Гипотеза белых дыр. Об устройстве Вселенной, гравитации и теории относительности

1

Лиха беда начало. С первыми словами открывается космос. Словно первый взгляд девчонки, в которую я готов влюбиться: едва заметная улыбка разворачивает перед глазами целую жизнь. Я колебался, прежде чем приступить к написанию этой книги, словно собирался пройтись по лесу позади собственного дома в Канаде, еще не представляя, куда, собственно, пойду.

Вот уже несколько лет я занимаюсь изучением белых дыр – неуловимых младших собратьев черных дыр. Эта книга – о них. Сначала я постараюсь рассказать, как образуются черные дыры. Их на небе найдено уже несколько сотен. О том, что происходит на границе этих странных звезд – на горизонте, где время замедляется вплоть до полной остановки, а пространство как будто рвется на части. А после мы двинемся дальше, в те сокровенные глубины космоса, где теряет смысл понятие пространства, а время как будто поворачивает вспять. Где рождаются белые дыры.

Это рассказ о незавершенном приключении. Как всегда бывает в начале пути, я не очень-то представляю, куда заведет меня дорога. Не спросишь же сразу после первой улыбки, где будем жить вместе… Обдумываю план полета: прибываем на границу горизонта. Входим. Спускаемся до самого дна. Проходим сквозь него, как Алиса сквозь зеркало, – и выходим в белую дыру. Теперь зададимся вопросом: что будет, если время повернет вспять? Выйдем наконец, чтобы вновь узреть светила – всё те же наши звезды – спустя мгновение и несколько миллионов лет. Или – время прочтения нескольких страниц этой книги.

Следите за мной?

Марсель. Хэл стоит у доски в моем кабинете. Я сижу за столом, откинувшись на спинку большого кресла и, не отрываясь, гляжу на Хэла. Через окно льется ослепительный свет Средиземноморья. Так начинается мое приключение с белыми дырами.

Хэл – американец, по-моему, с небольшой примесью крови чероки. Возможно, именно она придает такую прелесть его блестящим идеям. Сейчас он преподает в колледже, но когда-то и сам был студентом. Деликатный, пунктуальный, со спокойными манерами очень взрослого парня, он пытается объяснить мне что-то, что до меня не доходит. Идею о том, что, возможно, происходит в черной дыре в самый момент завершения ее долгой жизни.

Вспоминаю его слова: уравнения Эйнштейна не меняются, если перевернуть время, – для получения «отскока» следует обратить время и «склеить» решения. Я запутался.

Потом я вдруг понимаю, что же он имеет в виду. Обалдеть! (Я итальянец, я не могу молчать, как чероки!) Иду к доске и черчу. У меня колотится сердце.

Подумав, Хэл соглашается: «Да, примерно так». Я: «Это черная дыра, которая внутри превращается в белую через квантовый туннельный эффект, а снаружи при этом может оставаться прежней». Он, еще немного поразмыслив: «Да. Не знаю… Как думаешь, это сработает?»

Получилось. Во всяком случае, в теории. С того разговора в ярком свете марсельского дня прошло девять лет. Я продолжал развивать гипотезу о возможности превращения черных дыр в белые, вовлекая все новых студентов и коллег. Эта идея и сейчас кажется мне очень красивой.

Хэл

Не знаю, верна ли она. Не знаю даже, существуют ли на самом деле белые дыры в реальном мире. Про черные дыры мы знаем многое – мы их наблюдаем, а вот белые дыры до сих пор никто не видел.

Когда я был аспирантом в Турине, теоретическую физику нам преподавал Марио Тонин. Он утверждал, что Бог каждую неделю читает знаменитый журнал Physical Review D, и если какая-нибудь из опубликованных там идей ему нравится, то – чик! – он реализует ее на практике, перенастраивая, если нужно, универсальные законы.

Если это так, то, Боже, сделай, чтобы черные дыры в конце концов превращались в белые!

Перечитываю предыдущие строки – рассказ о моем первом знакомстве с белыми дырами. Хочу объяснить все по порядку: что представляют собой объекты, о которых мы говорили с Хэлом, что мы о них знаем и чего не знаем, какую проблему мы пытались решить, в чем состоит идея Хэла, какие из нее вытекают следствия, что значит «перевернуть время» (это несложно) и что значит «у времени есть направление» (это немного посложнее)…

Следуйте за мной, и вместе мы дойдем до границы горизонта черной дыры, войдем в него, спустимся на самое дно, где пространство и время «исчезают», и, миновав его, выскочим в белую дыру, в которой время перевернуто, а оттуда – в будущее.

Итак, вперед, к белым дырам!

2

Вообще-то нет, давайте пока отправимся к черным дырам. Чтобы понять, что такое белые дыры, надо сначала получить ясное представление о черных. Так что же такое черная дыра?

Первым в этой области ошибается Альберт Эйнштейн. В 1915 году, после десяти лет безумных и отчаянных усилий, он публикует фундаментальные уравнения своей важнейшей теории – общей теории относительности, которую в наше время преподают во всех университетах мира.

А всего через несколько недель получает письмо от младшего коллеги – Карла Шварцшильда [1], который тогда служил лейтенантом в германской армии и умер через несколько месяцев от болезни, развившейся у него на восточном фронте. Письмо это заканчивается следующими прекрасными словами: «Как видите, война не слишком меня потрепала. Несмотря на тяжелые обстрелы, я смог выкроить немного времени и совершить прогулку по миру ваших идей». Прогулка по миру ваших идей!

Прогулка Шварцшильда по миру идей Эйнштейна происходила в перерывах между боями, среди трупов немецких и русских парней, зверски убитых из-за человеческого идиотизма, правившего бал (совсем как сейчас: умереть за передел границ – что может быть глупее?). Именно она принесла точное решение только что опубликованных Эйнштейном уравнений.

Эти уравнения (единственная формула в моей книжке «Семь этюдов по физике») дались ему нелегко – об этом свидетельствует ряд статей с разными вариантами формул, причем все – неправильные. Быть Эйнштейном означало иметь мужество публиковать ошибочные результаты.

Наконец, в 1915 году уравнения приобрели истинный вид. Тот самый, что в последующие десятилетия заставил физиков пересмотреть представления о природе пространства и времени, позволил понять, что часы в горах идут быстрее, чем на равнине, что Вселенная расширяется, что существуют гравитационные волны и т. д. Уравнения, которые мы сейчас используем для исследования космоса, пожалуй, самые прекрасные из физических уравнений.

На этих страницах мы установим с ними тесные, но сложные отношения: уравнения Эйнштейна послужат нам проводниками, подобно Вергилию для Данте, потому что обобщают все лучшее, что мы знаем о пространстве, времени и гравитации. Это инструмент, с помощью которого мы достигаем понимания. Они говорят нам, чего следует ожидать на границе черной дыры и внутри нее, показывают, что представляют собой белые дыры, служат путеводной звездой в этом странствии через диковинные ландшафты. Но весь смысл истории, которую собираюсь рассказать я, состоит в том, чтобы пойти и взглянуть, что же происходит там, где эти уравнения перестают работать. Там, где придется от них отказаться. Такова наука.

На полпути нам придется расстаться с опорой и поддержкой в лице этих уравнений и поддаться очарованию более сладостного. Так же, как, в сущности, поступает Данте, который на половине пути покидает Вергилия и отдает себя во власть более пленительной спутницы.

Вернемся к Шварцшильду. Сформулированное им в письме Эйнштейну решение теперь приводится во всех университетских учебниках. Оно описывает происходящее с пространством и временем в окрестности массивного объекта – например, Земли или Солнца. Под действием тяготения пространство и время искривляются (я сейчас постараюсь объяснить, что это означает). Именно из-за этого искривления пространства и времени тела падают на Землю, а планеты обращаются вокруг Солнца – оно и есть причина силы тяготения.

Шварцшильд исследовал, как тела под действием тяготения движутся вокруг массивных объектов вроде Земли или Солнца. Пытаясь ответить на этот же вопрос, Ньютон тремя столетиями раньше открыл дорогу к современной науке. И вот теперь Эйнштейн и Шварцшильд поправили Ньютона, уточнив предсказанный им характер движения тел вблизи массивных объектов.

Но решение, найденное Шварцшильдом, не просто дает небольшую поправку к движению планет – оно также привносит нечто принципиально новое и весьма странное. Если масса очень сильно сконцентрирована, то вокруг нее образуется своеобразная «скорлупа» – сферическая поверхность, на которой все ведет себя крайне странно: например, часы, которые всегда замедляются вблизи массивных объектов, здесь попросту останавливаются. Время «замораживается». Перестает течь. А пространство растягивается в направлении этой концентрированной массы, словно всасываясь в длинную воронку – так, что на этой диковинной поверхности растяжение превращается в дыру: расположенные непосредственно внутри за ней точки оказываются бесконечно далекими.

Остановившееся время, разорванное пространство… Все это производит впечатление бессвязного бреда. Эйнштейн резонно заключает, что такие вещи не имеют смысла – этой нелепой поверхности в реальности не существует.

Вообще-то из расчетов следует, что для получения такой скорлупы надо сжать массу до невероятно малых размеров. Например, для формирования соответствующей поверхности вокруг Земли всю нашу планету придется упаковать в шарик для пинг-понга. Абсурд! Эйнштейн решает, что подобные рассуждения не представляют интереса: невозможно сконцентрировать массу до такой степени, чтобы образовалась эта странная скорлупа.

Время покажет, что Эйнштейн ошибался. Он недостаточно верил в собственные уравнения. Ему не хватило мужества принять неожиданные следствия собственной теории. Настолько сконцентрированные массы существуют, и теперь мы это знаем. На небе их миллиарды. Это черные дыры.

Астрономы обнаружили как объекты такого рода размером в несколько километров, так и исполинские черные дыры размером с целую Солнечную систему. Не исключено, что существуют и маленькие, как шарик для пинг-понга, и даже совсем крохотные, с волосок, черные дыры, но их еще никто не наблюдал. Пока.

Большинство известных черных дыр порождены звездами, в которых прекратилось горение. Это крупные звезды, настолько массивные, что, если бы не горение в их недрах, они были бы раздавлены собственным весом. Звезды сжигают водород, из которого состоят, превращая его в гелий. Выделяемое при этом тепло порождает давление, которое уравновешивает силу тяжести и не дает звезде сокрушить саму себя. В таком режиме звезда живет миллиарды лет.

Но ничто не вечно. В конце концов водород оказывается израсходованным, превратившись в гелий и прочий негорючий «пепел»: звезда делается похожей на автомобиль без бензина. Температура падает, вес берет верх. Звезда сжимается под действием собственного тяготения. Сила тяжести большой звезды чудовищна, и ни одна самая прочная порода не может выдержать такое давление. Ничто не способно предотвратить «обрушение» звезды, и вот она сжимается, обрушиваясь внутрь собственного горизонта. Образуется черная дыра.

В 1928 году, еще до того, как все это становится понятно, телефонная компания «Белл» нанимает 23‐летнего физика Карла Янского для исследования радиопомех. Янский собирает простейшую антенну размером 30 метров – странного вида конструкцию из металлических трубок, установленных на колеса, которая может вращаться в произвольном направлении. Коллеги называли ее «каруселью Янского». Вот как она выглядела:

С помощью этой антенны Янский регистрирует всевозможные радиосигналы: молнии от проходящих гроз, шумы от радиоантенн и т. д.

Среди прочих он обнаруживает любопытный устойчивый сигнал – своего рода свист, регистрируемый при каждом повороте «карусели».

Направление антенны

Сестра Янского вспоминает, что отец, воспитывая их, любил повторять: «Исследуйте всё!» Янский потратил на исследование этого свиста больше года. Его интенсивность возрастает и уменьшается с периодом 24 часа, и поначалу Янский думал, что он исходит от Солнца, поскольку оно тоже проходит над антенной раз в 24 часа. Но дьявол, как всегда, в деталях: более точное исследование показало, что период изменения интенсивности свиста немного короче и составляет 23 часа 56 минут. То есть максимум сигнала понемногу сдвигается на все более раннее время, как если бы наблюдатель сверялся со слегка отстающими часами. Странно. Это не может быть Солнце…

Наконец, коллега-астроном замечает, что 23 часа 56 минут – это период вращения звезд вокруг нас. (Звезды на небе совершают один полный оборот чуть быстрее Солнца, потому что Земля и Солнце кружатся вокруг друг друга с периодом в один год.) Следовательно, таинственный радиосигнал может исходить только от звезд! Направление определить нетрудно: сигнал приходит оттуда, куда направлена антенна при максимуме интенсивности. Перелистав звездный атлас, астрономы понимают, что сигнал исходит из центра нашей Галактики…

Новость настолько сенсационная, что «Нью-Йорк Таймс» пишет о ней в статье «Новые радиоволны ведут к центру Млечного пути». 15 мая 1933 года американская радиостанция Эн-би-си с многомиллионной аудиторией в прямом эфире передает исходящий из космоса свист и интервью с Янским. «Добрый вечер, дамы и господа, сегодня вечером в прямом эфире вы услышите радиоимпульсы, пришедшие из-за пределов Солнечной системы, откуда-то со звезд». Янский объясняет, что сигнал исходит из центра нашей Галактики. Диктор добавляет, что для того, чтобы сигнал, излученный на расстоянии в тридцать тысяч световых лет, смог достичь нас, его мощность должна быть «огромной… в миллионы миллионов раз больше мощности любого радиопередатчика на Земле».

За пять дней до этого, 10 мая 1933 года, на площади Опернплац в Берлине нацисты устроили самое масштабное сожжение книг. Среди них были преданы огню тексты Владимира Маяковского («Мой стих дойдет до цели… и не как свет умерших звезд доходит») и книги Альберта Эйнштейна и об Эйнштейне. Спустя восемьдесят лет, благодаря заложенным в них идеям, мы знаем, что представляет собой таинственный свист, услышанный однажды миллионами американцев: это излучение раскаленного вещества, которое, падая на исполинскую черную дыру в центре нашей Галактики, в бешеном вихре кружится вокруг нее. Вокруг огромной черной дыры диаметром с земную орбиту и массой в четыре миллиона Солнц.