Большой взрыв и черные дыры

«Физики преуспели великолепно, но при этом показали ограниченность интуиции, лишенной помощи математики. Они обнаружили, что понимание Природы продвигается очень тяжело. За научный прогресс пришлось заплатить уничижительным признанием, что действительность построена так, что бы не быть легко охваченной человеческим восприятием».

Эдвард О. Уилсон «Совпадения. Единство познания».

Рис. 2 Большой Взрыв и расширяющаяся Вселенная (представление художника). Время на рисунке бежит вертикально. В Общей Теории Относительности В момент Большого Взрыва, разрывающего саму ткань пространственно-временного континуума, кривизна этого континуума бесконечна. На рисунке гладкая коническая поверхность соответствует расширяющемуся пространству-времени, а рваный край — разрыву пространственно-временного континуума в момент Большого Взрыва.

Появление Общей Теории Относительности возвестило эру современной космологии. В очень крупных масштабах Вселенная вокруг нас кажется однородной и изотропной. Подобное представление является самой великой реализацией коперниканского принципа: в нашей Вселенной нет ни выбранных точек, ни выбранного направления. В 1922 году, используя уравнения Эйнштейна, российский математик Александр Фридман показал, что такая Вселенная не может быть статичной. Она должна либо расширяться, либо коллапсировать. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная действительно расширяется. Этот факт, в свою очередь, подразумевает, что этот процесс должен иметь свое начало, в котором плотность гравитации и, соответственно, искривление пространства-времени должны быть бесконечно большими. Возникло понятие Большого Взрыва. Тщательные наблюдения, особенно за последние 20 лет, показали, что это событие, вероятно, имело место 14 миллиардов лет назад. С тех пор галактики движутся обособленно и среднее значение гравитации неизменно падает. Комбинируя наше знание Общей Теории Относительности с лабораторной физикой, мы можем сделать множество детальных предсказаний. Например, мы можем вычислить относительное количество легких элементов, ядра которых образовались за первые три минуты после взрыва (смотри, например, здесь). Мы можем предсказать существование и свойства первичного излучения (реликтовый микроволновый фон), которое испускалось, когда Вселенной было приблизительно 400 000 лет. И мы можем говорить, что первые галактики сформировались, когда Вселенной был миллиард лет. Удивительный диапазон времен и разнообразие явлений!

Кроме того, Общая Теория Относительности изменила философский подход к вопросу о Начале. До 1915 года на эту тему можно было спорить, когда Эммануил Кант утверждал, что Вселенная, возможно, и не имела конечного начала. Тогда можно было задать вопрос: Что там было прежде? Но этот вопрос неявно предполагает, что пространство и время существовали всегда, и Вселенная возникла вместе с материей. В Общей Теории Относительности такой вопрос задавать бессмысленно, поскольку пространство-время рождается вместе с материей в Большом Взрыве. Вопрос «А что там было прежде?» более ничего не значит. В точном смысле, Большой Взрыв это граница, где пространство-время заканчивается, где разрывается сам пространственно-временной континуум. Общая Теория Относительности в момент Большого Взрыва поставила естественную границу для физики, не позволяющую взглянуть дальше.

Говоря о черных дырах, Общая Теория Относительности открыла и иные непредвиденные обстоятельства. Первое решение уравнения Эйнштейна, описывающее черную дыру, уже в 1916 году было получено немецким астрофизиком Карлом Шварцшильдом, воевавшим в составе германской армии на фронтах Первой Мировой войны. Однако понимание физического смысла этого решения потребовало много времени. Наиболее естественным путем для формирования черных дыр является гибель звезд. Во время сияния звезды, сжигающей ядерное топливо, лучевое давление, направленное наружу, может уравновешивать гравитацию. Но после того как все топливо сожжено, единственной силой, которая может соперничать с гравитационным притяжением, является сила отталкивания, порождаемая квантовомеханическим принципом запрета Паули. Во время своей знаменитой поездки в Кембридж, двадцатилетний Субрахманьян Чандрасекар объединил принципы специальной теории относительности и квантовой механики, что бы показать, что если звезда достаточно массивна, гравитация в состоянии преодолеть силы отталкивания, порождаемые принципом запрета Паули. И в результате звезда завершает свою эволюцию в качестве черной дыры. В течение тридцатых годов он исправил и дополнил свои вычисления и предоставил неопровержимые аргументы в пользу подобного сценария звездного краха. Однако выдающийся британский астрофизик того времени, Артур Эддингтон не воспринял идею подобного сценария и заявил, что при «правильных» вычислениях специальная теория относительности просто не применима. Сегодня даже студент провалил бы экзамен, если бы попробовал приводить в своих рассуждениях подобную аргументацию. Ведущие специалисты по квантовой физике того времени Боровской и Дирак с готовностью согласились с результатами Чандрасекара, но сделали это в личных письмах, при этом, не подумав публично указать Эддингтону на его ошибки. Это было исправлено только в 1983 году при вручении Чандрасекару Нобелевской премии. В результате это недоразумение задержало на несколько десятилетий не только признание работы Чандрасекара, но и восприятие черных дыр, как реальных объектов.

Как ни странно, но даже сам Эйнштейн не воспринимал черных дыр. Уже в 1939 году он опубликовал статью в Анналах Математики, в которой утверждал, что черные дыры не могут быть сформированы коллапсом звезд. Он утверждал, что вычисления верные, но вывод является следствием нереалистического предположения. Только несколько месяцев спустя, американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер опубликовали свою работу, теперь являющуюся классической, неопровержимо доказывающую, что массивные звезды завершают свою эволюцию формированием черной дыры. Было показано, что черная дыра есть область, в которой искривление пространства-времени настолько сильно, что даже свет не в состоянии покинуть ее. Поэтому, согласно Общей Теории Относительности, внешним наблюдателям эти области кажутся черными как смоль. Если обратиться к аналогии двумерной резиновой поверхности, то окажется, что прогиб пространства-времени в черной дыре оказывается настолько большим, что оно фактически рвется, формируя сингулярность. Как и в случае Большого Взрыва, кривизна становится бесконечной. Пространство-время формирует горизонт событий, и физика на этом горизонте просто останавливается.

И все же, по всей видимости, черные дыры являются обычными объектами во Вселенной. Общая Теория Относительности, объединенная с нашим знанием процесса эволюции звезд, предсказывает, что во Вселенной должно быть огромное количество черных дыр с массами, порядка 10 — 50 солнечных масс, являющимися продуктами жизнедеятельности массивных звезд. Действительно, черные дыры видные игроки в современной астрономии и астрофизике. Они являются мощными источниками самых высокоэнергетичных феноменов во Вселенной, вроде знаменитого гамма-луча, испускаемого массивной черной дырой. Этот луч несет в себе энергию, которую испускают 1000 солнц за все время их жизни. Черная дыра возникает в результате взрыва сверхновой, завершающего жизненный путь массивной звезды. И такой взрыв фиксируется каждый день. Центры всех эллиптических галактик, по всей видимости, содержат сверхмассивные черные дыры с массами порядка миллионов солнечных масс. Наша собственная галактика, Млечный путь, имеет в центре черную дыру с массой 3,2 миллиона солнечных масс.