Знание-сила, 2005 № 04 (934)

Черные дыры: продолжение саги

вроде бы мы не оставляли бсГз внимания эту тему, что подтвердит обилие ссылок на публикации прошлых лет. Казалось бы, всякий раз старались тему исчерпать причем "с запасом", чуть опережая события, предполагая, что в ближайшее время может быть открыто или придумано учеными, занимающимися черными дырами.

Даже думали, что интерес к ней вскоре поугаснет — ну, не может она столько лет оставаться модной!

Оказывается, и наука производит, нет, не "долгоиграющие пластинки" — у тех все-таки можно дождаться конца, но многосерийные фильмы с открытым финалом, за которым неминуемо последует очередной опус. Время обновляет и сюжеты, и героев, однако среди действующих лиц мы находим своеобразных неувядающих "Форсайтов", патриархов темы, без которых не было бы и самой "чернодырчатой" саги.

Причину рождения очередных серий нескончаемой эпопеи, конечно же, можно усмотреть в отсутствии удовлетворительных объяснений накопленных астрофизикой и космологией фактов, в попытках посягнуть на незыблемые основы физических теорий, в появлении альтернативных сценариев эволюции мироздания.

Если судить по названиям школ молодых ученых, международных конференций, заседаний Президиума РАН последних месяцев, эта тема не сходит с повестки дня: "Горячие точки в астрофизике и космологии", "Черные дыры на Земле и в космосе","Поиски черных дыр: новейшие результаты".

Но дело не только а интенсивности обращений к постоянным вопросам научного сообщества.

Видимо, что-то магическое, завораживающее, заключающее в себе некую вселенскую тайну содержит в самом понятии "черная дыра", превративши ея из астрономического термина в некий обобщающий образ, притягивающий как "рацио" исследоваталей, так и "эмоцио" неискушенных читателей.

Вот почему сегодня мы продолжим "погружение" в тему, и скорее всего вновь не будет последним.

Александр Волков

Направляясь в черную дыру...

В научной фантастике встретишь и такое.

"Корабль "Энтерпрайз", безмолвно скользя, приближался к черной дыре — к этим звездным вратам, открывавшим путь в другую Вселенную..." Для ученых подобные фантазии звучали сущей бессмыслицей. Ведь любой корабль, ненароком подобравшийся к черной дыре, будет поглощен ею.

Будет буквально "измолот" — раздавлен и раздроблен — в этой гравитационной ловушке, или, как в свое время сказал Стивен Хоукинг, "переработан на спагетти".

Однако новейшие расчеты показывают, что, даже погрузившись в этот космический "Мальстрем", в эту бездонную пропасть, можно выжить, но произойдет это "при определенных условиях", отмечает российский астрофизик Игорь Новиков, работающий сейчас в Дании. Что же увидит человек, угодив в огромную черную пропасть, в эти "недра преисподней", из которых как будто нет выхода?

И вы видите, что я спасся, и знаете из моих слов, каким образом мне удалось спастись...

Эдгар Аллан По. Низвержение в Мальстрем

В последние годы наши представления о черных дырах заметно изменились. Еще недавно эти объекты считались экзотическими. Теперь астрономы уверены, что Вселенная изобилует черными дырами. По расчетам ученых, их не менее 400 миллионов (подробнее о черных дырах см. статьи А. Семенова в "ЗС", 1999, № 7-8 и Р. Нудельмана в "ЗС", 2003, Jvfc 5). Парадоксально, но факт: почти половина всего света во Вселенной порождена самыми мрачными космическими объектами — черными дырами. Они преобразуют вещество в энергию света эффективнее, чем любая звезда.

В какой-то мере черные дыры воплощают судьбу нашей Вселенной. Ведь предысторию Большого Взрыва можно представить себе и так. Допустим, во время оно существовала другая Вселенная, но она не расширялась, а сжималась. Ее галактики и звезды неуклонно двигались навстречу друг другу, словно посреди космоса разверзлась пучина, и все в нее скатывалось и проваливалось. Масса этой бездны все возрастала, и сильнее делалось ее притяжение. Произошел коллапс. В какой-то момент вся масса прежней Вселенной сосредоточилась в одной-единственной — особой, "син!улярной" точке. Весь мир сжался в этой точке до предела, и вдруг космическая "пружина" решительно распрямилась, будто мгновенно раздвинутая взрывом. Из той же самой "сингулярной" точки родилась наша Вселенная.

Однако механизм коллапса поразительно напоминает схему формирования черной дыры. Когда звезда "выгорает", ее руины под действием собственной тяжести сжимаются. На месте звезды образуется невероятно плотный объект — черная дыра. Даже свет не должен вырваться из ее недр. В то же время лишь на ее примере можно изучать процессы, которые предшествовали Большому Взрыву и привели к рождению новой Вселенной. Черная дыра — их живая модель, заменяющая космологам сложнейшие математические формулы, которыми они описывают Большой Взрыв.

Сложнее становится и представление о черных дырах. Астрономы научились различать в этих сгустках мрака несколько разновидностей:

* миниатюрные черные дыры диаметром несколько километров; они образуются при коллапсе звезды, и их масса незначительно превышает массу Солнца;

* черные дыры средних размеров; они образуются при слиянии миниатюрных черных дыр, и их масса в 10 — 100 тысяч раз превышает массу Солнца;

* сверхмассивные черные дыры; они в миллионы, а то и в миллиарды раз тяжелее Солнца; подобные пропасти разверзаются в центре галактик.

Любая черная дыра кажется настолько странным объектом, что даже воображение отказывает нам, когда мы пытаемся мысленно заглянуть в ее недра, ведь она ни на что не похожа — ни на звезды, ни на кометы, ни... Но ничего не поделаешь! "Если уж людям суждено наблюдать все происходящее в нашей Вселенной, — подчеркивает Игорь Новиков, — значит, мы обречены изучать космос, самые отдаленные его части". В том числе черные дыры.

Что ж, допустим, когда-нибудь космический корабль приблизится к центру нашей Галактики, где находится черная дыра именно той разновидности, в которую может проникнуть исследователь. Согласно теории Новикова, выжить можно лишь в недрах сверхмассивной черной дыры. Кроме того, должны быть соблюдены два следующих условия: черная дыра должна совершать вращательное движение и возраст ее должен быть достаточно велик.

Черная дыра напоминает динамо-машину. Вокруг нее создается мощнее магнитное поле. На рисунке показаны магнитные силовые линии.

Именно этим условиям отвечает черная дыра Sagittarius A (SgrA), расположенная в созвездии Стрельца, посреди Млечного Пути, в 26 тысячах световых лет от нас. Здесь на участке радиусом "всего" 10 миллионов километров сосредоточено 3,6 миллиона солнечных масс.

...Уже при приближении к черной дыре — я пока ничего не чувствую! — прибор замечает что-то необычное. Почему дрогнула стрелка? Очевидно, откуда-то доносятся звуки, недоступные моему слуху. Как выяснили исследователи НАСА, черные дыры излучают акустические волны, напоминающие монотонное жужжание. Правда, пока еще не удалось выяснить, как именно звучит SgrA.

Приборы же не оставляют времени на раздумье. Они 1удят и мигают. Надо немедленно поворачивать! "Полный назад!" Если маневр не удастся, то корабль исчезнет в черной дыре, как соринка, угодившая в пылесос. Этого я, пусть лишь мысленно, и хочу. Корабль повисает на поверхности огромной круглой воронки. Он сейчас соскользнет вниз.

Моряки, затянутые в водоворот, видят вокруг — доверимся другому мысленному путешественнику, Эдгару По, — обломки судов, громадные бревна, стволы деревьев, разломанные ящики, доски, бочонки. Я же вижу тысячи, десятки тысяч звезд, проваливающихся — сколько хватает взгляда — в эту пучину. Многие звезды, сталкиваясь друг с другом, как древние корабли, идущие на таран, крушатся, распадаются. Какие катастрофы! Звезды снежинками падают вниз. А космическая метель, кажется, все усиливается.

Неожиданно из мрачной воронки взлетают блики света, и над ее склоном растекаются яркие, искристые фонтаны. Лишь приглядевшись, я замечаю, что они пробиваются не из пучины, а из краев черной дыры, из этого бешено вращающегося диска, который окаймляет бездну, из так называемого аккреционного диска. Он представляет собой скопление газа и пыли, которые, скатываясь по "спирали смерти", падают в черную дыру. Приборы фиксируют скорость вращения диска: 18 миллионов километров в час. Все, что долетит до края воронки, начнет с такой скоростью скатываться вниз, по ее склону, описывая спираль. Чем глубже внутрь черной дыры проваливается добыча, захваченная ею, тем быстрее она вращается и сильнее разогревается.

"Мчась среди мириады фотонов, я начинаю видеть себя со стороны"

Сама же черная дыра напоминает громадную динамо-машину. Вокруг нее создается мощное магнитное поле. Когда напряжение становится слишком велико, эта "машина" сбрасывает пар — разряжается. Словно брызги из кипящего котла, из нее вырываются струи газа и пыли — джеты. Они уносятся вдаль почти со световой скоростью. Порой джеты простираются на миллион световых лет и пылают, как сотни миллиардов солнц.

Пролетая по краю аккреционного диска, можно осмотреться и даже загадать, какой из предметов, скользящих рядом, скорее умчится в пучину. После нескольких ошибок придет озарение — "смутное предчувствие надежды", сказал бы По. Все, что движется медленнее частиц света, рано или поздно нырнет в мрак и исчезнет. Лишь лучи света монотонно будут кружить по краю диска — как кружат по дорожке стадиона велосипедисты, — по одной и той же линии, никуда не смещаясь, балансируя в преддверии смерти. Это порождает необычный эффект.

Мчась среди мириадов фотонов, я начинаю видеть себя со стороны. Световые лучи, согнувшись в кольцо, вырисовывают впереди странную фигуру: она рассекает колорит ночи, приковывает взгляд. У нее те же пропорции, что у меня, тот же костюм космонавта, та же застылая поза, такой же массивный затылок. Что за странный вид у этого человека, что за совпадение?.. Господи, да где же я видел его раньше? Да это я сам, только вижу себя со спины. Перевожу взгляд, потираю глаза, пытаюсь прогнать наваждение, но опять и опять впереди движется та самая фигура.

Сколько может продолжаться кружение? Вот сейчас непременно корабль сделает роковой маневр и перемахнет через так называемый горизонт событий — наружный край черной дыры. Стоит пересечь эту воображаемую поверхность, которая имеет форму сферы или эллипсоида, и вернуться назад будет уже нельзя. За этой чертой нет ничего, кроме бездны. И сколько будет длиться падение в нее?

Это смотря куда падать! В иную черную дыру, прежде чем попадешь, тебя, как заметил Хоукинг, и впрямь искрошит, как спагетти. Все дело в "приливном эффекте", поясняет Игорь Новиков. "В окрестности сверхмассивной черной дыры, такой как Sagittarius А, он выражен гораздо слабее, чем вблизи небольших черных дыр".

Приливной эффект знаком нам и здесь, на Земле. Суть его в том, что сила притяжения объекта убывает по мере удаления от него. Даже наше тело, пока мы бодрствуем, испытывает приливной эффект: ноги человека сильнее притягиваются к Земле, чем его голова, потому что ноги ближе к ее поверхности. Впрочем, в двух метрах от Земли перепад силы притяжения крайне мал, мы не замечаем его. Зато этот эффект со страшной силой проявляется близ черной дыры.

Там пара метров — грандиозное расстояние. Тело человека, довелись ему соскользнуть в космическую бездну, было бы разорвано гравитацией на части. Ведь у небольших или средних черных дыр наблюдается поразительный приливной эффект. А вот когда масса черной дыры превысит несколько тысяч солнечных масс, космический корабль может беспрепятственно миновать горизонт событий. В такую черную дыру, как SgrA, можно попытаться и проникнуть. Сам момент погружения я даже не замечу. Вместо ужаса — какое-то оцепенение, затишье.

Лишь взгляд на звездное небо выдает, что я проник в иной мир. Небо сжалось, свернулось в кружок, поскольку сила гравитации заметно искривила пространство. Чем дальше я погружаюсь, тем меньше диаметр звездного неба. Оно буквально стягивается в овчинку.

Совсем иную картину будет наблюдать экипаж другого космического корабля, пребывающего в стороне от черной дыры и следящего за моим путешествием. Для этих космонавтов я внезапно прекратил двигаться. Мой корабль, как приклеенный, застыл на краю черной дыры, и эта картина сохраняется, как заставка на телеэкране, в тот момент, когда прямая трансляция по какой-то причине прервалась. А в это время я навсегда исчезаю в космической пучине, тону в ней. Лишь моя вечная тень, отпечатавшаяся на краю черной дыры, никуда не исчезает. Линия, где расположилась тень, маркирует для постороннего наблюдателя точку отсчета наступившей для меня Вечности. Здесь каждая секунда становится бесконечно велика. Время растягивается, не в силах перетечь от одного мгновения к другому.

Тело человека, доведись ему соскользнуть в черную дыру, было бы разорвано гравитацией на части

Все, что заключено в рамках этой нескончаемой секунды, замирает на месте, никуда не спешит.

Я же спешу. В недрах этого "водоворота", куда я нырнул, происходит решительная перемена. Начинается авентюра — приключение, о котором не могли и мечтать средневековые рыцари, искавшие в каждом странствии своего дракона. Я в пасти огромного космического "дракона". Но что же я вижу в этой Тьме без конца и без краю? Что напророчат мне формулы математики?

При погружении в черную дыру постепенно возрастает сила гравитации, а поскольку эта сила влияет на бег времени, оно течет все медленнее. Каждая секунда, как капля из опустевшего сосуда, неторопливо скатывается на мои часы, лишь изредка толкая стрелку. Зато время за пределами черной дыры помчалось, как лавина с горы. Каждые пять минут на Кожевнической, 19 выпускают новый номер "Знания — силы", каждый час празднуют Новый год. Когда же корабль окажется в самом сердце Тьмы, время словно взорвется. За доли секунды остынет Солнце, будто и не было пяти миллиардов лет. За то же мгновение небо покроется новыми галактиками, растратив вчистую еще миллиарды лет. Стрела времени, еще недавно уходившая в вечность, для меня сжалась в точку. В этой точке уместится все, чему суждено быть "до скончания веков". А потом?

По всем расчетам, для меня должна наступить сингулярность — то особое состояние, выхода из которого нет. Сингулярность в центре черной дыры — средоточие нашего неведения. Там должны нарушаться законы физики. Температура и плотность возрастают до бесконечности, а время и пространство стремятся к нулю. Время останавливается. Все это лишь результат математических выкладок. Никто не знает, что действительно происходит в центре черной дыры.

Впрочем, ведущие физики мира пытались бороться с сингулярностью. Еще в 1976 году Фримен Дайсон предположил, что информация из нашей Вселенной может перетекать в другую вселенную. Туннель, ведущий туда, разверзается посреди черной дыры. Идея эта показалась самому Дайсону настолько ненаучной, что он не стал публиковать ее. Но позднее к той же мысли пришли Стивен Хоукинг и американский космолог Ли Смолин (см. статью А. Грудинкина в "ЗС", 2000, №1).

Сейчас профессор Игорь Новиков (слева) возглавляет Центр теоретической астрофизики при копенгагенском университете

Вот и Игорь Новиков обратил внимание на то, что во вращающихся сверхмассивных черных дырах со временем образуется неприметная вроде бы трещинка — та лазейка, сквозь которую можно из безвременья вернуться в вяло текущую вечность. Эта трещинка — туннель, ведущий в так называемую белую дыру. В той черной дыре, что разрастается посреди Млечного Пути, тоже образовалась такая трещинка. Все, что попадает в Sagittarius А, с другой ее стороны вылетает... как вода из дырявого ведра. Но напрасно мы стали бы искать в окрестностях этой черной дыры куски просыпавшейся из нее материи. Мы ничего не обнаружим! Решительная перемена, которая ожидает космонавтов, заглянувших в черную дыру, — это трансформация времени. "Все, что попадает в черную дыру, оказывается в другой вселенной... еще до того, как будет поглощено черной дырой", — подчеркивает Игорь Новиков.

Произнести это легко. Вообразить — невозможно, как нельзя и вернуться назад. "Трещинка" — это туннель с односторонним движением. Из "белой дыры" не выбраться в нашу Вселенную. Если религиозно настроенные умы сравнивали уже черную дыру с адом, то "белую дыру", может быть, и стоило бы назвать раем, но только ни из ада, ни из рая, выстроенных по законам физики, никому не суждено возвратиться, чтобы поведать, что там райское, а что — адово.

Остается лишь принимать на веру гипотезы ученых. Так, профессор Новиков считает, что в другой Вселенной, произрастающей из нашей "родимой" черной дыры SgrA, действуют совершенно иные законы природы. "Может быть, там вообще нет времени, и там царит вечность". Вот только кому суждено об этом узнать? А Иоанн Богослов, как заметит внимательный читатель, еще 2 тысячи лет знал, "что времени уже не будет"...

Тридцать лет назад Стивен Хоукинг доказал, что в результате квантовомеханических процессов черные дыры когда-нибудь испарятся. Могут остаться лишь крохотные, но стабильные сгустки размером порядка 10"³* что соответствует известной константе — так называемой длине Планка. Возможно, подобные "сгустки" — реликты бывших черных дыр — образуют не известный науке тип элементарных частиц. Пока их существование не доказано, но ученые уже подобрали этим частицам имена: "информоны", "инфотоны" или "корнукопионы" (от английского слова cornucopia, "рог изобилия").

В начале 2004 года американская космическая обсерватория "Чандра", возможно, открыла новый класс космических рентгеновских источников. Их температура не превышает 4 миллионов градусов. Обычно же подобные объекты разогреты до 10 миллионов градусов и выше. В то же время температура "белых карликов", также являющихся источниками рентгеновского излучения, не превышает нескольких сотен тысяч градусов. Стоит отметить* что интенсивность излучения новых космических объектов выше, чем нейтронных звезд или черных дыр с массой, равной нескольким солнечным массам. Их масса в несколько сотен раз превышает солнечную.

В 2003 году впервые удалось хотя бы приблизительно "взвесить" черную дыру, расположенную в центре отдаленной звездной системы. Группа канадских исследователей во главе с Крисом Уиллотом изучила спектр квазара SDSS3 1148 + 5251. Они обратили особое внимание на спектральную линию, которая соответствует простому ионизованному магнию. По ее положению можно определить, как далеко этот космический объект находится. Ширина линии показывает скорость, с какой движется газ вблизи черной дыры, находящейся посредине квазара. Чем массивнее черная дыра, тем быстрее мчится газ. По оценке ученых, масса этой черной дыры почти в три миллиарда раз превышает массу Солнца.

Ученые долго не могли понять, почему черная дыра выбрасывает в космос потоки раскаленной материи — джеты. А вот недавно подобный эффект удалось наблюдать в лаборатории. Физики Скотт Сю и Пол Беллан из Калифорнийского технологического института воссоздали в лабораторных условиях водородную плазму — смесь ионизованных атомов вроде той, что бурлит на краю черной дыры. Потом они включили мощное магнитное поле, поскольку оно есть в окрестности черной дыры. Тут же плазма стала выбрасывать фонтанчики раскаленного вещества, почти как черная дыра в космосе.

Что ждет черную дыру, находящуюся посреди нашей Галактики? Через пять миллиардов лет Млечный Путь столкнется с туманностью Андромеды (см. "ЗС", 2000, № 11). Они сольются, словно две громадные клетки, образовав единое целое — некую яйцевидную галактику ("космическую зиготу", если продолжать играть образами). По расчетам астрономов, должны слиться и их черные дыры, эти незримые ядра галактик, причем масса дыры, находящейся в центре туманности Андромеды, раз в двадцать больше, чем нашей. Огромные количества газа, содержащиеся в обеих галактиках, устремятся в эту внезапно увеличившуюся черную дыру. Космический "зародыш" вновь начнет расти.

Александр Грудинкин

...можно очутиться в дыре белой

По ту сторону черных дыр, как полагают некоторые астрофизики, расположены объекты не менее загадочные: "белые дыры".

Если черные дыры без устали поглощают материю, белые дыры неустанно порождают ее. Одни пожирают целые миры, другие порождают новые миры. Воистину их симбиоз есть Начало и Конец, Альфа и Омега. Здесь могила Прошлого смыкается с колыбелью Будущего. Разумеется, это лишь гипотеза. Но почему бы не отправиться по следам одной опубликованной гипотезы?

Возможно, космос и впрямь — один гигантский организм? Живой организм с присущими всему живому процессами? Поглощение, порождение, поглощение, порождение... Если это так, то закономерности его бытия мы только начинаем постигать.

Вот уже несколько десятилетий внимание ученых и читателей привлекают "черные дыры". Сперва — предполагаемые объекты Вселенной, теперь — изучаемые. Для чего они, эти бездны, утягивающие в себя всю окружающую материю? Вселенная, словно страшный зверь, усеянный тысячами пастей, охотится за звездами, планетами, космической пылью. Как предполагают ученые, посредине каждой галактики ширится подобная пасть, хлопает клубами гибнущей материи.

Так было. Ученые сомневались, критиковали эту модель, но смирились, приняли ее как нечто неизбежное. В расцвете жизни космос объят смертью.

С недавних пор за этими мертвыми безднами что-то забрезжило. Стал пробиваться — по крайней мере, в некоторых гипотезах — таинственный, нездешний свет. Вдруг вспышка, выброс энергии, выброс материи. Рождение? Воскресение? Что? И разверзлись тут белые дыры...

Разумеется, эта идея так же гипотетична, как выглядела поначалу идея Карла Шварцшильда о существовании черных дыр. "Белые дыры" никто не наблюдал воочию — разве что... на экране монитора.

Астрофизики Калифорнийского университета, моделируя на суперкомпьютере процесс формирования Вселенной, с удивительной неизбежностью получали в своей модели не только реки "мертвой воды", впадающие в свои бездны — черные дыры, но и ключи "живой воды" — потоки материи и энергии, пробивающиеся из "белых дыр". Модель создавалась учеными исключительно на основании формул общей теории относительности. "По теории Эйнштейна, время может течь вспять" — поясняет космолог Блейк Темпл (подробнее об этом смотрите статью В. Барашенкова и М. Юрьева в "ЗС", 2005, № 1). Именно здесь и кроется залог существования "белых дыр". "Эти странные объекты вполне удовлетворяют законам природы. В сущности, белые дыры — это... те же черные дыры, время в которых течет вспять".

Если оба направления стрелы времени для Вселенной равнозначны, то тогда должно существовать столько же белых дыр, сколько и черных. Белые дыры, убежден Темпл, разбросаны по всему космосу. Некоторые физики сравнивают их с вулканами, извергающими материю, поглощенную черными дырами. В чем-то они напоминают зоны спрединга — зоны разрастания земной коры, откуда изливается базальтовая лава. Существование таких зон — важная часть новой глобальной тектоники, то есть теории движения литосферных плит.

Земная поверхность не бесконечна. Если в зонах спрединга плиты пополняются новым материалом, то где- то в другом месте материал должен убывать. В самом деле, существуют зоны, где две плиты сталкиваются и одна из них подминается под другую. Материал плиты вдавливается в раскаленную мантию Земли и плавится. Двигаясь вниз, он увлекает за собой часть океанического дна. Чем не черная дыра, расположенная посреди океана? Не правда ли, этот планетарный механизм, движущий континенты, напоминает ту самую астрономическую махину, как она представляется, например, Темплу?

Кстати, некоторые космологи полагают, что наша планета все еще... пребывает в утробе — в огромном "родовом канале" гигантской белой дыры. "Мы только рождаемся; нас крайне медленно выдавливает наружу, — полагает американский исследователь Джоэль Смоллер. — Только покинув белую дыру, мы наконец увидим ее со стороны".

Увидим абсолютно иной мир? Некоторые исследователи полагают даже, что по ту сторону "белых дыр" времени нет вообще, как нет и смерти. В любом случае вернуться оттуда в наш мир будет невозможно. У этого путешествия никогда не будет конца.

Впрочем, как показали расчеты, помимо гигантских белых дыр, чреватых новыми мирами, существуют и небольшие белые дыры, возникающие ненадолго. Они появляются на свет всякий раз, когда рождается "дочерняя Вселенная". Под этим термином космологи понимают некую замкнутую вселенную, "отпочковавшуюся" (см. "ЗС", 2000, № 1) от одного из регионов нашей Вселенной, но связанную с нашим пространством-временем. Связанную как? Теми самыми таинственными парами - черной и белой дырами. Наблюдая за звездным небом, мы можем отыскивать лишь черные дыры; их двойники недоступны нашему наблюдению, как недоступна земным звездочетам обратная сторона Луны.

Если Вселенную мы сравнили с живым организмом, то с не меньшим правом мы должны именовать так пару "черная дыра — белая дыра". Все, что в нашей Вселенной — вот мы уже в области черной дыры — распадается до атомов, до электронов, в дочерней Вселенной рождается, разрастается. Из кирпичиков мироздания по мановению физических законов возводится новый мир.

А нельзя ли проникнуть в него и выплыть по ту сторону? Мысль о существовании "гипервселенских мостов" будоражит умы ученых. Но не повиснет ли мост в пустоте, едва пустишься по нему в путь?

По расчетам, многие белые дыры, связывающие нашу Вселенную с дочерними, возникают очень ненадолго. Это — яркие, но эфемерные вспышки, что освещают изнанку черной дыры и туг же гаснут. Прибегая к утилитарному сравнению: спичка — черная дыра у вас в руках. Огонь, разгоревшийся на миг на конце спички, — белая дыра. Огонь угас; накопленная энергия расточилась. В цифири же это выглядит так: если белая дыра в 10 раз больше нашего Солнца, то она "прогорит" всего за тысячную долю секунды. Даже если белая дыра разрослась в миллионы солнц, ей сиять не больше минуты.

Итак, чтобы проскочить по этому "мосту", надо вовремя возле него оказаться, иначе он растает, не оставив и следа. Или, перефразируя Мао Цзэдуна (в большом космическом путешествии все кормчие хороши?), черную кошку можно поймать в темной комнате, пока горит спичка. Вот только сегодня никто и не возьмется сказать, где эта спичка вспыхнет.

Так что пока пути нет, остается... строить корабли. Ученые уже рассуждают о том, как могут выглядеть аппараты, увозящие в несусветную космическую даль. Они будут разительно отличаться от нынешних. Их размеры будут гигантскими, ведь на борту корабля людям придется жить сотни лет. Стартовать такие корабли будут с Марса, где сила притяжения значительно ниже.

По мнению американского антрополога Джона Мура, подобный корабль увезет в космос 150—180 человек, все семейные пары, пока не имеющие детей. Настоящий городок в открытом космосе. За время полета в городке сменится 6 — 8 поколений людей. "В каждом поколении, — рассуждает Мур, — любой астронавт имеет возможность выбрать себе одного из примерно десятка потенциальных партнеров". Их дети будут расти в самой естественной природной среде — на борту корабля; другой среды они не знают. Благодаря семейной поддержке людям будет легче выносить тяготы бесконечного путешествия.

Когда-то в такие путешествия пускались полинезийцы. Просторы Тихого океана бросали им вызов. Нигде в океане, кроме островов, этих "планет водного мира", они не могли остановиться, осесть. Они открывали все новые острова и продолжали кочевать. Так кочевали прежде и в Великой степи, пока некоторые народы, населявшие ее, не сумели заставить ее плодоносить, — не открыли сельское хозяйство. Может быть, и космос со временем окажется не мрачной пустыней, а источником все новых богатств.

Конечно, подобный корабль — лишь малая веха на пути в космос. Но даже "малый шаг человека" (Н. Армстронг) станет "великим шагом". Возможно, когда-нибудь на нашем пути нам и впрямь встретится "белая дыра" — предвестие новой части света, лежащей далеко за пределами света.

Александр Зайцев

Хоукинг contra Хоукинг

Черные дыры непрерывно поглощают материю: газ, пыль, целые звезды. В семидесятые годы британский физик Стивен Хоукинг заявил, что вся информация, попадающая в недра черной дыры, теряется безвозвратно. В 2004 году он отказался от этой идеи.

Как же выглядят теперь черные дыры в представлении Хоукинга? Многие физики по-прежнему сомневаются в доказательствах, приведенных британским ученым.

Мы говорим "стрела времени", "ось времени", а две тысячи лет назад могли бы сказать "свиток времени". И сразу иной образ. Так и видишь огромный свиток, что медленно разворачивается, и с каждым его оборотом открывается новый рисунок. Это рождается история.

А вот верхний край свитка не виден. Как ни вглядывайся, все его скрывает какая-то пелена. И тут приходит на помощь образное мышление наших современников. Начальная точка оси времени "выколота", она — за пределами нашей истории. В этой особой — сингулярной — точке не соблюдаются основные физические законы.

И пространство — тот же свиток, что медленно разворачивается перед нами, чем дальше мы заглядываем в космос. Но что это? Свиток вселенской дали явно "потрачен молью". Мы замечаем на нем все новые выколотые точки. Посредине каждой галактики зияет пробел — странный провал в пространстве, будто какой-то безумец методично расстреливал свиток из пистолета. Пробелы эти назвали "черными дырами". В них понемногу падает, исчезает вся окружающая материя. Она вылетает куда-то за пределы нашего пространства? Ее уже невозможно вернуть?

Тридцать лет назад Стивен Хоукинг сказал: "Да".

Стивен Хоукинг

"Если бы аргументы Хоукинга были верны, мы оказались бы перед ужасной необходимостью заново строить теоретические основы физики, — подчеркивает видный американский космолог Джон Прескилл. — С помощью традиционных физических законов невозможно было бы достоверно описать Природу".

Пару веков назад вот так затрещал, раскололся фундамент классической математики, возводимый от Евклида до новых времен. И первые трещины пролегли — кто бы мог подумать? — в стенах скромного Казанского университета, где молодой ректор (всего-то 36 лет!) Николай Лобачевский опубликовал статью "О началах геометрии". Сто лет назад тяжелый кризис пережила классическая физика. Новой опорой науки стала теория относительности. Ее основные положения сформулировал молодой немецкий ученый (всего-то 26 лет!) Альберт Эйнштейн, опубликовавший в 1905 году работу "К электродинамике движущихся тел".

И вот в 1975 году новый кризис. Его виновником стал молодой (всего- то 33 года!) физик из Кембриджа Стивен Хоукинг (см. о нем "ЗС", 2003, № 2). По вине его аргументов фактически утрачивали свою силу закон сохранения энергии, квантовая теория и некоторые другие основные положения физики. Многие ученые отказывались принимать выводы Хоукинга. Не случайно в последние годы так велик интерес к квантовой гравитации. Полагают, что она поможет опровергнуть эти выводы.

Научные споры побудили трех ведущих космологов мира — Джона Прескилла, с одной стороны, и Стивена Хоукинга и Кипа Торна — с другой, заключить особое пари. Спорили о судьбе информации, угодившей в черную дыру.

И тут череда многоточий — так много кругом неведомого, неясного, что не выразить ни формулой, ни тезой, лишь обозначить (временно, конечно!) россыпью точек, — сменяется четким пунктиром фактов. Словно в диком поле кто-то проложил дорогу. Попробуем совершить по ней прогулку. Вот основные ориентиры нашего пути.

6 февраля 1997 года — день заключения пари. На|рада победителю: какая-нибудь энциклопедия. Что за пятно красуется рядом с росчерками Прескилла и Торна? Отпечаток пальца Хоукинга — его оригинальная подпись.

Новая дата: 21 июля 2004 года. Подпись на обороте фотографии, где три пожилых человека смотрят на какой-то фолиант: Дублин, семнадцатая международная конференция по общей теории относительности и гравитации. Звуковая дорожка: "Теперь я готов признать себя проигравшим пари, пусть даже Кип Торн продолжает упорствовать". Этот механический, компьютерный голос нельзя не узнать. Ему вторят голоса десятков журналистов, съехавшихся в Дублин: "Хоукинг признал себя побежденным". Через полчаса, когда доклад отзвучит, картина будет ясна. Останется лишь, наведя лупу на снимок, прочитать красно-белую надпись на книге: "Total Baseball", "Весь бейсбол в одном томе". На следующий день газеты сообщат, что том весит семь килограммов.

Линия пунктира резко обрывается. На сцене стоит герой дня, Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института, и к удивлению журналистов, уже осмысливших сказанное, говорит: "Я хочу честно признаться: я не понял доклада. Но мне это и не нужно. Ведь уговор был таков: победитель получает энциклопедию, когда другая сторона признает свое поражение. Понимать при этом не обязательно".

Многоточие. Большинство ученых, присутствовавших на слушании, внесли свою лепту, поставили несколько точек в знак того, что эта вязь из формул теории струны и квантовой физики не во всем понятна и им. Попробуем и мы покинуть дорожку и перенесемся туда, где точки разрослись, как чертополох.

Черную дыру окружает газопылевой диск

Еще в шестидесятые годы ряд физиков пришли к выводу, что почти вся информация о теле, угодившем в черную дыру, теряется. Могут уцелеть лишь сведения о его массе, моменте количества движения и электрическом заряде.

"Эта потеря информации отнюдь не представляла собой проблему для классической физики, — вспоминает Стивен Хоукинг. — Согласно классическим представлениям, черная дыра живет вечно, и можно предполагать, что информация сохранится в ее недрах, хотя и останется не очень-то доступной. Ситуация изменилась, когда я открыл, что черная дыра вследствие квантовых эффектов испускает излучение. Делая допустимое приближение, можно предположить, что это излучение является полностью тепловым, а значит, не может нести в себе никакой информации. Что же случится с информацией, которая заключена в недрах черной дыры, когда та испарится и перестанет существовать? Похоже, единственный способ, позволяющий вновь выудить информацию, так это предположить, что излучение не является строго тепловым; иными словами, существует некая хитроумная корреляция".

Если же информация безвозвратно уничтожается внутри черной дыры, этого "великого уравнителя", тогда нарушается так называемая унитарность квантовой теории и всякие корреляции невозможны. Иными словами: не всякое конечное физическое состояние объекта однозначно соотносится с начальным состоянием. Судьба любого объекта, старательно сшиваемая пунктиром фактов, разрывается, подменяется несусветным множеством точек. Или, говоря уж совсем простецким наречием: если сегодня вечером вы, журналист А* 3*, занесенный судьбой черт знает в какую чернейшую дыру, сидите и пишете статью о Стивене Хоукинге, то вполне может быть, что десять лет назад вы Хоукингом и были, а в вашем обличье жил какой-то другой человек. Так что развязная болтовня Хлестакова о книгах, которые он написал, не пустая похвальба лжеца, а... ниспосланное ему понимание "истин физики в последней инстанции".

Как бы то ни было, квантовая теория оказывалась негодной. Мир — в новейших прозрениях физиков — превращался в коварный хаос, где произойти могло что угодно, вопреки всяким правилам. Мир становился непознаваем. Или, перефразируя цитату, навеки сросшуюся с именем Эйнштейна: "Бог не только играет в кости, но еще и бросает их так, что не разглядишь выпавших чисел". Все растворяется в тумане. Все подменяется многоточиями. "Не разглядишь!" Ироничная острота Хоукинга звучит как высший закон мироздания.

Так выглядела бы Земля, превратившись в черную дыру. Ее диаметр составил бы 1,8 сантиметра

Часть световых лучей огибает черную дыру, часть поглощается ей

В Дублине звучали другие слова. Хоукинг стремился доказать обратное. В его мысленном эксперименте фотоны, излучаемые черной дырой, улетали в бесконечность — туда, гае на их поведении никак не скажутся флуктуации пространства-времени, создаваемые черной дырой. Ведь описать их можно лишь весьма приблизительно, с помощью разрабатываемой сейчас теории квантовой гравитации. Бесконечность же, в рассуждениях Хоукинга принимавшая все, что вырвалось из недр черной дыры, тем и хороша, что в ней можно было не учитывать влияние самой черной дыры. Там классическая теория сохраняла свои права. "Это позволяет нам сделать вывод, что сохраняется и информация, попавшая в недра черной дыры; она оказывается на бесконечно далеком расстоянии от черной дыры". С такой же убедительностью можно сказать, что и человек — сгусток информации, исчезающий в черной дыре смерти, — сохраняется на бесконечно далеком расстоянии от нее, от себя прежнего.

Черные дыры поглощают звезды, галактический газ, клубы пыли

В принципе, после "математической гимнастики", проделанной Хоукингом в Дублине, прав оказался каждый из участников спора. "Информация исчезает в топологически нетривиальном пространстве-времени, — сказал Хоукинг в своем заключительном слове, — но, с другой стороны, она сохраняется в топологически гривиальном пространстве-времени. Странности и смятение возникали, когда принимались мыслить классически, сводя все к одной-единственной топологии мироздания: либо к четырехмерному пространству-времени, либо к черной дыре. Однако идеи Фейнмана (расчеты, проделанные Хоукингом, во многом основаны на "методе интегральных троп" Ричарда Фейнмана; подробнее смотрите статью "Новое откровение Хоукинга". — А.З.) допускают, что одновременно имеет место то и другое. Сказать же, какой именно топологией наблюдатель должен пользоваться в тот или иной момент времени, так же проблематично, как и в квантовой физике сказать, через какую именно из двух щелей электрон проникает во время проводимого эксперимента. Единственное, что может констатировать наблюдатель, находящийся в бесконечности, так это то, что информация не исчезает".

Итак, к концу доклада Хоукинга расшатанные было основы физики вновь укрепились, зато разительно переменилось все мироздание. Прежде оно было усеяно особыми "выколотыми" точками, где безвозвратно скрывалась материя. Кто-то называл их ловушками, которые будут хранить добытое ими вечно; кто-то (сам Хоукинг в том числе) — "вратами в иной мир", в мир иных Вселенных; кто-то (например, Прескилл) считал черные дыры "великими шифровальщицами": да, их излучение несет информацию, но мы не можем ее расшифровать. Теперь эти провалы в пространстве затянуло водянистой рябью. Туда все так же исправно ссыпались газ, пыль, целые звезды, чтобы — подобно обломку, затянутому в водоворот,— вынырнуть несусветно далеко от этой пучины. Вынырнуть, оставшись все в той же Реке пространства, в той же Реке времени.

"Дочерняя Вселенная при этом не отпочковывается, вопреки тому, что я думал раньше. Информация неизменно остается в нашей Вселенной, — вот еще один часто цитируемый фрагмент дублинской речи. — Мне жаль разочаровывать любителей научной фантастики, но если информация сохраняется, значит, нет никакой возможности совершать при помощи черных дыр путешествие в другие Вселенные. Все, что попадет внутрь черной дыры, разумеется, исказится, но возвратит свою массу и энергию в нашу Вселенную; будет сохраняться пусть в неузнаваемом виде и информация о том, что произошло".

— В чем значимость открытия? — спрашивает Хоукинга корреспондент.

— Результат показывает, что во Вселенной все подчиняется законам физики.

Пунктир выводов превращается в жирную прямую линию, перечеркивающую многие прежние выводы Хоукинга и его коллег. Линия, продолженная в зал, где сидят 800 известных физиков (никого из российских ученых, кстати, нет), вдруг обрывается, распадается на множество точек. Слова Хоукинга безвозвратно исчезают, будто свалившись в классическую черную дыру.

"Он все опроверг. Но я думаю, что это ошибка", — говорит Роджер Пенроуз из Оксфордского университета, давний соратник Хоукинга. Именно он в конце 1960-х годов убедительно показал, что Большой Взрыв был сингулярным событием.

"Хоукинг полностью пересмотрел свои прежние воззрения, — отмечает Роберт Уолд из Чикагского университета, один из ведущих знатоков общей теории относительности. — Теперь он полагает, что можно проследить происхождение всего того, что побывало в черной дыре и было излучено ей (можно восстановить сгоревший том "Мертвых душ", к такому сравнению прибегали российские журналисты. — А.З.). Он порывает с тем, что мы все еще считаем истинным".

"Для меня это звучит неубедительно" — отмечает Джон Фридман из Висконсинского университета. "Лично мне кажется более убедительной гипотеза Прескилла" — полагает российский космолог, академик Валерий Рубаков.

И наконец, слово еще одному участнику "большого пари", Кипу Торну: "Хоукинг, наверное, прав. Похоже, он нашел подходящий аргумент. Но мне хотелось бы ознакомиться с его идеей подробнее".

А это значит, что к теме "черных дыр" мы непременно будем возвращаться в ближайшие годы. Именно в образе черной дыры — чего-то бесформенного, невидимого — завелась трещина в основах классической физики. Она разрастается, она непрерывно поглощает материю физической науки: квантовую теорию, закон сохранения энергии...

Удастся ли залатать ее заверениями Хоукинга? Подкрепят ли пошатнувшийся фундамент семь килограммов "Total Baseball"?

Александр Голяндин

Новое откровение великого астрофизика

В комментариях к выступлению Хоукинга журналисты обычно избегали разговора о математических методах, использованных британским ученым. В самом деле, методы эти необычайно сложны и находятся, к слову, за пределами высшей математики, изучаемой в институтах.

Приступая к расчету, Хоукинг для начала заменял временную переменную t произведением it, где мнимое число i представляет собой корень из "минус единицы". После выполнения расчета он заменял it на новую временную переменную Т. Подобные манипуляции позволили в конце концов превратить четырехмерное пространство-время в четырехмерное пространство, в котором искомые физические величины можно было найти в виде интегральной суммы, причем в идеале должны были суммироваться интегралы, взятые по всем возможным разновидностям четырехмерных геометрий и топологий.

Понять методику Хоукинга поможет аналогичный пример, который в свое время предложил Ричард Фейнман. Известно, что в квантовой физике частица не может так просто, по кратчайшему пути, попасть из пункта А в пункт В. Наоборот, существует бесконечное число троп, связывающих эти два пункта. По ним и готова передвигаться эта частица. У нее, как у людей: вы ведь тоже, отправляясь из дома на работу, редко когда след в след движетесь тем же путем. Вероятность одного маршрута выше, другого ниже, третьего — например, из Бирюлева в Чертаново с заездом в Зеленоград — и вовсе близка к нулю. Вот и вероятность того, что частица выберет тот или иной маршрут, весьма разнится. В большинстве случаев шансы очень низки. Кратчайший путь — все-таки самый вероятный, хотя возможны отклонения от него. Суммируя или интегрируя все пути, то бишь все возможности, открывающиеся перед частицей, можно вычислить ее путь в пространстве. Вот так и Хоукинг свел судьбу черной дыры к вероятностному поведению покидающих ее частиц, причем ему пришлось прибегнуть к интегрированию в четырехмерном пространстве.

Проблема заключается в том, что соответствующий математический аппарат не вполне разработан. Для интегрирования доступны не все разновидности четырехмерной геометрии, а преимущественно те, что лежат в окрестности решений классических уравнений общей теории относительности. Остается лишь уповать на то, что отброшенные — за невозможностью их вычислить — слагаемые не искажают окончательного ответа. Если вы не согласны с этим, замечает сторонник "нового Хоукинга" Джон Базе из Калифорнийского университета, "чего же проще? Займитесь математикой!"

Действительно, Хоукинг оставил широкое поле деятельности для любителей "запредельно высшей математики". Он рассмотрел лишь две разновидности классических решений: с вечно существующей черной дырой и без нее. Результат оказался одинаков, была ли черная дыра или нет. Информация сохранялась.

Однако при малых энергиях, например, подобный метод интегрирования дает бессмысленные результаты (обладает "инфракрасной расходимостью", говорят физики). Чтобы обойти эту проблему, Хоукинг ввел в расчет отрицательную космологическую константу. "Тут не одна лишь техническая проблема, — отмечает Жак Дистлер из Техасского университета. — Дальнейшая ар1ументация без этого не имеет никакого смысла".

Слоено брызги из кипящего котла, из черной дыры вырываются струи газы и пыли - джеты

Другой важный момент: в основе расчетов Хоукинга лежит модная, но весьма спорная идея, связанная с "теорией струны" (о "теории струны" смотрите "ЗС", 2003, № 4). Пожалуй, это самый трудный для восприятия аспект работы британского ученого. Здесь он всецело опирается на выводы аргентинского физика Хуана Мальдасены, работающего ныне в Принстоне. В 1997 году тот обнаружил, что если "теория струны" справедлива, то пятимерные теории супергравитации в определенной космологической модели должны быть связаны с неким классом четырехмерных конформных теорий квантового поля. С математической точки зрения, обе теории эквивалентны.

По словам экспертов, это открытие имеет необычайно важное значение, поскольку впервые удалось найти соответствие двух на первый взгляд совершенно разнородных теорий. Самое же примечательное, что это соответствие поможет в определенной степени связать квантовую теорию и общую теорию относительности, то есть соединит Микромир и Макромир. Недаром статья Мальдасены в 1998 — 2004 годах цитировалась более трех тысяч раз.

Внутри газопылевого облака - черная дыра

Впрочем, как отмечал немецкий физик Урс Шрайбер, комментируя выводы Хоукинга на страницах журнала "Bild der Wissenschafb, это соответствие — "всего лишь самый простой частный случай общего соответствия теории струны и теории квантового поля".

Воображению же с трудом поддаются некоторые выводы из статьи Мальдасены. Наша четырехмерная Вселенная, очевидно, лежит на краю пятимерного пространства, подобно тому как двумерная карта России умещается на поверхности трехмерного глобуса. В таком случае наша окружающая жизнь представляет собой лишь голограмму, порожденную этим пятимерным пространством. Мы — только тени высших миров? Подобную экзотическую теорию уже давно отстаивают лауреат Нобелевской премии по физике Герард’т Хуфт из Утрехтского университета и Леонард Зусскинд из Стэнфордского университета (см. также статью "Миры Стивена Хоукинга" в "ЗС", 2003, № 2). Эта теория могла бы объяснить, куда исчезает информация, когда материя скрывается в недрах черной дыры.

А вот новое решение, предложенное Хоукингом, по мнению экспертов того же немецкого журнала, страдает рядом существенных недостатков.

* В своих расчетах Хоукинг использовал спорные математические приемы (выборочное интегрирование в четырехмерном пространстве).

* Хоукинг произвольно упростил расчеты, словно стремясь подогнать математические выкладки под интересующий его результат. Непонятны методы, к которым он прибегал, проводя упрощения.

* Хоукинг без каких-либо на то оснований ввел отрицательную космологическую константу, хотя в нашей Вселенной эта постоянная имеет положительное значение.

* Наконец, перенося информацию на бесконечно далекое расстояние от черной дыры и таким образом сохраняя ее, Хоукинг ничего не сказал о том, что произойдет с ней дальше.

"Если этот результат действительно заслуживает такого пристального внимания, — говорит Шрайбер, — то, собственно говоря, следовало бы заняться статьей Хуана Мальдасены. Но вместо того чтобы брать интервью у него, фотографируют, как Хоукинг вручает энциклопедию по бейсболу Персона Хоукинга и само пари оказались д ля средств массовой информации куда интереснее, чем суть вопроса".

Александр Савинов