Есть ли жизнь внутри черных дыр?

Уравнения Эйнштейна

После того, как Эйнштейн догадался, что гравитация – это искривленное пространство-время, он несколько лет искал уравнения, которые управляют этим искривлением. И вот в конце 1915 г. уравнения гравитационного поля были, наконец, написаны. Эти уравнения показывают, какое гравитационное поле создается распределением вещества. И в этих же уравнениях заключены правила движения вещества в гравитационном поле.

Уравнения Эйнштейна обобщают закон всемирного тяготения Ньютона, который можно получить из них в случае слабых полей и медленных движений, то есть, в «ньютоновском пределе». Как мы уже знаем, строго говоря, никакой силы тяготения нет, а есть движение в искривленном пространстве-времени. Но рассуждать в терминах сил в ньютоновском пределе очень удобно и наглядно. И в ньютоновском пределе нет надобности знать Общую теорию относительности и пользоваться ее сложными уравнениями. Поэтому говорить в этом пределе о «силе притяжения» вполне законно. А вот для большинства сильных полей тяготения, когда велико искривление пространства- времени, без уравнений Эйнштейна уже не обойтись.

Материальные тела обладают такой характеристикой как масса. Чем массивнее тело, тем труднее столкнуть его с места или поднять. Масса играет в тяготении важнейшую роль, так как она является источником гравитационного поля. И, наоборот, посредством своей массы предмет притягивается другими телами. Масса Солнца действует на массу Земли, притягивая ее. Бывают и сущности без массы, например свет. Но вместо массы свет обладает энергией и импульсом, которые тоже создают гравитационное поле.

Уравнения Эйнштейна состоят из левой и правой частей. Условно говоря, левая их часть соответствует геометрии – искривлению пространства-времени, а правая часть зависит от материи, точнее, от энергий и импульсов частиц и полей. Таким образом, геометрия и материя взаимосвязаны и влияют друг на друга. Материальное содержание говорит о том, как искривляется пространство-время, а геометрия пространства-времени определяет характер движения материальных объектов. Уравнения Эйнштейна управляют гравитацией примерно так же, как конституция и законы управляют жизнью государства.

Так выглядят уравнения Эйнштейна

Экспериментальные подтверждения Общей теории относительности

Какой бы красивой ни была теория, но критерием ее истинности все же остаются эксперименты и наблюдения. Чем же подтверждается Общая теория относительности?

Общая теория относительности сумела объяснить явление, которое до ее создания объяснить никак не удавалось. Это аномалия в движении планеты Меркурия. Планета движется по эллипсу, но не совсем. Точный эллипс был бы в ньютоновской теории при условии, что силу гравитации, действующую на планету, создает только одна масса. Но, кроме гравитационного поля Солнца имеются также поля других планет. Под влиянием этих полей орбита планеты немного отходит от точного эллипса. Это выглядит так, словно эллипс вращается. Астрономы тщательно учли влияние Солнца и других планет на движение Меркурия и обнаружили, что его орбита поворачивается быстрее, чем должна. Объяснения этому факту найти не удавалось. И только А. Эйнштейн нашел разгадку. Созданная им Общая теория относительности давала в точности тот дополнительный вклад в угол поворота орбиты, который требовался. А недавно была зарегистрирована даже прецессия орбиты звезды, вращающейся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики.

Вращение орбиты планеты

Также Общая теория относительности предсказала еще один эффект, который впоследствии был обнаружен. Это отклонение лучей света, проходящих вблизи Солнца или других массивных объектов. Гравитационное поле отклоняет свет и может его даже фокусировать, словно линза. Например, одна галактика может сфокусировать свет другой далекой галактики, находящейся с ней на одном луче зрения. Такую фокусировку часто называют «гравитационным линзированием». В теории Ньютона путем математических расчетов получается некоторый угол отклонения лучей. Такой же угол следует из теории, в которой учитывается гравитационное замедление времени, но не учитывается кривизна пространства. Такие теории разрабатывались до создания Общей теории относительности. Эйнштейн на основании Общей теории относительности предсказал в два раза большую величину угла отклонения света звезд Солнцем. Требовалось определить, кто прав. Арбитром выступила сама природа – ученые обратились непосредственно к ней.

При солнечных затмениях проводились наблюдения звезд вблизи края солнечного диска. Небесные координаты звезд сравнивались с положениями тех же самых звезд, но измеренными в то время, когда на небе эти звезды были далеко от Солнца. Тем самым, находились углы отклонения света. Эти наблюдения подтвердили справедливость Общей теории относительности и опровергли альтернативные теории, предсказывавшие половинный угол.

Принцип эквивалентности тоже проверен с высокой точностью. С погрешностью до одной стомиллионной в 1890 г. его подтвердил Этвеш в своем эксперименте с крутильными весами. А в опытах В. Б. Брагинского и его коллег, выполненных в Московском государственном университете, точность была доведена до одной тысячемиллиардной. Сейчас точность еще примерно на порядок выше.

Следующее предсказание Общей теории относительности состоит в том, что часы в сильном гравитационном поле идут медленнее, чем в более слабом поле. Отсюда, в частности, следует, что свет, излученный атомами вблизи источника гравитационного поля, будет наблюдаться (на большом расстоянии) с меньшей частотой, чем свет, излучаемый такими же атомами вдали от источников гравитации. Это эффект гравитационного красного смещения. Он действительно наблюдался для света Солнца и звезд. Похожий эффект для ядерных переходов зарегистрирован в земных условиях в эксперименте Паунда – Ребки. Данный эффект также подтвержден с помощью спутников, вращающихся вокруг Земли.

Есть еще ряд прямых и косвенных подтверждений Общей теории относительности, о которых мы не упомянули. Отметим лишь, что наблюдаемое космологическое расширение Вселенной является подтверждением космологических моделей, основанных на Общей теории относительности. Также чуть позже мы расскажем о черных дырах, сам факт существования которых уже не вызывает сомнения и дает подтверждение Общей теории относительности. Еще два эффекта, которые недавно подтвердили Общую теорию относительности – это гравитационные волны и «тень черной дыры». Но они заслуживают того, чтобы о них было рассказано подробнее в отдельных разделах.

Итак, опыт подтверждает Общую теорию относительности. Но значит ли это, что старая теория Ньютона не верна или ошибочна, так как правильной является теория Эйнштейна? Конечно же нет. Теория Ньютона правильна, но она должна рассматриваться только в области своей применимости. То есть, при достаточно малых скоростях и гравитационных полях. Малость определяется в каждом конкретном случае рассматриваемым явлением или точностью имеющихся измерительных приборов.

Гравитационные волны

В течение последних ста лет Общая теория относительности проверялась только в сравнительно слабых гравитационных полях. Но в 2015 г. были зарегистрированы гравитационные волны, с помощью которых удалось проверить Общую теорию относительности и в области сильных полей.

Что такое гравитационные волны? Искривленное пространство-время обладает свойством, напоминающим упругость. Если в каком-то участке пространство-время немного «пошевелить», то от этого места побегут волны искривления, отдаленно напоминающие волны на воде или волны упругости в натянутой нити. Эти волны называются гравитационными волнами.

«Пошевелить» пространство-время можно путем резких движений или колебаний массивных объектов, создающих, как мы помним, искривления пространства-времени. В частности, две черные дыры, которые образуют пару и обращаются по орбите друг вокруг друга, являются источником гравитационных волн. Такие пары черных дыр достаточно часто образуются в результате эволюции звезд. Сначала имелась пара обычных звезд, которые последовательно вспыхнули как сверхновые и превратились в черные дыры. Излучая гравитационные волны, двойная система черных дыр теряет энергию, и ее компоненты сближаются. Наиболее сильный гравитационный всплеск возникает в момент столкновения двух черных дыр, после чего они объединяются вместе и становятся одной черной дырой.

Двойная черная дыра генерирует гравитационные волны

В 2015 г. с помощью сложнейших лазерных интерферометров LIGO/Virgo физики сумели зарегистрировать гравитационные волны, генерируемые слияниями пар черных дыр в далеких галактиках. Массы этих черных дыр были примерно в 30 раз больше массы Солнца, поэтому они образовались, вероятно, при взрывах очень массивных звезд. Или же они могут быть первичными черными дырами, образовавшимися в ранней Вселенной. Гравитационные волны были достоверно зарегистрированы несколько раз. При этом оказалось, что в большинстве случаев никакой другой объект, кроме черной дыры, не может обеспечить наблюдавшуюся форму сигнала. Форма сигнала определяется быстрым движением двух черных дыр по орбите непосредственно перед слиянием и последующими колебаниями горизонта образующейся после слияния единой черной дыры. А слияния объектов с твердой поверхностью генерировали бы сигналы иной формы. И это тоже было подтверждено в 2017 г., когда был зарегистрирован гравитационно-волновой сигнал и от слияния двух нейтронных звезд. Строго говоря, в этом слиянии как минимум один объект точно является нейтронной звездой, а второй может быть нейтронной звездой или черной дырой. При слиянии двух черных дыр пространство-время возмущено сильно, поэтому наблюдение гравитационных волн от слияний черных дыр дало проверку Общей теории относительности в области сильных полей. К настоящему моменту зарегистрированы уже десятки всплесков гравитационных волн. Таким образом, удалось окончательно установить, что гравитационные волны действительно существуют.

Также ожидается, что мощные сигналы в форме гравитационных волн генерируется и во время взрывов сверхновых. В нашей Галактике примерно раз в 50 лет взрываются сверхновые, поэтому в обозримом будущем появится возможность наблюдать гравитационные волны и от таких взрывов.

Вселенная

Окружающее нас вещество распределено неоднородно, оно образует множество отдельных объектов и предметов – от атомов до сверхскоплений галактик. Но если мысленно переходить от малых ко все большим и большим масштабам, то мы перестанем видеть эти неоднородности. Точно так же мы не видим неровности штукатурки на стене дома, если отошли от стены достаточно далеко. На масштабах, превышающих размеры сверхскоплений галактик, Вселенная начнет выглядеть как однородная, имеющая во всех местах одинаковую плотность. С течением времени эта плотность уменьшается из-за расширения пространства. Вселенная расширяется!

Во времена Ньютона Вселенную в целом представляли, чем-то неподвижным и неизменным с момента ее создания. Неподвижно на своих местах располагались звезды. И только планеты обращались по орбитам вокруг Солнца (при Ньютоне гелиоцентрическая точка зрения уже получила распространение), и лишь на Земле в мелких по космическим меркам масштабах копошилась разнообразная жизнь. Дальний космос же был величественен и неподвижен. Интересно, что представление о неизменной Вселенной дожило до XX-го века: Эйнштейн тоже сначала считал Вселенную статической. Он разработал модель однородной, но не расширяющейся Вселенной. При этом ему пришлось ввести в свои уравнения гравитации искусственную добавку – космологическую постоянную, называемую также лямбда-членом. Иначе статическая неподвижная Вселенная из уравнений не получалась. А чуть позже А. Фридман, используя уравнения Эйнштейна, построил модель расширяющейся Вселенной. Оказалось, что совсем не обязательно требовать неподвижности. Расширение Вселенной было подтверждено Э. Хабблом в 1920-х годах при наблюдении разлета галактик. Для расширения Вселенной в согласии с имеющимися тогда данными лямбда-члена не требовалось. Лишь в 1990-х годах с увеличением точности наблюдений было установлено, что лямбда-член во Вселенной все-таки существует. Но не в форме новой фундаментальной константы, как предполагал Эйнштейн, а в виде темной энергии.

В каком бы месте мы ни находились, расширение будет выглядеть примерно одинаково. Нам будет казаться, что другие далекие галактики разлетаются от нас словно от центра. Но как такое может быть? Ведь не может же каждая точка пространства быть центром Вселенной? Противоречия здесь нет. Это легко понять, если представить себе поверхность надуваемого воздушного шарика. Все точки на поверхности шарика удаляются друг от друга, и каждая из них может считать себя центром расширения, хотя единого центра на поверхности нет. Поверхность воздушного шарика двумерная. На ней, как и на глобусе, положение любой точки можно задать двумя числами: широтой и долготой. Примерно так же расширяется и трехмерное пространство Вселенной. Единого центра нет, но наблюдатель в каждой точке видит разлет вещества во всех направлениях. Все выглядит так, будто наблюдатель находится в центре расширения.

Пространство Вселенной расширяется подобно поверхности воздушного шарика

Трехмерное пространство нашей Вселенной можно формально математически представить как сферическую поверхность во вспомогательном четырехмерном пространстве. Но, в отличие от воздушного шарика, эту поверхность нельзя, например, проткнуть иголкой извне, так как внешнего по отношению к ней пространства просто не существует. Любой предмет мы привыкли представлять в окружающем его более протяженном пространстве. Даже если орех находится в своей скорлупе, за пределами скорлупы всегда что-то есть. Но в случае со всей Вселенной нет никакого внешнего по отношению к ней пространства, хотя математики и могут его условно «дорисовать», используя дополнительные измерения. Дополнительные по отношению к обычным измерениям: к длине, ширине и высоте. Математики добавляют к ним другие измерения, у которых даже нет названия. Кстати, в некоторых не доказанных пока физических теориях дополнительные измерения рассматриваются как реально существующие. Но в данном случае, о котором мы здесь говорим, трехмерное пространство Вселенной представляется вложенным в формальное математическое 4-мерное пространство, которое существует лишь как математическая конструкция и не более того.

Из уравнений Эйнштейна, исследованных Фридманом, следует, что пространство Вселенной может быть трех типов: оно может быть конечным по размеру и иметь положительную кривизну, может быть бесконечным и плоским, либо оно может быть бесконечным и иметь отрицательную кривизну. Знак кривизны говорит о том, как искривлено пространство. Глобальная кривизна определяется наличием тяготеющих тел, точнее, их средней плотностью – плотностью, которая получается, если массу всех тел равномерно размазать по всему пространству. В первом из указанных случаев оно похоже на поверхность шара, если представлять его вложенным во вспомогательное четырехмерное пространство. Во втором случае пространство напоминает бесконечную ровную плоскость. В третьем случае форма пространственной поверхности похожа на лошадиное седло, загибаясь в разных направлениях. От знака кривизны зависит дальнейшая судьба Вселенной. В простейших космологических моделях Вселенная с отрицательной и нулевой кривизной будет расширяться вечно, а расширение Вселенной с положительной кривизной в некоторый момент сменится сжатием, и Вселенная в итоге сожмется почти в точку. Какой из этих трех вариантов реализован в природе, пока неизвестно, но Вселенная с большой точностью является плоской, ее средняя пространственная кривизна близка к нулю, хотя может слегка отличаться от нуля в любую сторону.

Модификации и обобщения Общей теории относительности

На то она и теория относительности, чтобы не возводить её в абсолют. – В. Котиков

После создания Общей теории относительности появились несколько ее модификаций. Вейль, Калуца и Клейн, а также сам Эйнштейн пытались объяснить электромагнетизм через усложнение геометрии пространства-времени. Ставился вопрос, не являются ли электрическое и магнитное поле просто проявлением дополнительных измерений пространства-времени или каких-то других геометрических структур? Главной целью в этой деятельности является построение единой универсальной и, желательно, простой теории, которая объясняла бы все физические явления. К сожалению, до сих пор попытки построить такую теорию не принесли удовлетворительного результата.

В частности, с помощью модифицированной теории гравитации пытаются объяснить темную материю во Вселенной. Темную материю мы более подробно будем обсуждать позже. Сейчас лишь скажем, что это невидимое вещество в галактиках и скоплениях галактик, создающее гравитационное поле, которое является дополнительным к гравитации звезд и других видимых объектов. Пока неясно, из чего состоит темная материя. Идея модифицированной гравитации заключается в том, что темной материи нет вообще, а более быстрое, чем в ньютоновской теории, движение звезд и галактик объясняется поправками к уравнениям Эйнштейна и, как следствие, поправками к закону тяготения Ньютона на больших масштабах. Логически такая возможность не исключена. Вопрос в том, можно ли в рамках таких модифицированных теорий объяснить всю совокупность наблюдательных данных? Отдельные данные теория модифицированной гравитации объясняет хорошо, а другие – с трудом.

Предпринимались попытки построить теорию тяготения как теорию поля в плоском пространстве-времени, т.к. в этом случае проще проводить квантование гравитации. Однако всеобщего признания эти теории не получили. В частности, в таких теориях невозможно образование черных дыр. При сжатии звезды вещество, согласно таким теориям, должно сжиматься и стабилизироваться на некотором радиусе, не допуская образование горизонта событий черной дыры.

Сложно предугадать, как дальше будет развиваться наука, но пока эйнштейновская теория в ее первоначальном виде прекрасно описывает природу.

Ученые мечтают построить такую теорию, которая сможет объяснить все фундаментальные процессы во Вселенной, объединить все поля и частицы. Так, теория Максвелла объединяет электрические и магнитные явления, которые становятся просто разным проявлением единого электромагнитного поля. Набор уравнений Единой теории поля будет задавать правила игры, подобно правилам в шахматах или футболе, но гораздо более сложные. По этим единым универсальным правилам рождаются, взаимодействуют и взаимно превращаются все частицы и поля.

Большинство исследователей сходится в том, что гравитация среди этого всеобщего единства не останется в стороне, а будет играть, возможно, принципиальную и определяющую роль. Что искривленное пространство-время – это не просто сцена, на которой разворачиваются события. Оно само будет квантоваться, бурлить, распадаться на частицы – гравитоны. В общем, жить сложной и активной жизнью. Общая теория относительности уже показала, что пространство-время имеет динамику – оно искривляется в зависимости от имеющегося в нем вещества, а в квантовой теории от гравитации ожидается еще большее. Калуца, Клейн, Эйнштейн и другие исследователи уже пытались объяснить электромагнетизм как одно из свойств искривленного пространства-времени, но подобные усилия пока к успеху не привели. Однако нельзя исключать, что в рамках какого-то более хитроумного подхода мечта физиков об окончательной единой теории все-таки сбудется.

Черные дыры