Маркус дю Сотой - О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний

Однако в 1930 г. индийский физик Субраманьян Чандрасекар понял, что не все тут так гладко. Пока Чандрасекар плыл на корабле из Индии в Англию, где он должен был приступить к работе в докторантуре в Кембридже, он осознал, что специальная теория относительности устанавливает предельную скорость, с которой могут двигаться такие частицы. Поэтому если масса звезды достаточно велика, то после достижения этого предела гравитация победит и звезда начнет стремительно сжиматься, образуя в пространстве область все увеличивающейся плотности. Из вычислений, которые он произвел на своем корабле, следовало, что такая судьба ждет любую звезду, масса которой превышает массу Солнца более чем в 1,4 раза. В результате такого катастрофического сжатия – коллапса – возникает сверхновая, в которой происходит образование тяжелых элементов, например золота и урана.

Пространство, окружающее такие точки высокой плотности, искривляется чрезвычайно сильно, настолько, что свет, заключенный внутри его, не может выбраться наружу. В качестве одной из иллюстраций, объясняющих, как может возникнуть такая ловушка, можно представить себе мяч, который подбрасывают в воздух. Если такой мяч бросить с поверхности Земли с достаточно большой скоростью, он сможет освободиться от гравитационного притяжения Земли. Скорость, с которой для этого нужно бросить мяч, называется скоростью убегания [93]. Но представим себе, что масса Земли постоянно увеличивается. Тогда увеличивается и скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения. Однако в какой-то момент масса Земли станет такой большой, что скорость убегания мяча должна будет превысить скорость света. Начиная с этого момента мяч оказывается в ловушке. Он не может улететь дальше некоторой точки, из которой Земля притянет его обратно.

Так обстояло дело в классической картине гравитации, существовавшей до Эйнштейна. В конце XVIII в. Лаплас и английский физик Джон Мичелл уже присматривались к идее о возможности уловления света массивными объектами. Однако из сделанного столетием позже открытия Майкельсона и Морли, которые выяснили, что свет в вакууме всегда распространяется с одной и той же скоростью, следовало, что свет ведет себя не так, как мяч. Гравитация не может замедлить свет, как предполагали Лаплас и Мичелл. Но если гравитация является результатом искривления пространства-времени в соответствии с концепцией Эйнштейна, то такое искривление может помешать распространению света. Согласно идее Эйнштейна, может существовать область пространства настолько искривленная, что даже свет (не имеющий массы, но тем не менее подверженный влиянию кривизны пространства) не сможет ее покинуть. Пространство искривлено там настолько, что свет не может пробиться наружу, но загибается в обратном направлении, внутрь области высокой плотности. В 1967 г. американский физик Джон Уилер нарек такие области причудливым именем «черных дыр». Ричарду Фейнману оно показалось непристойным: французское выражение trou noir вызывает совсем другие ассоциации. Однако название прижилось.

По мере удаления от центра сжавшейся звезды воздействие гравитации ослабляется. В результате возникает сферическая граница, в центре которой находится черная дыра, и такая сфера определяет рубеж невозврата: свет, находящийся за пределами этой сферы, может выйти наружу; но свет и любые другие объекты, попавшие внутрь такой границы, оказываются в ловушке, так как их скорость недостаточна для выхода за нее. Такую сферу называют горизонтом событий черной дыры, потому что наблюдатель, находящийся снаружи сферы, не может увидеть события, происходящие внутри ее.

Для того чтобы звезда сжалась до размера такой сферы, ее масса должна быть достаточно большой. Например, масса Земли слишком мала для образования черной дыры – для этого ей пришлось бы сжаться до сферы радиусом всего в 1 см. Солнце тоже недостаточно массивно: радиус его горизонта событий составлял бы всего 3 км. Но, если масса звезды превышает массу нашего Солнца в 1,4 раза, направленное вовнутрь гравитационное давление преодолевает любое порожденное импульсом заключенной в ней материи давление, направленное вовне, и такая звезда коллапсирует внутрь своего горизонта событий.

Черные дыры были предметом оживленных споров с тех самых пор, когда теоретическое предположение об их существовании было впервые высказано после публикации уравнений гравитации Эйнштейна в 1915 г. Некоторые считали, что сжимающиеся звезды могут каким-то образом избежать попадания в такие запретные области. Может быть, такая звезда отбросит лишнюю массу? Это, конечно, допустимо, но звезда, в 20 раз более тяжелая, чем Солнце, смогла бы избежать превращения в черную дыру, только отбросив 95 % своей массы, что не кажется вероятным. Тем не менее некоторые ученые считали, что такие области пространства-времени в реальности не существуют.