когда энергия заканчивается, свечение звёзды погасает и звезда начинает коллапсировать под воздействием гравитации. Но наверняка должна существовать какая-то сила, которая останавливает этот процесс. Природа просто не может допустить существования такой жуткой вещи, как сингулярность.

Оказалось, что подобная сила действительно существует. Она была обнаружена благодаря квантовой теории, описывающей странный микроскопический мир атомов и составляющих их элементов. [197] См. главу 8.

Квантовая теория возникла в начале XX века, но математическую базу под неё подвели лишь в середине 1920-х годов. Согласно этой теории, мельчайшие составляющие материи ведут себя одновременно как локализованные частицы (похожие на крошечные бильярдные шары) и как распространяющиеся волны (как рябь на поверхности пруда). Этот корпускулярно-волновой дуализм является причиной множества странных и удивительных явлений. Например, когда одна частица может находиться в двух местах одновременно. Кроме того, он играет важную роль в том, что в конце своего жизненного цикла звёзды утрачивают энергию. [198] Как замечал Ричард Фейнман, с точки зрения классической физики существование атомов совершенно невозможно. Но принцип неопределённости Гейзенберга исправляет эту ситуацию. Электрон в атоме вращается вокруг ядра, как планета — вокруг Солнца. Согласно теории электромагнетизма он действует как крошечный радиопередатчик, излучающий свою орбитальную энергию в виде электромагнитных волн. Для того чтобы упасть на ядро, ему требуется меньше миллионной доли секунды, но он не делает этого, потому что квантовую волну электрона нельзя сжать до заданного небольшого объёма. С точки зрения частиц электрон, который прижимается к ядру, похож на пчелу в постоянно сжимающейся коробочке, становящуюся всё более и более агрессивной и бьющуюся о стенки коробки всё сильнее и сильнее.

Когда звёздное топливо перестаёт толкать материю, из которой состоит звезда, в разные стороны, гравитация железной рукой сжимает её примерно до размеров нашей планеты. Такой белый карлик примерно в 100 раз меньше и в миллион раз плотнее, чем Солнце. Это последняя фаза существования всех звёзд, включая и нашу. Кубик такой материи размером с кусок сахара будет весить как автомобиль, и при такой высочайшей плотности электроны окажутся очень близко друг к другу.

Волна, зажатая в небольшом пространстве, становится более резкой и отрывистой. Если речь идёт о квантовых волнах, это значит, что частица начинает двигаться быстрее (или, строго говоря, приобретает больший импульс). Так формулируется знаменитый принцип неопределённости Гейзенберга. Согласно ему, когда электроны оказываются плотно прижатыми друг к другу внутри белого карлика, их скорости очень сильно увеличиваются.

Этот квантовый эффект имеет для белых карликов огромные последствия. Но существует и ещё одно явление того же порядка, объяснить которое немного сложнее. [199] Chown M. We Need to Talk About Kelvin. — London: Faber & Faber, 2010. Ещё одним последствием корпускулярно-волнового дуализма является разделение всех составляющих материи на две группы: бозоны, которые любят большие компании, и фермионы, которые предпочитают жить поодиночке. Фермионы, к которым относится и электрон, действуют в соответствии с принципом Паули, который гласит, что два фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. [200] Принцип Паули объясняет существование различных атомов (строительных блоков Вселенной). Соответственно, именно благодаря ему наш мир так сложен и разнообразен. Согласно теории электромагнетизма, после испускания всей своей орбитальной энергии электроны атома должны переместиться на низкоэнергетическую орбиту как можно ближе к ядру. Если бы это действительно происходило, то атомы всех 92 элементов имели бы один и тот же размер и вели себя одинаково (ведь поведение атома определяется тем, как в нём организованы электроны). Согласно принципу Паули электроны занимают «ниши» вокруг ядра, а от числа электронов во внешней нише зависит то, как атом связывается с другими и формирует химические соединения.