Черные дыры и Вселенная

Новиков И. Д.

Н73 Черные дыры и Вселенная. ? М.: Мол. гвардия, 1985. ? 190 с., ил.? (Эврика).

50 к. 100000 экз.

В книге говорится о совершенно необычных небесных телах открытых учеными в последние десятилетия, о черных дырах, о рождении галактик и туманностей, об отдельных особенностях развивающейся Вселенной.

В этой книге рассказывается об открытиях в астрофизике последнего времени ? о черных дырах, о начале расширения Вселенной и о том, что ее ждет в будущем.

Каждый читатель, конечно, слышал или читал о черных дырах. О них часто говорят в передачах по телевидению, по радио, пишут в газетах, в журналах и книгах разного жанра ? от научных монографий до художественной и даже детской литературы. Откуда такая популярность?

Дело в том, что черные дыры ? объекты совершенно фантастические по своим свойствам. ?Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов и химер до водородной бомбы, наверное, самое фантастическое ? это образ черный дыры, отделенной от остального пространства определенной границей, которую ничто не может пересечь; дыры, обладающей настолько сильным гравитационным полем, что даже свет задерживается его мерт-,вой хваткой; дыры, искривляющей пространство и тормозящей время. Подобно единорогам и химерам, черная дыра кажется более уместной в фантастических романах или в мифах древности, чем в реальной Вселенной. И тем не менее законы современной физики фактически требуют, чтобы черные дыры существовали. Возможно, только наша Галактика содержит миллионы их? ? так сказал о черных дырах американский физик К. Торн.

К этому следует добавить, что внутри черной дыры удивительным образом меняются свойства пространства и времени, закручивающихся в своеобразную воронку, а в глубине находится граница, за которой время и пространство распадаются на кванты... Внутри черной дыры, за краем этой своеобразной гравитационной бездны, откуда нет выхода, текут удивительные физические процессы, проявляются новые законы природы.

Черные дыры являются самыми грандиозными источниками энергии во Вселенной. Мы, вероятно, наблюдаем их в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик.

Они возникают также после смерти больших звезд. Возможно, черные дыры в будущем станут источниками энергии для человечества.

Замечательные открытия были сделаны астрофизиками при изучении ?Большого взрыва? ? так называют наблюдаемое расширение всей Вселенной. Когда и почему началось расширение Вселенной? Что происходило сразу после начала расширения? Как и почему во Вселенной появилось вещество? Почему образовались галактики? Бесконечна ли Вселенная? Что ждет Вселенную в далеком будущем? ? об этом говорится в предлагаемой книге.

Возникает вопрос: почему мы рассказываем о черных дырах и о Вселенной в целом в одной книжке? Что у них общего, что их объединяет? Ответ можно сформулировать очень кратко ? с точки зрения физики, общим является сверхсильное поле тяготения. И черные дыры, и Вселенная в целом в современной науке исследуются релятивистской астрофизикой ? ветвью астрофизики, занимающейся изучением процессов, где гравитационные поля столь сильны, что разгоняют движущиеся в них тела до скоростей, близких к скорости света, то есть до максимально возможных в природе скоростей. Ни в каких других объектах поля тяготения не достигают таких больших величин. Но есть и другая общая черта, свойственная и черным дырам, и Вселенной, ? это их таинственность, загадочность, необычность? Свойства их кардинально отличаются не только от свойств предметов, окружающих нас в обыденной жизни, но и от свойств многих физических объектов и небесных тел, которые часто тоже далеко не тривиальны.

Чем таинственней загадка, чем глубже проблема, тем больший интерес она вызывает и у специалистов, и у всех интересующихся наукой. А. Эйнштейн, создатель общей теории относительности, писал: ?Самое прекрасное и глубокое переживание, выпадающее на долю человека, ? это ощущение таинственности?. А у черных дыр и у Вселенной вряд ли найдутся конкуренты по части их загадочности.

Наконец, есть еще одно немаловажное обстоятельство, побуждающее нас рассказывать об этих проблемах вместе. Известно, что Вселенная расширяется. В далеком прошлом плотность материи во Вселенной была колоссальной. Невообразимо огромны были энергии частиц,

силы их взаимодействия. В таких условиях проявлялись совершенно новые законы природы, кардинально менялись свойства даже пространства и времени. Такое состояние получило название сингулярного состояния. Как уже сказано, оно было во Вселенной в прошлом. С другой стороны, внутри черной дыры также неизбежно возникает сингулярное состояние. Поэтому иногда черную дыру называют лабораторией, в которой в миниатюре моделируется прошлое нашей Вселенной. Неудивительно, что проблемами эволюции Вселенной и черных дыр часто занимаются одни и те же ученые (в частности, и автор этих строк).

Еще на рубеже XIII?XIV веков люди говорили:

?Не давай два объяснения, если достаточно одного?; мы посчитали необходимым привести несколько аргументов, заставивших нас объединить в одной книжке рассказ о проблемах, казалось бы, столь разных.

Черная дыра является порождением тяготения. Поэтому предысторию открытия черных дыр можно начать со времен И. Ньютона, открывшего закон всемирного тяготения ? закон, управляющий силой, действию которой подвержено абсолютно все. Ни во времена И. Ньютона, ни сегодня, спустя века, не обнаружена иная столь универсальная сила. Все другие виды физического взаимодействия связаны с конкретными свойствами материи. Например, электрическое поле действует только на заряженные тела, а тела нейтральные совершенно к нему безразличны. И только тяготение абсолютно царствует в природе. Поле тяготения действует на все: на легкие частицы и тяжелые (причем при одинаковых начальных условиях совершенно одинаково), даже на свет. То, что свет притягивается массивными телами, предполагал еще И. Ньютон С этого факта, с понимания того, что свет также подчинен силам тяготения, и начинается предыс-юрия черных дыр, история предсказаний пх поразительных свойств.

Одним из первых это сделал знаменитый французский математик и астроном П. Лаплас

Имя П. Лапласа хорошо известно в истории науки. Прежде всего он является автором огромного пятитомного труда ?Трактат о небесной механике?. В этой работе, публиковавшейся с 1798 по 1825 год, им была представлена классическая теория движения тел Солнечной системы, основанная только на законе всемирного тяготения Ньютона. До этой работы некоторые наблюдаемые особенности движения планет, Луны, других тел Солнечной системы не были полностью объяснены. Казалось даже, что они противоречат закону Ньютона. П. Лаплас тонким математическим анализом показал, что все эти особенности объясняются взаимным притяжением небесных тел, влиянием тяготения планет друг на друга. Только одна сила царит в небесах, провозглашал он, ? это сила тяготения. ?Астрономия, рассматриваемая с наиболее общей точки зрения, есть великая проблема механики?, ? писал П. Лаплас в предисловии к своему ?Трактату?. Кстати, сам термин ?небесная механика?, так прочно вошедший в науку, был впервые употреблен им.

П. Лаплас был также одним из первых, кто понял необходимость исторического подхода к объяснению свойств систем небесных тел. Он вслед за И. Кантом предложил гипотезу происхождения Солнечной системы из первоначально разреженной материи.

Главная идея гипотезы Лапласа о конденсации Солнца и планет из газовой туманности и до сих пор служит основой современных теорий происхождения Солнечной системы...

Обо всем этом много писалось в литературе и в учебниках точно так же, как и о гордых словах П. Лапласа, который в ответ на вопрос Наполеона: почему в его ?Небесной механике? не упоминается бог? ? сказал: ?Я не нуждаюсь в этой гипотезе?.

А вот о чем до последнего времени было мало известно, ? это о предсказании им возможности существования невидимых звезд.

Предсказание было сделано в его книге ?Изложение систем мира?, вышедшей в 1795 году. В этой книге, которую мы бы сегодня назвали популярной, знаменитый математик ни разу не прибегнул к формулам и чертежам. Глубокое убеждение П. Лапласа в том, что тяготение действует на свет точно так же, как и на другие тела, позволило ему написать следующие знаменательные слова:

?Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми?.

В книге не приводилось доказательств этого утверждения. Оно было опубликовано им несколько лет спустя.

Как рассуждал П. Лаплас? Он рассчитал, пользуясь теорией тяготения Ньютона, величину, которую мы теперь называем второй космической скоростью, на поверхности звезды. Это та скорость, которую надо придать любому телу, чтобы оно, поборов тяготение, навсегда улетело от звезды или планеты в космическое пространство. Если начальная скорость тела меньше второй космической, то силы тяготения затормозят и остановят движение тела и заставят его снова падать к тяготеющему центру. В наше время космических полетов каждый знает, что вторая космическая скорость на поверхности Земли равна 11 километрам в секунду. Вторая космическая скорость на поверхности небесного тела тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус этого тела. Эю понятно: ведь с ростом массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает.

На поверхности Луны вторая космическая скорость равна 2,4 километра в секунду, на поверхности Юпитера 61, на Солнце ? 620, а на поверхности так называемых нейтронных звезд, которые по массе примерно такие же, как Солнце, но имеют радиус всего в десять километров, эта скорость достигает половины скорости света ? 150 тысяч километров в секунду.

Представим себе, рассуждал П. Лаплас, что мы возьмем небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость уже превышает скорость света. Тогда свет от такой звезды не сможет улететь в космос из-за действия тяготения, не сможет достичь далекого наблюдателя и мы не увидим звезду, несмотря на то, что она излучает свет!

Если увеличивать массу небесного тела, добавляя к нему вещество с той же самой средней плотностью, то вторая космическая скорость увеличивается во столько же раз, во сколько возрастает радиус или диаметр.

Теперь понятен вывод, сделанный П. Лапласом: чтобы тяготение задержало свет, надо взять звезду с веществом той же плотности, что и Земля, а диаметром в 250 раз больше солнечного, то есть в 27 тысяч раз больше земного. Действительно, вторая космическая скорость на поверхности такой звезды будет тоже в 27 тысяч раз больше, чем на поверхности Земли, и. примерно сравняется со скоростью света: звезда перестанет быть видимой.

Это было блестящим предвидением одного из свойств чорной дыры ? не выпускать свет, быть невидимой. Справедливости ради надо отметить, что П. Лаплас был не единственным ученым и формально даже не самым первым, кто сделал подобное предсказание. Сравнительно недавно выяснилось, что в 1783 году с аналогичным утверждением выступал английский священник и геолог, один из основателей научной сейсмологии, Дж. Мичелл. Его аргументация была очень похожа на аргументацию П. Лапласа.

Как тут не вспомнить дискуссии между французами и англичанами о том, кто предсказал положение планеты Нептун по возмущениям в движении Урана: француз У. Леверье или англичанин Дж. Адаме? Как известно, оба ученых независимо правильно указали положение новой планеты. Тогда больше повезло французу У. Леверье. Такова участь многих открытий. Часто их делают почти одновременно и независимо разные люди Обычно приоритет признается за тем, кто глубже проник в суть проблемы, но иногда это просто капризы фортуны.

Но предвидение П. Лапласа и Дж. Мичьлла еще не было настоящим предсказанием черной дыры. Почему?

Дело в том, что во времена П Лапласа еще не было известно, что быстрее света в природе ничто не может двигаться. Обогнать свет в пустоте нельзя! Это было установлено А Эйнштейном в специальной теории относительности уже в нашем веке. Поэтому для П. Лапласа

рассматриваемая им звевда была только черной (несветящейся), и он не мог знать, что такая звезда теряет способность вообще как-либо ?общаться? с внешним миром, что-либо ?сообщать? далеким мирам о происходящих на ней событиях. Инычи словами, он еще не знал, что это не только ?черная?, но и ?дыра?, в которую можно упасть, но невозможно выбраться. Теперь мы знаем, что если из какой-то области пространетва не может выйти свет, то, значит, и вообще ничто не может выйти, и такой объект мы называем черной дырой.

Другая причина, из-за которой рассуждения П. Лапласа нельзя считать строгими, состоит в том, что он рассматривал гарвитационные поля огромной силы, в которых падающие тела разгоняются до скорости света, а сам выходящий свет может быть задержан, и применял при этом закон тяготения Ньютона.

А. Эйнштейн показал? что для таких полей теория тя-> готения Ньютона неприменима, и создал новую теорию, справедливую для сверхсилых, а также для быстроменяющихся полей (для которых ньютоновская теория также неприменима!), и. назвал ее общей теорией относительности. Именно выводами этой теории надо пользам ваться для доказательства возможности существования черных дыр и для изучения их свойств.

Общая теория относительности ? это изумительная теория. Она настолько глубока и стройна, что вызывает чувство эстетического наслаждения у всякого, кто знакомится с ней. Советские физики Л. Ландау и Е. Лифшиц в своем учебнике ?Теория поля? назвали ее ?самой красивой из всех существующих физических теорий?. Немецкий физик Макс Борн сказал об открытии теории относительности: ?Я восхищаюсь им как творением искусства?. А советский физик В. Гинзбург писал, что она вызывает ?...чувство... родственное тому, которое испытывают, глядя на самые выдающиеся шедевры живописи, скульптуры или архитектуры?.

Многочисленные попытки популярного изложения теории Эйнштейна, конечно, могут дать общее впечатление о ней. Но, честно говоря, оно столь же мало похоже на восторг от познания самой теории, как знакомство с репродукцией ?Сикстинской мадонны? отличается от переживания, возникающего при рассмотрении подлинника, созданного гением Рафаэля.

И тем не менее, когда нет возможности любования подлинником, можно (и нужно!) знакомиться с доступными репродукциями, лучше хорошими (а бывают всякие).

А что говорит о силе притяжения теория Эйнштейна? Согласно ей сила будет чуточку больше, чем вычисленная по формуле Ньютона. Мы потом уточним, что значит это ?чуточку больше?.

Представим себе теперь, что мы можем постепенно уменьшать радиус планеты, сжимая ее и сохраняя при этом ее полную массу. Сила тяготения будет нарастать (ведь радиус уменьшается). По Ньютону, при сжатии вдвое сила возрастает вчетверо. По Эйнштейну, возрастав ние силы опять же будет происходить чуточку быстрее. Чем меньше радиус планеты, тем больше это отличие.

сов. Например, средний радиус Земли составляет 6400 километров, радиус Солнца 700 тысяч километров. Если же истинные радиусы тел много больше их гравитационных, то отличие сил, рассчитанных по теории Эйнштейна и теории Ньютона, крайне мало. Так, на поверхности Земли это отличие составляет одну миллиардную часть от величины самой силы.

Только когда радиус тела при его сжатии приближается к гравитационному радиусу, в столь сильном поле тяготения различия нарастают заметно, и, как уже гово-рилось, при радиусе тела, равном гравитационному, истинное значение силы поля тяготения становится бесконечным.

Прежде чем обсуждать, к каким следствиям это ведет, познакомимся с некоторыми другими выводами теории Эйнштейна.

Суть ее заключается в том, что она неразрывно связала геометрические свойства пространства и течение времени с силами гравитации. Эти связи сложны и многообразны. Отметим пока лишь только два важных обстоятельства.

Так считалось в науке и во времена Аристотеля, и во времена И. Ньютона, и позже ? вплоть до А. Эйнштейна. Вот что пишет Аристотель в своей книге ?Физика?: ?Время, протекающее в двух подобных и одновременных двиижениях, одно и то же. Если бы оба промежутка времени не протекали одновременно, они все-таки были бы одинаковы... Следовательно, движения могут быть разные и независимые друг от друга. И в том и в другом случае время абсолютно одно и то же?.

Еще выразительнее писал И. Ньютон, считая, что говорит об очевидном: ?Абсолютное, истинное, математическое время, взятое само по себе, без отношения к какому-нибудь телу, протекает единообразно, соответственно сво-ей собственной природе?.

Догадки о том, что представления об абсолютном времени отнюдь не столь очевидны, иногда высказывались и в давние времена. Так, Лукреции Кар в I веке до нашей эры писал в поэме ?О природе вещей?: ?Время существует не само по себе... Нельзя понимать время само по себе, независимо от состояния покоя и движения тел?

Но только А. Эйнштейн доказал, что никакого абсолютного времени нет. Течение времени зависит от движения и, что сейчас для нас особенно важно, от поля тяготения. В сильном поле тяготения все процессы, абсолютно все, будучи самой разной природы, замедляются для стороннего наблюдателя Это и значит, что время ? то есть то общее, что присуще всем процессам, ? замедляется.

Замедление это обычно невелико. Так, на поверхности Земли время протекает медленнее, чем в далеком космосе, всего на ту же одну миллиардную часть, как и в случае с вычислением силы тяготения.

Хочется особенно подчеркнуть, что такое ничтожное замедление времени в поле тяготения Земли непосредственно измерено. Измерено замедление времени и в поле тяготения звезд, хотя обычно гам оно тоже крайне мало. В очень сильном поле тяготения замедление заметно больше и становится бесконечно большим, когда радиус тела сравнивается с гравитационным

Второй важный вывод теории Эйнштейна состоит в том, что в сильном поло тяготения меняются геометрические свойства пространства Эвклидова геометрия, столь нам привычная, оказывается уже несправедливой. Это означает, например, что сумма углов в треугольнике не равна двум прямым углам, а длина окружности не равна расстоянию ее от центра, умноженному на 2пи. Свойства обычных геометрических фигур становятся такими же, как будто они начерчены не на плоскости, а на искривленной поверхности. Поэтому и говорят, что пространство

?искривляется? в гравитационном поле. Разумеется, это искривление заметно только в сильном поле тяготения, если размер тела приближается к его гравитационному радиусу.

Конечно, представление об искривлении самого пространства так же трудносовместимо с нашими укоренившимися интуитивными представлениями, как и представление о разном течении времени.

Столь же определенно, как и о времени, И. Ньютон писал о пространстве: ?Абсолютное пространство, по своей собственной природе независимое от всякого отношения к внешним предметам, остается неизменным и неподвижным?. Пространство представлялось ему как некая бесконечная ?сцена?, на которой разыгрываются ?события?, никак не влияющие на эту ?сцену?.

Еще первооткрыватель неэвклидовой, ?искривленной? геометрии ? Н. Лобачевский высказывал мысль о том, что в некоторых физических ситуациях может проявляться его ? Н. Лобачевского ? геометрия, а не геометрия Эвклида. А. Эйнштейн своими расчетами показал, что пространство действительно ?искривляется? в сильном поле тяготения.

Этот вывод теории также подтвержден прямыми экспериментами.

Почему же мы с таким трудом воспринимаем выводы общей теории относительности о пространстве и времени?

Да потому, что повседневный опыт человечества, и даже опыт точной науки, на протяжении веков имел дело только с условиями, когда изменения свойств времени и пространства совершенно незаметны и посему полностью пренебрегались. Все наши знания основываются на повседневном опыте. Вот мы и привыкли к тысячелетней догме об абсолютно неизменяемых пространстве и времени.

Наступила наша эпоха. Человечество в своих познаниях столкнулось с условиями, когда влиянием материи на свойства пространства и времени пренебрегать нельзя. Несмотря на инертность нашего мышления, мы должны привыкнуть к такой необычности. И теперь новое поколение людей уже гораздо легче воспринимает истины теории относительности (основы специальной теории относительности изучают сейчас в школе!), чем это было несколько десятилетий назад, когда теорию Эйнштейна с трудом воспринимали даже самые передовые умы

Сделаем еще одно замечание о выводах теории относительности. Ее автор показал, что свойства пространства и времени не только могут меняться, но что пространство и время объединяются вместе в единое целое ? четырехмерное ?пространство время? Искривляется именно это единое многообразие. Конечно, наглядные представления в такой четырехмерной сверхгеометрии еще более трудны и мы здесь не будем на них останавливаться.

Вернемся к полю тяготения вокруг сферической массы. Так как геометрия в сильном поле тяготения неэвклидова, искривленная, то надо уточнить, что такое радиус окружности, например, экватора планеты. В обычной геометрии радиус можно определить двояко: во-первых, это расстояние точек окружности от центра, во-вторых, это длина окружности, деленная на 2пи. Но в неэвклидовой геометрии эти две величины не совпадают из-за ?кривизны? пространства.

Использование именно второго метода определения радиуса тяготеющего тела (а не самого расстояния от центра до окружности) имеет ряд преимуществ. Для измерения такого радиуса не надо приближаться к центру тяготеющих масс. Последнее весьма важно, например, для измерения радиуса Земли было бы весьма сложно проникнуть в ее центр, но не очень сложно измерить длину экватора.

Для Земли и нет никакой необходимости непосредственно измерять расстояние до центра, ибо поле тяготения Земли невелико, и для нас с большей точностью справедлива геометрия Эвклида, а длина экватора, деленная на 2пи, равна расстоянию до центра. В сверхплотных звездах с сильным полем тяготения это, однако,'не так:

разница в ?радиусах?, определенных разными способами, может быть весьма заметной Более того, как мы увидим далее, в ряде случаев достигнуть центра тяготения принципиально невозможно Поэтому мы всегда будем понимать под радиусом окружности ее длину, деленную на 2пи.

Рассматриваемое нами поле тяготения вокруг сферического невращающегося тела получило название поля Шварцшильда, по имени ученого, который сразу же после создания Эйнштейном теории относительности решил ее уравнения для данного случая

Немецкий астроном К Шварцшильд был одним из творцов современной теоретической астрофизики, им выполнен ряд ценных работ в области практической астрофизики и других разделов астрономии На заседании Прусской академии наук, посвященной памяти К. Шварц

шильда, умершего в возрасте всего 42 лет, так оценивал А. Эйнштейн его вклад в науку:

?В теоретических работах Шварцшильда особенно поражают уверенное владение математическими методами исследования и та легкость, с которой он постигает существо астрономической или физической проблемы. Редко встречаются столь глубокие математические познания в сочетании со здравым смыслом и такой гибкостью мышления, как у него. Именно эти дарования позволили ему выполнить важные теоретические работы в тех областях, которые отпугивали других исследователей математическими трудностями. Побудительной причиной его неиссякаемого творчества, по-видимому, в гораздо большей степени можно считать радость художника, открывающего тонкую связь математических понятий, чем стремление к познанию скрытых зависимостей в природе?.

К. Шварцшильд получил решение уравнений Эйнштейна для поля тяготения сферического тела в декабре 1915 года, через месяц после завершения А. Эйнштейном публикации своей теории. Как мы уже говорили, эта теория очень? сложна из-за совершенно новых, революционных понятий, но, оказывается, ее уравнения еще очень сложны, так сказать, чисто технически. Если формула закона тяготения И. Ньютона знаменита своей классической простотой и краткостью, то в случае новой теории для определения поля тяготения надо решить систему десяти уравнений, каждое из которых содержит сотни (!) слагаемых И это не просто алгебраические уравнения, а дифференциальные уравнения в частных производных второго порядка

В наше время для оперирования с подобными задачами используется весь арсенал электронных вычислительных машин Во времена К. Шварцшильда, разумеется, ничего подобного не было и единственными инструментами были перо и бумага.

Но надо сказать, что и сегодня работа в области теории относительности требует иногда долгих и кропотливых математических преобразований вручную (без электронной машины), являющихся часто нудными и однообразными из-за огромного количества членов в формулах. Но без чернового труда не обойтись. Я часто предлагаю студентам (а иногда аспирантам и научным работникам), покоренным фантастичностью общей теории относительности, познакомившимся с ней по учебникам и желающим в ней работать, конкретно вычислить своими руками хоть одну сравнительно простую величину в задачах этой теории. Не все после многодневных (а иногда и гораздо более долгих!) вычислений столь же горячо продолжают стремиться посвятить свою жизнь этой науке.

В оправдание такой ?жесткой? проверки на любовь скажу, что я сам прошел через подобное испытание. (Кстати, согласно преданиям в былые времена и обычная человеческая любовь подвергалась испытаниям подвигами.) В студенческие годы моим учителем по теории относительности был известный специалист и очень скромный человек А. Зельманов. Для моей дипломной работы он поставил передо мной задачу, связанную с удивительным свойством поля тяготения ? возможностью ?уничтожить? его в любом месте по своему желанию. ?Как? ? воскликнет читатель. ? Ведь в учебниках сказано, что от тяготения в принципе нельзя загородиться никакими экранами, что выдуманное фантастом Г. Уэллсом вещество ?кэй-ворит? является чистейшим вымыслом, невозможным в реальности!?

Все это так, и если оставаться неподвижным, например, относительно Земли, то силу ее тяготения не уничтожить. Но действие этой силы можно полностью устранить, начав свободно падать! Тогда наступает невесомость. В кабине космического корабля с выключенными двигателями, летящего по орбите вокруг Земли, нет силы тяжести, вещи и сами космонавты плавают в кабине, не ощущая никакой тяжести. Мы все много раз видели это на экранах телевизоров в репортажах с орбиты. Заметим, что никакое другое поле, кроме поля тяготения, не допускает подобного простого ?уничтожения?. Электромагнитное поле, например, так убрать нельзя.

Со свойством ?устранимости? тяготения связана сложнейшая проблема теории ? проблема энергии поля тяготения. Она, по мнению некоторых физиков, не решена и до сих пор. Формулы теории позволяют вычислить для какой-либо массы полную энергию ее гравитационного поля во всем пространстве. Но нельзя указать, где конкретно находится эта энергия, сколько ее в том или ином месте пространства. Как говорят физики, нет понятия плотности гравитационной энергии в точках пространства.

Мне в моей дипломной работе предстояло показать прямым вычислением, что известные в то время математические выражения для плотности энергии гравитационного поля бессмысленны даже для наблюдателей, не

испытывающих свободного падения, скажем, для наблюдателей, стоящих на Земле и явно чувствующих силу, с которой планета их притягивает. Математические выражения, с которыми мне предстояло работать, были еще более громоздкими, чем уравнения поля тяготения, о которых мы говорили выше. Я даже просил А. Зельманова дать мне еще кого-нибудь в помощники, который делал бы эти же вычисления параллельно, ведь я мог ошибиться. А. Зельманов вполне определенно отказал мне. ?Вы должны это сделать сами?, ? был его ответ.

Когда все уже было позади, я увидел, что потратил на эту рутинную работу несколько сотен часов. Почти все вычислении пришлось провести дважды, а некоторые и больше. Ко дню защиты диплома темп работы стремительно возрастал, подобно скорости свободно падающего тела в полэ тяготения. Правда, надо заметить, что суть работы состояла не только в прямых вычислениях. По ходу дела надо было еще думать и решать принципиальные вопросы.

Это была моя первая публикация по общей теории относительности.

Но вернемся к работе К. Шварцшильда. Он с помощью изящного математического анализа решил задачу для сферического тела и переслал ее А. Эйнштейну для передачи Берлинской академии. Решение поразило А. Эйнштейна, так как сам он к тому времени получил лишь приближенное решение, справедливое только в слабом поле тяготения. Решение же К. Шварцшильда было точным, то есть справедливым и для сколь угодно сильного поля тяготения вокруг сферической массы; в этом было его важное значение. Но ни А. Эйнштейн, ни сам К. Шварцшильд тогда еще не знали, что в этом решении содержится нечто гораздо большее. В нем, как выяснилось позже, содержится описание черной дыры.

А теперь продолжим разговор о второй космической скорости. Какую скорость согласно уравнениям Эйнштейна надо придать ракете, стартующей с поверхности планеты, чтобы она, поборов силы тяготения, улетела в космос?

Ответ оказался чрезвычайно прост. Здесь справедлива та же формула, что и в ньютоновской теории. Значит, вывод П. Лапласа о невозможности для света уйти от компактной тяготеющей массы подтвердился теорией тяготения Эйнштейна, согласно которой вторая космическая скорость должна быть равна скорости света как раз на гравитационном радиусе.

Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним сначала, почему обычные звезды и планеты не сжимаются к центру под действием тяготения, а представляют собой равновесные тела.

Сжатию к центру препятствуют силы внутреннего давления вещества. В звездах это давление газа с очень высокой температурой, стремящееся расширить звезду. В планетах типа Земли это силы натяжения, упругости, давления, также препятствующие сжатию. Равенство сил тяготения и указанных противоборствующих сил как раз и обеспечивает равновесие небесного тела.

Итак, важнейший вывод теории Эйнштейна гласит:

сферическое тело, радиус которого равен гравитационному

Итак, мы получили ответ на вопрос о том, к чему ведет бесконечное нарастание гравитационной силы с приближением тела к сфере Шварцшильда: к катастрофическому, неудержимому его сжатию. Физики называют это явление релятивистским коллапсом.

Таким образом, достаточно сжать тело до размеров гравитационного радиуса, а дальше оно само будет неудержимо сжиматься. Так возникает объект, который впоследствии получил название черной дыры.

Описанный нами процесс релятивистского гравитационного коллапса впервые был строго рассчитан с помощью уравнений общей теории относительности американскими физиками Р. Оппенгеймером и Г. Волковым в 1939 году. Их статья является образцом краткости и ясности изложения. Полностью и строго описывая суть явления, она занимает всего несколько страниц.

Работу Р. Оппенгеймера и Г. Волкова следует считать строгим предсказанием возможности возникновения черных дыр. Само название ?черная дыра? появилось гораздо позже ? в конце 60-х годов. Придумал его американский физик Д. Уилер. До этого они известны были под разными именами. Например, у нас их называли ?коллапсара-ми?, однако выяснилось, что это слово звучит не очень благозвучно по-английски. Впрочем, с названием ?черная дыра?, несмотря на его точность и образность, тоже бывали казусы.

Закончим этот раздел следующим замечанием. Черную дыру можно в принципе сделать искусствен

но. Для этого надо сжать любую массу до размеров гравитационного радиуса, дальше она сама будет сжиматься, испытывая гравитационный коллапс.

Правда, на этом пути лежат огромные технические трудности. Чем меньшую массу мы хотим превратить в черную дыру, тем до меньших размеров ее необходимо сжать, поскольку гравитационный радиус прямо пропорционален массе. Так, мы знаем, что гравитационный радиус Земли равен примерно одному сантиметру. А чтобы превратить в черную дыру, скажем, гору размером в миллиард тонн, пришлось бы ее сжать до размера атомного ядра!

Как уже говорилось, теория тяготения предсказывает, что время течет тем медленней, чем ближе часы находятся к гравитационному радиусу Это означает, что, какие бы процессы ни протекали в сильном поле тяготения, далекий от черной дыры наблюдатель увидит их в замедленном темпе

Так, для него колебания в атомах, излучающих свет в сильном поле тяготения, происходят замедленно, и фотоны от этих атомов приходят к нему ?покрасневшими?, с уменьшенной частотой Это явление носит название гравитационного красного смещения (оно послужило основой для одной из проверок правильности теории Эйнштейна). Для нас сейчас важен тот факт, что замедление времени и покраснение света тем больше, чем ближе область излучения располагается к границе черной дыры "(к сфере Шварцшильда). Там время замедляет свой бег, и на самой границе черной дыры оно как бы замирает для далекого наблюдателя Этот наблюдатель, следя, например, за камнем, падающим к черной дыре, видит, как у самой сферы Шварцшильда он постепенно ?тормозится? и приблизится к границе черной дыры лишь за бесконечно долгое время

Аналогичную картину увидит далекий наблюдатель при самом процессе образования черной дыры ? когда под действием тяготения само вещество звезды падает, устремляется к ее центру. Для него поверхность звезды

лишь за бесконечно долгое время приближается к сфере Шварцшильда, как бы застывая на гравитационном радиусе. Поэтому раньше черные дыры называли еще застывшими звездами.

Но это застывание вовсе не значит, что наблюдатель будет вечно созерцать застывшую поверхность звезды на гравитационном радиусе. Вспомним о замедлении времени, о покраснении света, выходящего из сильного гравитационного поля. С приближением поверхности звезды к гравитационному радиусу наблюдатель видит все более и более покрасневший свет звезды, несмотря на то, что на самой звезде продолжают рождаться обычные фотоны. Менее энергичные (?покрасневшие?) фотоны к тому же приходят к наблюдателю все реже и реже. Интенсивность света падает.

К факту покраснения света из-за замедления времени, обусловленного сильным полем тяготения, прибавляется еще покраснение света из-за Доплер-эффекта. Действительно, ведь поверхность сжимающейся звезды неуклонно удаляется от наблюдателя. А известно, что свет от удаляющегося источника воспринимается также покрасневшим

Итак, совместное действие Доплер-эффекта и замедления времени в сильном поле тяготения ведет к тому, что с приближением поверхности звезды к сфере Шварцшильда далекий наблюдатель видит свет все более покрасневшим и все меньшей интенсивности ? звезда становится невидимой. Ее яркость стремится к нулю, и ни в какие телескопы ее нельзя уже обнаружить При этом потухание происходит для далекого наблюдателя практически мгновенно. Так, звезда с массой Солнца после того, как она, сожмется до размеров удвоенного гравитационного радиуса, потухнет для внешнего наблюдателя за стотысячную долю секунды.

Нельзя обнаружить поверхность застывшей у гравитационного радиуса звезды и радиолокационным методом Радиосигналы будут бесконечно долго двигаться к гравитационному радиусу и никогда не вернутся к пославшему их наблюдателю. Звезда для внешнего наблюдателя полностью ?исчезает?, и остается только ее гравитационное поле. Внешний наблюдатель никогда не увидит то, что произойдет со звездой после ее сжатия до размеров меньше гравитационного радиуса.

?Стоп! ? скажет читатель. ? О каких размерах меньше гравитационного радиуса можно говорить, когда сам процесс сжатия до гравитационного радиуса растягивается на бесконечный срок? Ведь мы только что говорили, что звезда застывает при размерах, равных гравитационному радиусу. Когда же она станет меньше гравитационного радиуса? После бесконечного .долгого времени??

Представим себе ряд наблюдателей, расположенных вдоль линии, продолжающей радиус черной дыры, и неподвижных по отношению к ней. Например, они могут находиться на ракетах, двигатели которых работают, не давая наблюдателям падать на черную дыру. Далее, представим себе еще одного наблюдателя на ракете с выключенным двигателем, который свободно падает к черной дыре. По мере падения он проносится мимо неподвижных наблюдателей со всевозрастающей скоростью. При падении к черной дыре с большого расстояния эта скорость равняется второй космической скорости. Скорость падения стремится к световой, когда падающее тело приближается к гравитационному радиусу. Ясно, что темп течения времени на свободно падающей ракете с ростом скорости уменьшается. Это уменьшение настолько значительное, что с точки зрения наблюдателя с любой неподвижной ракеты для того, чтобы падающий успел достичь сферы Шварцшильда, проходит бесконечный промежуток времени, а по часам падающего наблюдателя это время соответствует конечному промежутку. Таким образом,, бесконечное время одного наблюдателя на неподвижной ракете равно конечному промежутку времени другого (на падающей ракете), причем промежутку очень малому, ? так, мы видели, для массы Солнца это всего стотысячная доля секунды. Что может быть более наглядным примером относительности временной протяженности?

Согласно ньютоновской теории тяготения любое тело в гравитационном поле звезды движется либо по разомкнутым кривым ? гиперболе или параболе, ? либо по замкнутой кривой ? эллипсу (в зависимости от того, велика или мала начальная скорость движения). У черней дыры на больших от нее расстояниях поле тяготения слабо, и здесь все явления с большой точностью описываются теорией Ньютона, то есть законы ньютоновской небесной механики здесь справедливы. Однако с приближением к черной дыре они нарушаются все больше и больше.

Познакомимся с некоторыми важнейшими особенностями движения тел в поле тяготения черной дыры.

Очень интересно рассмотреть простейшее периодическое движение тела в поле черной дыры по круговой орбите. По теории Ньютона, движение по кругу возможно на любом расстоянии от ТЦ. Из теории Эйнштейна следует, что это не так. Чем ближе к ТЦ, тем больше скорость движущегося по окружности тела. На окружности, удаленной на полтора гравитационных радиуса, скорость обращающегося тела достигает световой. На еще более близкой к черной дыре окружности движение его вообще невозможно, ибо для этого ему потребовалась бы скорость больше скорости света.

Но, оказывается, в реальной ситуации движение по окружности вокруг черной дыры невозможно и на больших расстояниях, начиная с трех гравитационных радиусов,

когда скорость движения составляет всего половину скорости света. В чем же причина?

Дело в том, что на расстояниях меньше трех гравитационных радиусов движение по окружности неустойчиво. Малейшее возмущение, сколько угодно малый толчок заставят вращающееся тело уйти с орбиты и либо упасть в черную дыру, либо улететь в пространство (ничего похожего не предусматривает ньютоновская ?Небесная механика?). Но, пожалуй, самое интересное и необычное в новой небесной механике ? это возможность гравитационного захвата черной дырой тел, прилетающих из космоса.

Напомним, что в ньютоновской механике всякое тело, прилетающее к тяготеющей массе из космоса, описывает вокруг нее параболу или гиперболу и (если не ?стукнется? о поверхность тяготеющей массы) снова улетает в космос ? гравитационный захват невозможен. Иначе обстоит дело в поле тяготения черной дыры. Конечно, если прилетающее тело движется на большом расстоянии от черной дыры (на расстоянии десятков гравитационных радиусов и больше), там, где поле тяготения слабо и справедливы законы механики Ньютона, то оно движется почти точно по параболе или гиперболе. Но если оно пролетает достаточно близко от дыры, то его орбита совсем не похожа на гиперболу или параболу. В случае, если оно вдали от черной дыры имеет скорость много меньше световой и его орбита подходит близко к окружности с радиусом, равным двум гравитационным радиусам, то оно обернется вокруг черной дыры несколько раз, прежде чем снова улетит в космос. Этот случай изображен на рисунке 2.

Наконец, если вращающееся тело подойдет вплотную к указанной окружности двух гравитационных радиусов, то его орбита будет на эту окружность навиваться; тело окажется гравитационно захваченным черной дырой и никогда снова не улетит в космос (рисунок 3). Если тело подойдет еще ближе к черной дыре, оно упадет в черную дыру и также окажется гравитационно захваченным.

Очевидно, что если тело движется к черной дыре непосредственно вдоль радиуса, то, какую бы скорость оно ни имело, оно врежется в черную дыру и не улетит в космос.

Более того, нам теперь известно, что если тело будет двигаться хоть и не прямо по радиусу к черной дыре, но орбита его пройдет на достаточно близком расстоянии от черной дыры, то оно будет гравитационно захвачено. Следовательно, чтобы вырваться из окрестностей черной-дыры, мало иметь скорость больше второй космической, надо еще, чтобы направление этой скорости составляло с направлением на черную дыру угол больше некоторого критического значения. Если угол будет меньше, тело гравитационно захватится, если больше (и скорость равна второй космической), то улетит в космос. Значение этого критического угла зависит от расстояния до черной дыры. Чем дальше от нее, тем меньше критический угол. На расстоянии нескольких гравитационных радиусов надо уже точно ?прицелиться? в черную дыру, чтобы быть ею захваченной.

Наконец, скажем несколько слов еще об одном важном процессе, возникающем при движении тел в поле черной дыры. Речь идет об излучении гравитационных волн. Теория тяготения Эйнштейна предсказывает их существование.

Что же представляют собой эти волны, носящие столь экзотическое название. Они подобны электромагнитным, которые являются быстро меняющимся электромагнитным полем, ?оторвавшимся? от своего источника и распространяющимся в пространстве с предельно большой скоростью ? скоростью света. Точно так же гравитационные волны являются изменяющимся гравитационным полем, ?оторвавшимся? от своего источника и летящим в пространстве со скоростью света.

Известно, чтобы обнаружить электромагнитную волну, достаточно в принципе взять электрически заряженный шарик и наблюдать за ним; когда на него станет падать электромагнитная волна, шарик придет в колебательное движение. Но чтобы обнаружить гравитационную волну, одним шариком не обойтись. Потребуется минимум два, помещенных на некотором расстоянии друг от друга (заряжать их электричеством, конечно, не нужно). При падении на них гравитационной волны шарики будут то несколько сближаться, то удаляться. Измеряя изменение расстояния между ними, можно обнаружить волны тяго

тения. А почему нельзя обойтись одним шариком? ? может спросить читатель.

Дело заключается в следующем. Если на шарик не действуют никакие посторонние силы, то он находится в поле гравитационной волны в состоянии невесомости. На шарике не ощущается никаких сил тяготения, и поэтому невозможно обнаружить проходящую гравитационную волну. Ситуация точно такая же, как у космонавтов в кабине космического корабля на орбите. Находясь в невесомости, они не могут обнаружить и тем более измерить гравитационное поле. Два шарика, находясь на некотором отдалении, подвергаются воздействию поля чуть-чуть по-разному, и между ними возникает относительное движение. Вот это относительное движение и можно измерить.

В случае электромагнитных волн для их обнаружения не обязательно брать даже шарик ? существуют разные типы электромагнитных антенн. В случае же гравитационных волн придуманы тоже разные конструкции гравитационных антенн.

Скажем, можно сделать излучатель гравитационных волн в виде быстро вращающегося стержня. Если взять стальную болванку длиной 20 метров, массой 500 тонн и раскрутить ее до предела на разрыв центробежными силами (частота вращения при этом около 30 герц), то она будет излучать всего одну десятитысячную миллиардной миллиардной доли эрга в секунду.

Приведенные примеры показывают, насколько трудны попытки обнаружения гравитационных волн. В прямых экспериментах на Земле эти волны пока не обнаружены, хотя в разных лабораториях мира построены и строятся уже десятки гравитационных антепн, предназначенных для приема волн тяготения из космоса. Пионером этой работы был американский экспериментатор Д. Вебер в конце 50-х ? начале 60-х годов. У нас в стране работа по созданию гравитационных антенн наиболее интенсивно ведется в Московском университете под руководством В. Брагинского.

Хотя, как уже сказано, с помощью антенн на Земле пока гравитационные волны не обнаружены, однако некоторые астрономические наблюдения прямо показывают, что гравитационные волны излучаются при движении небесных тел. Что же это за наблюдения?

Вернемся к движению тела вокруг черной дыры по круговой орбите. При этом будет происходит излучение гравитационных волн и постепенное уменьшение радиуса орбиты. Так будет продолжаться до тех пор, пока радиус не примет критического значения трех гравитационных радиусов. На меньших расстояниях, как мы знаем, движение уже неустойчиво. Следовательно, тело, достигнув критической орбиты, сделав еще несколько оборотов и излучив некоторое количество энергии, ?свалится? с этого расстояния в черную дыру.

Мы видим, что в принципе даже таким простейшим способом можно было бы использовать черные дыры как источник эпергип. Конечно, практически такая машина почти бесполезна. Дело л том, что гравитационные волпы крайне слабо взаимодействуют с веществом. Поэтому выделающуюся в виде гравитационных волн энергию было бы очень трудно уловить и использовать для практических нужд: гравитационные волны рассеивались бы в космическом пространстве. В дальнейшем мы увидим, что существуют другие способы использования гигантской гравитационной энергии черных дыр.

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И СВЕТ

Наличие критической окружности для фотонов ведет к тому, что свет, проходящий достаточно близко к черной дыре, будет ею гравитационно захвачен (это изображено на рисунке 5). Луч, подходящий вплотную к окружности размером в полтора гравитационных радиуса, неограниченно навивается на нее, а подходящий еще ближе упирается в черную дыру.

До сих пор мы говорили только о черных дырах, возникающих при сжатии сферических тел и обладающих поэтому сферически симметричным полем тяготения. А какая черная дыра возникает при сжатии не сферического, например сплюснутого, тела? Мы пока будем говорить только о невращающихся телах, оставив вопрос о вращении до следующего раздела.

Итак, до сжатия тело имело не сферическое гравитационное поле. Означает ли это, что возникнет сплюснутая черная дыра со сплюснутым полем тяготения? Долгое время ответ на этот вопрос был неизвестен, и эту задачу решили лишь сравнительно недавно. На самом деле никаких сплюснутых или других несимметричных черных дыр существовать не может. Дело в том, что в ходе сжатия, когда размеры тела приближаются к гравитационному радиусу, происходит интенсивное излучение гравитационных волн. Оказывается, что при этом все отличия поля тяготения от строгой сферичности уменьшаются и ?излучаются? в виде гравитационных волн.

В первый момент после возникновения черная дыра имеет действительно искаженную, сплюснутую форму. Но эта дыра не может сохраняться постоянно во времени. Подобно тому, как пленка мыльного пузыря, если бы мы его растянули, а потом отпустили, быстро принимает сферическую форму, точно так же граница ?искаженной? черной дыры быстро принимает гладкую сферическую форму. Все ?лишнее? излучается в вдде гравитационных волн. В результате возникает совершенно сферически симметричная черная дыра с совершенно сферически симметричным внешним полем тяготения Шварцшильда, которое характеризуется только одной величиной ? массой тяготеющего центра.

Исследование вопроса привело к крайне интересному выводу. Оказалось, что все виды физических полей в ходе релятивистского коллапса будут излучены или погребены в самой черной дыре. Исключение составляет только поле электрического заряда. При сжатии оно, так же как и сферическое гравитационное поле, вовсе не меняется и остается вокруг возникшей черной дыры.

Итак, при релятивистском коллапсе сколь угодно сложного невращающегося тела, окруженного электрическим, магнитным и другими полями, возникает черная дыра со свойствами, полностью характеризуемыми всего двумя параметрами ? массой, от которой зависит сила внешнего гравитационного поля, и электрическим зарядом, характеризующим электрическое поле. Все другие отличительные особенности материи, которая образовала черную дыру, как бы исчезают. Никакие измерения или опыты над черной дырой не помогут ответить на вопрос, возникла ли она, например, из вещества или антивещества, обладало ли вещество магнитным полем и т. д. И это свойство ?забывания? всех признаков определяется опять же тем, что никакие сигналы из черной дыры во внешнее пространство не выходят.

Если мы оставим в стороне явление электрического заряда, которое несущественно для небесных тел, то в качестве характеристики, определяющей свойства черной дыры, остается только ее масса. Все черные дыры одинаковой массы являются точными копиями друг друга. Такая безликость черных дыр послужила поводом уже знакомому нам американскому физику-теоретику Д. Уилеру сказать, что ?черные дыры не имеют волос?.

Установление факта безликости было трудной задачей. Здесь тоже была и своя предыстория и история, как и при теоретическом предсказании черных дыр.

Это был очень неожиданный вывод, с которым специалисты не сразу освоились.

Вторая работа касалась возможности возникновения сплюснутой черной дыры. Я тогда только что окончил учебу и работал в группе, созданной академиком Я. Зельдовичем. Поскольку на протяжении уже нескольких лет меня волновала проблема сплюснутой черной дыры, я рассказал о ней моему руководителю, а заодно и моему сверстнику, тоже начинавшему работать во вновь созданной группе, А. Дорошкевичу. Все трое мы всесторонне начали исследовать проблему. Стиль работы у нас был разный, и, удачно дополняя друг друга, мы выполнили большой объем работ.

Обе упомянутые работы отличает одна общая черта: мы пришли к выводу, что поля должны излучаться в ходе возникновения черной дыры. Такой вывод покажется чрезмерно смелым. Ведь сам процесс излучения мы не рассчитывали, мы этого тогда еще просто не могли делать, так как не был создан соответствующий математический аппарат. Но вывод о результате процесса излучения был абсолютно надежен потому, что иной вел бы к абсурду. Это интересвый пример того, как можно делать надежные заключения о последствиях явления, рассчитать которое не было возможности. Только шесть лет спустя американский теоретик Р. Прайс, а затем и многие другие провели расчеты самого процесса излучения полей. Они, естественно, полностью подтвердили правильность наших заключений.

Следствием расчетов Р. Прайса и других авторов было установление любопытного факта: все поля, которые в принципе могут быть излучены, излучаются действительно в ходе возникновения черной дыры. Только два вида их никогда не излучаются ? это сферическое поле тяготения и сферическое поле электрического заряда (если таковой есть). Именно они остаются у возникшей черной дыры. Еще об одном исключении сказано в следующем разделе.

Среди физиков известны ?законы Чизхолма?. Они в шуточной форме отражают далеко не шуточные трудности, возникающие при проведении физических экспериментов и при работе со сложными физическими приборами. Первый из ?законов Чизхолма? читается так: ?Все, что может испортиться, ? портится?. По аналогии с этим, Р. Прайс сформулировал свой вывод так: ?Все, что может излучиться, ? излучается?.

По теории Ньютона, гравитационное поле никак не зависит от движения вещества. Так, поля тяготения неподвижного шара и вращающегося совершенно одинаковы, если только одинаковы их массы. По теории Эйнштейна, это не так: поля тяготения рассматриваемых шаров будут несколько отличаться. В чем же оно заключается?

Наиболее наглядно (но несколько упрощенно) можно себе представить это отличие, как если бы вокруг вращающегося тела возникало добавочное вихревое гравитационное поле, увлекающее за собой все тела в круговое движение. Дело происходит таким образом, как будто слои пространства медленно вращаются вокруг такого тела, причем угловая скорость их вращения зависит от расстояния: она мала вдали и нарастает с приближением к вращающемуся телу Для обычных небесных тел эти эффекты ничтожно малы. Проще всего их обнаружить, помещая вблизи вращающегося тела гироскоп. Если тело не вращается, то гироскоп будет указывать неизменное направление в пространстве по отношению к далеким звездам. (Широко известно использование гироскопов, например, для ориентации космических кораблей.) Однако вблизи вращающегося тела гироскоп медленно поворачивается.

Так, вблизи поверхности вращающейся Земли гироскоп поворачивается примерно на десятую долю угловой секун-ды в год. Конечно, такая ничтожная скорость поворота гироскопа не может помешать ориентации космических кораблей. Более того, экспериментально этот эффект пока и не обнаружен.

Оказывается, она не будет изменяться так же, как не меняется и сферическое поле тяготения.

Вихревое поле тяготения звезды полностью определяется величиной, которую физики называют моментом импульса тела. Для обычной звезды эта величина примерно равна произведению скорости вращения на экваторе, массы звезды и ее радиуса.

Таким образом, при коллапсе вращающегося тела возникает вращающаяся черная дыра. Что означает вращение черной дыры? Оно означает наличие вокруг черной дыры вихревого поля тяготения, оставшегося после коллапса, или, как его иногда называют, гравитационного вихря. Чем ближе к черной дыре, тем сильнее вихревое поле.

К чему это приводит?

Спрашивается, как же гравитационная сила действует на них под границей эргосферы, если уже на границе величина ее равна бесконечности?

Здесь мы должны напомнить то, что уже говорили при обсуждении силы тяготения, действующей на поверхности Шварншильда

Сила тяготения бесконечна на границе только для неподвижного тела, а если тело движется ускоренно, то сила будет иная. При круговом движении вокруг черной дыры в том же направлении, что и направление вращения черной дыры, сила и на границе эргосферы, и внутри ее оказывается конечной. Поэтому те то может внутри границы эргосферы двигаться по окружности, не падая на центр. Таким образом, при наличии вращения предел статичности (то есть граница области, где возможен покой тела по отношению к черной дыре) резко отличается от сферы Шварцшильда в случае отсутствия вращения.

Мы видим, что граница эргосферы вовсе не является границей черной дыры, раз из-под этой поверхности можно выйти наружу. Посмотрим, что же будет при дальнейшем приближении к черной дыре.

Продвигаясь вглубь, мы достигаем наконец границы черной дыры ? горизонта. На этой поверхности и под ней тело (и любые частицы, и свет) движется только внутрь черной дыры. Здесь движение наружу невозможно, и никакая информация не может выйти к внешнему наблюдателю из-под этого горизонта.

Именно пространство между горизонтом и пределом статичности и называют эргосферой. Там сила тяготения заставляет все тела кружить вокруг черной дыры.

Если медленно приближать гироскоп к поверхности эргосферы, его угловая скорость вращения будет все увеличиваться, стремясь на самой поверхности к бесконечности (для неподвижного гироскопа).

Как же для внешнего наблюдателя будут протекать события при падении какого-либо тела с большого расстояния к вращающейся черной дыре?

ной дыры, как бы прилепленные к поверхности вращающегося твердого тела.

Для внешнего наблюдателя получаемый от них свет быстро становится все более красным и менее интенсивным, затем полностью затухнет, и они станут невидимыми для внешнего наблюдателя: что происходит под горизонтом, он не видит. Если же сам наблюдатель будет свободно падать во вращающуюся черную дыру, то он за конечное время достигнет горизонта, как и в случае невращающейся дыры, и будет продолжать падать внутрь. Оставим пока этого наблюдателя и вернемся во внешнее пространство ? в окрестность черной дыры.

Вращение черной дыры не может быть сколь угодно большим. Дело в том, что она не сможет возникнуть, если тело вращалось слишком быстро. Действительно, при сжатии тела, достаточно быстро вращающегося, на экваторе возникают центробежные силы, которые препятствуют его сжатию в плоскости экватора. Тело может продолжать сжиматься только вдоль полюсов. Но тогда оно превратится в ?блин? радиусом, много большим гравитационного радиуса, и, следовательно, никакой черной дыры не возникнет. Максимально возможным вращение черной дыры станет тогда, когда скорость вращения точек ее экватора будет равна скорости света.

У вращающейся черной дыры меняются и законы небесной механики. Так, вспомним явление гравитационного захвата тел черной дырой. Если дыра вращается, то легче всего ею будут захватываться частицы, которые вблизи черной дыры летят в сторону, противоположную вращению, и с гораздо большим трудом ? частицы, летящие мимо черной дыры в сторону вращения. Наглядно можно себе представить это так, как если бы вихревая компонента гравитационного поля вокруг черной дыры действовала бы подобно праще ? ускоряя и отбрасывая тем самым частицы, движущиеся мимо черной дыры в ту же сторону, что и закручивающийся вихрь этого поля, и, наоборот, тормозя и захватывая частицы, движущиеся против вихря.

ГЛАВА 3. ЭНЕРГИЯ ИЗ ГРАВИТАЦИОННОЙ БЕЗДНЫ

Мы уже неоднократно говорили, что излучение гравитационных волн телом, кружащимся около черной дыры, является способом получения энергии. Но это не есть способ извлечения энергии из самой черной дыры, а только энергии, связанной с кружащимся телом. Ведь в конце концов само тело (и часть гравитационных волн) падает в черную дыру, не извлекая, а увеличивая ее массу, а значит, и энергию.

Возникает вопрос: а нельзя ли придумать какой-нибудь процесс, уменьшающий массу черной дыры и тем самым черпающий ее энергию?

Представим себе следующий экспсрилюпт. В эргосфо-ру большой вращающейся черной дыры попадает ракета с выключенными двигателя-лги. Она движется вокруг черной дыры в сторону ее вращения. Вблизи черной дыры пилот включает реактивные двигатели, выбра сывающие струи газов. Можно так изменить движение ракеты, что газы упадут в черную дыру, а ракета, ускорившись, с огромной скоростью вылетит из эргосферы, как бы выброшенная ?пращой? гравитационного вихря. Огромная скорость ракеты будет намного превышать ту скорость, с которой ракета подлетала к эргосфере, и будет намного больше, чем изменение скорости, вызванное кратковременной работой двигателя. Что же произошло?

Вспомним, что вокруг черной дыры существует вращательный гравитационный вихрь. Ракетный двигатель заставил перейти ракету на такую новую орбиту, где она, подхваченная этим вихрем, была вышвырнута с огромной скоростью из эргосферы. Энергия, унесенная ракетой, получена от вихря, то есть от ?вращательной? энергии черной дыры. Вращение черной дыры при этом уменьшается. Соответственно становится меньше и полная масса черной дыры (на величину, унесенную ракетой). Этим-то способом и можно ?черпать? энергию из вращающейся черной дыры.

Столь необычный процесс был открыт английским физиком-теоретиком Р. Пенроузом. Но черпаемая при этом только ?вращательная? энергия находится, как подчеркивалось, в вихревом поле вне черной дыры.

Что же касается площади горизонта, а она и характеризует размеры самой черной дыры, то описанный процесс приводит к некоторому ее увеличению, так как газы из двигателя ракеты, упавшие в черную дыру, вносят в нее дополнительную массу и увеличивают тем самым ее размеры.

Наибольшее количество ?вращательной? энергии черной дыры ракета может унести (при одинаковой продолжительности работы ее двигателей) в том случае, когда двигатели включаются у самого горизонта. В этом случае площадь горизонта не меняется (такие процессы получили название обратимых). Подобные включения двигателя на горизонте можно повторять многократно, и таким образом можно отнять у черной дыры ?вращательную? энергию, не меняя ее собственного размера.

Что же касается вопроса о возможности уменьшения размеров горизонта в каких-либо процессах, то на него надо ответить отрицательно. Оказалось, что площадь горизонта черной дыры никогда не уменьшается ни в каких процессах. Если же взаимодействуют друг с другом несколько черных дыр, то сумма площадей их горизонтов не уменьшается.

Это очень важное свойство. Из него, например, следует, что ни при каких воздействиях черная дыра не может разделиться на две черные дыры. Если бы такое произошло, то при сохранении энергии сумма площадей горизонтов возникших дыр должна была бы быть меньше площади исходной черной дыры. Следовательно, как бы ни раздирали черную дыру приливные гравитационные силы, какими бы другими способами мы на нее ни воздействовали, ?разодрать? ее на части нельзя.

Сливаться же черные дыры могут. Например, две движущиеся навстречу друг другу черные дыры сталкиваются ?лоб в лоб? и сливаются в одну. При этом возникающая черная дыра будет иметь площадь горизонта больше суммы площадей горизонтов сталкивающихся дыр.

Итак, никакие процессы не уменьшают размеры черных дыр.

Черные дыры после своего возникновения являются как бы бездонными пропастями, которые нельзя никак уменьшить, нельзя ничем заполнить и нельзя ничем ?заткнуть? ? они являются вечными ?дырами? в пространстве и времени, способными только увеличиваться за счет падающего в них вещества. Это все растущие гравитационные бездны...

На самом деле, как мы увидим в дальнейшем, все это не столь мрачно. Во-первых, черные дыры, находящиеся в реальных условиях, благодаря своему огромному полю тяготения способны вызвать весьма бурные процессы, а, во-вторых, квантовые процессы (которых мы до сих пор не касались) вносят коррективы в нарисованную здесь картину. Но об этом подробнее будет сказано дальше.

До сих пор, рассматривая процессы вокруг черной дыры и способы извлечения из нее энергии, мы убедились, что эту энергию можно извлечь либо в форме излучения гравитационных волн, либо в виде кинетической энергии тел, выбрасываемых из эргосферы. Но оказывается, существуют еще более удивительные и неожиданные способы использования черных дыр как генераторов энергии.

Представим себе, что вращающаяся черная дыра облучается электромагнитными волнами. Что при этом будет происходить? На первый взгляд ничего интересного. Часть волн будет гравитационно захватываться черной дырой и навсегда в ней исчезать. Остальные, проходящие вблизи черной дыры, искривят свои траектории и уйдут дальше. Изменение направления распространения волн называют рассеянием. Рассеянные электромагнитные волны, уйдя вдаль от черной дыры, будут иметь ту же частоту, какую они имели, когда приближались к ней. Конечно, частота волн при движении вблизи черной дыры в сильном гравитационном поле менялась. Когда волны двигались к черной дыре, их энергия увеличивалась, частота возрастала ? волны испытывали фиолетовое смещение. Затем, при удалении от черной дыры, они испытывали красное смещение, и в итоге вдали от черной дыры их частота возвращалась к исходному значению.

Итак, общая картина получается следующей: при облучении черной дыры часть электромагнитных волн попадает в нее, а часть рассеивается с той же частотой, которая была до рассеивания. Из-за того, что часть их навсегда захватывается черной дырой, интенсивность рассеянных волн меньше, чем первоначальная интенсивность облучающего пучка.

максимум всего на 4,4 процента.

Явление суперрадиации проявляется при облучении черной дыры не только электромагнитными волнами, но и. другими видами излучений. Так, будут усиливаться, например, низкочастотные гравитационные волны, падающие на вращающуюся черную дыру. Причем условие возникновения суперрадиации для всех видов излучений одно

и то же ? достаточно малой должна быть частота волн. Коэффициент усиления для различных видов излучений оказывается различным. Так, для гравитационных волн он составляет 138 процентов, то есть гораздо больше, .чем для электромагнитного излучения.

Но вернемся к электромагнитным волнам.

Окружим вращающуюся черную дыру искусственной сферой, отражающей электромагнитные волны. Пусть внутри этой сферы имеется хотя бы ничтожное количество электромагнитных волн, для которых выполнено условие возникновения суперрадиации. Эти волны, падая на черную дыру, усиливаются и уходят вдаль от черной дыры. Здесь они встречают отражающую сферу, отражаются и снова устремляются к черной дыре, где вновь усиливаются. Процесс повторяется снова и снова, а энергия усиливающегося излучения лавинообразно нарастает.

Если в отражающей сфере сделать отверстие, то часть усиливающихся волн будет через него выходить наружу, и тем самым наша установка станет генератором электромагнитного излучения, в котором ?вращательная? энергия черной дыры непосредственно трансформируется в электромагнитное излучение.

Допустим теперь, что никакого отверстия в отражающей сфере нет и вся сфера полностью отражает усиливающееся электромагнитное излучение. Тогда процесс роста электромагнитной энергии внутри такой установки будет катастрофически продолжаться, пока давление излучения не разорвет отражающую сферу, то есть произойдет взрыв. Подобная конструкция была названа гравитационной ?бомбой?.

Отметим, что создание подобных гравитационных конструкций, генерирующих электромагнитную энергию, сейчас совершенно немыслимо, так как мы не способны создавать искусственно черные дыры путем сверхсильного сжатия вещества, а естественные находятся, как увидим очень далеко в космосе.

До сих пор мы говорили о процессах вокруг черной дыры. Обратимся теперь к самому захватывающему и интригующему: попробуем подойти к границе черной дыры ? к краю этой бездонной пропасти (ее нельзя ничем заполнить) и попытаемся заглянуть внутрь.

Впрочем, мы знаем, что слово ?заглянуть? здесь неуместно. Увидеть, что происходит внутри черной дыры невозможно, даже достигнув ее границы. Для этого необходимо последовать внутрь черной дыры. В принципе это возможно, например, при простом свободном падении (находясь в космическом аппарате) в поле тяготения черной дыры. За конечное собственное время такого падающего наблюдателя он достигнет горизонта и будет продолжать падать дальше.

Но мы уже знаем, что такое путешествие будет иметь для космонавта самые серьезные последствия. Ведь из черной дыры ничто не возвращается, ничто не выходит во внешнее пространство. Никогда не сможет вернуться и космонавт, какой бы мощностью ни обладали ракетные двигатели его аппарата. Он не сможет также и послать нам какое-либо сообщение о своих наблюдениях (хотя и может продолжать получать сообщения от нас). И тем не менее в принципе такое путешествие возможно. Что же ждет его внутри черной дыры?

Прежде чем отправиться вместе с космонавтом, вспомним еще одно гравитационное явление, хорошо всем известное. Речь идет о приливных гравитационных силах. Эти силы проявляются потому, что все тела, находящиеся в поле тяготения, имеют некоторые размеры. А поля тяготения всегда неоднородны, и разные точки притягиваемых тел испытывают несколько различную силу тяготения.

Пусть тело находится в поле тяготения планеты. Точки тела, находящиеся ближе к планете, будут испытывать более сильное тяготение, чем точки, отстоящие дальше. Эта разность сил тяготения и называется приливной силой, стремящейся растянуть, разорвать тело. Приливная сила тем больше, чем резче меняется поле тяготения от точки к точке. Такая ?разностная? сила проявляется и при свободном падении тела, и при покое. В этом отношении она резко отличается от действия самого тяготения, которое не проявляется в состоянии свободного падения.

Разумеется, в обычных условиях, скажем, в кабине космического корабля, летящего вокруг Земли, приливные силы ничтожны, незаметны. Незаметны они и для обычных тел на поверхности Земли. Но они пропорциональны размерам тел. Поэтому проявляются (и весьма заметно) для всей Земли, подвергающейся тяготению со стороны Луны. Рассматриваемые силы вызывают приливы в океанах, откуда и произошло их название.

Но вернемся к наблюдателю, падающему в черную дыру. Поместим сначала его на поверхность звезды, которая находится в состоянии релятивистского коллапса. Противоборствующие силы давления вещества звезды при этом практически уже не оказывают никакого сопротивления нарастающей гравитации, поверхность звезды пересекает гравитационный радиус и продолжает сжиматься дальше. Процесс остановиться не может, и за короткий промежуток времени (по часам наблюдателя на поверхности звезды) эта поверхность сожмется в точку, а плотность вещества станет бесконечной. Достигается, как говорят физики, сингулярное состояние. Чем оно характеризуется?

Не вдаваясь в тонкости, ответим на этот вопрос так: при приближении к сингулярности приливные гравитационные силы стремятся к бесконечности. Это означает, что любое тело (в том числе и наш воображаемый наблюдатель) будет разорвано. То же самое ожидает и любое тело, падающее в черную дыру уже после сжатия звезды, оно также достигает сингулярности. Можно ли как-нибудь избежать падения в сингулярность, если тело уже находится под горизонтом?

Оказывается, нет. Падение в сингулярность неизбежно. Как бы космонавт ни маневрировал на своей ракете, как бы ни были мощны двигатели, ракета быстро упадет в сингулярность.

Самое ?долгое? время, которое ракета может просуществовать внутри черной дыры после пересечения горизонта, равно примерно времени, за которое свет проходит расстояние, равное размеру черной дыры. Это короткий миг. Для дыры с массой в десять масс Солнца максимально ?долгое? время существования равняется всего одной стотысячной доле секунды.

Как же так может быть? ? спросит читатель. Ну, хорошо, согласимся, что работа двигателей не в состоянии побороть огромную силу тяготения внутри черной дыры и остановить ракету, но все же торможение должно хоть немного замедлить падение, сделать его более продолжительным? И уж тем более это торможение не ускорит падения!

И тем не менее внутри черной дыры это возможно. Дело в том, что, включая двигатели, космонавт разгоняет свою ракету (назовем ее А} по отношению к свободно падающей ракете (ракета Б). Но на разгоняющейся ракете, как мы напоминали, время течет медленнее. А внутри черной дыры этот фактор оказывается решающим. Ракета А все равно падает в сингулярность. Но из-за того, что часы на ней шли существенно медленнее с точки зрения ракеты Б, то и весь процесс падения занял по часам А меньше времени. Идя медленнее, часы А ?нати-кают? меньше секунд (или долей секунды), то есть с точки зрения этих часов падение было менее продолжительным! Вот такой парадокс.

Вернемся теперь к проблеме приливных сил тяготения. Давайте сравним приливные силы, которые действуют на космонавтов в кабине космического корабля на орбите вокруг Земли и на космонавта, падающего в черную дыру.

В первом случае приливные силы растягивают тело космонавта совершенно незаметным образом, их действия соответствуют давлению одной десятимиллиардной доле атмосферы.

При падении же в черную дыру эти силы огромны даже еще на ее границе. Оказывается, чем меньше масса и размер дыры, тем больше приливные силы на горизонте. Для дыры с массой в тысячу масс Солнца приливные силы соответствуют давлению ста атмосфер. Такие нагрузки человеческое тело уже выдержать не может. Для меньших черных дыр приливные силы на границе еще больше...

Следовательно, если черная дыра имеет массу меньше тысячи солнечных, то человек, приблизившись к ней, не может остаться в живых.

Разумеется, при падении космического корабля даже в очень большую черную дыру, на границе которой человеку не угрожает опасность быть разорванным приливны

ми силами, корабль в конце концов начнет неудержимо падать к сингулярности, а тогда неограниченно нарастающие приливные силы все равно рано или поздно разорвут любое тело. Таким образом, не желая кончать жизнь самоубийством, космонавт не станет по собственной инициативе проникать в черную дыру.

Мы рассмотрели столь ужасный мысленный эксперимент, чтобы показать суть основного явления, возникающего внутри черной дыры, ? безудержный рост приливных сил, заканчивающихся сингулярностью. Почему это так важно?

Дело в том, что в окрестности самой сингулярности огромные приливные силы приводят к изменению физических законов, установленных в условиях, далеких от столь экстремальных. Мы познакомимся с некоторыми из них во второй части книги. Сейчас только скажем, что в сингулярности пространство и время не только ?искривляются? сильнейшим образом, но и утрачивают, вероятно, свой непрерывный характер, распадаются на отдельные неделимые более промежутки ? кванты. Мы не будем детальнее останавливаться на этом, во-первых, потому, что читатель и так, наверное, устал от попыток представить себе столь необычные вещи, а, во-вторых, потому, что теоретики еще сами толком не знают точно, что там происходит. Это самый передний край гравитационной пауки.

Но уже то, что достоверно известно о ?внутренности? черной дыры, крайне интересно.

Эти знания ? плод большой и сложной работы многих теоретиков в разных странах мира.

Одна из самых больших трудностей состояла в том, чтобы выяснить, что происходит внутри черной дыры в реальном случае, а не в какой-то идеализированной ситуации. Чем отличается случай реальный от идеализированного? К идеализации теоретики прибегают для того, чтобы упростить уравнения, которые они решают. Например, предполагали, что сжимается идеально сферическая без малейший отклонений от шаровой формы звезда. Для такой идеализированной задачи уравнения неизмеримо проще, чем в общем случае. Их удалось решить и исследовать ?внутренность? возникающей сферической черной дыры. Но даже после получения решения потребовались десятилетия, чтобы физики окончательно осознали структуру этой ?внутренности?.

А в' действительности звезда никогда не может быть идеально сферической. В ходе сжатия отклонения от сферичности нарастают. Что будет в этом случае? Прямые методы решения уравнении здесь помочь не могли. Общих решений уравнений нет. Для получения ответа потребовалось настоящее математическое остроумие.

Когда знакомишься с подобного рода работами, всегда остается загадкой: как можно додуматься до столь необычного пути решения вопроса? Очень хорошо об этом сказал открыватель законов планетных движений И. Кеплер: ?Пути, которыми люди проникают в суть небесных явлений, представляются мне почти столь же удивительными, как и сами эти явления?.

Первый успех был достигнут английским теоретиком Р. Пенроузом. Он показал, что при сжатии реального неосферического тела внутри образовавшейся черной дыры неизбежно возникает сингулярность, то есть область с бесконечными приливными силами тяготения.

Но обязательно ли все тела, упавшие в реальную черную дыру, упадут и в сингулярность? Много теоретиков пыталось разобраться в этом. Мы начинали решать эту проблему вместе с А. Дорошкевичем в середине 70-х годов, затем работали над ней с молодым физиком А. Старобинским и американскими теоретиками. Теперь этот вопрос в основном исчерпан ? удалось доказать, что падение в сингулярность неизбежно.

будто бы личинка, пересекающая поверхность пруда и оказавшаяся по другую сторону привычного мира, превращается в удивительное существо с длинным стройным телом и сверкающими крыльями. Но, выйдя из воды, личинка превращается в стрекозу, которая, увы, не может проникнуть под поверхность пруда, сколько бы она ни пыталась и как бы долго ни парила над его зеркальной поверхностью. И в летописи, которую ведут личинки, нет ни одной строки о личинке, которая возвратилась бы и рассказала, что же происходит с теми, которые пересекали границу их мира. И сказка оканчивается жалобой:

"Неужели ни одна из нас, хотя бы из жалости к тем, кого мы бросили внизу, не вернется и не раскроет секрет??

НЕТ НИЧЕГО ПРОЩЕ И СЛОЖНЕЕ, ЧЕМ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

В предыдущих разделах мы в то же время показали,? что черные дыры являются в некотором смысле и очень простыми объектами. Их свойства никак не зависят от свойств сколлапсировавшего вещества, от всех сложностей строения вещества, его атомной структуры, находящихся в нем физических полей, не зависят от того, было ли вещество водородом или железом и т. д. При образовании черной дыры для внешнего наблюдателя все свойства сколлапсировавшего тела как бы исчезают, они не влияют ни на границу черной дыры, ни на что другое во внешнем пространстве, остается только гравитационное поле, характеризуемое лишь двумя параметрами ? массой и вращением (как мы уже говорили, присутствие глобального электрического заряда несвойственно небесным объектам). Этим определяются и форма черной дыры, и ее размеры, и все остальные ее свойства. Так что с полной определенностью можно сказать, что нет ничего проще черной дыры: человеческое тело, например, несравненно сложнее, ? его двумя числами, как черную дыру, не охарактеризуешь.

По поводу такой удивительной простоты черных дыр американский физик Кип Тори как-то воскликнул: ?Представьте себе, что мы могли бы судить о всех особенностях характера женщины только по ее весу и цвету волос!?

То, что знают астрономы об эволюции звезд, приводит к неизбежному выводу: черные дыры должны возникать в конце жизни массивных небесных тел. Как же протекает их эволюция и почему следует столь определенный вывод?

Вещество обычной звезды, подобной нашему Солнцу, находится под действием двух противоположных сил ? тяготения, стремящегося сжать звезду к центру, и давления раскаленных газов, стремящихся ее расширить. Их равенство обеспечивает устойчивое состояние звезды. Но горячая звезда непрерывно излучает энергию с поверхности, и если бы эта потеря не компенсировалась, то звезда потеряла бы свою тепловую энергию и стала бы сжиматься. Однако этого не происходит, ибо вблизи центра звезды, где температура достаточно велика, идут термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением огромной энергии. При этом ядерное ?горение? претерпевают сначала водород, гелий, а затем и более тяжелые элементы ? углерод, кислород и т. д. Термоядерные реакции и являются источником энергии звезд, которую они излучают в пространство.

С течением времени исчерпывается запас ядерного горючего в звезде. Продолжительность ядерного ?горения? ? этого активного периода жизни звезд ? определяется скоростью потери энергии на излучение и запаса

ми ядерного топлива. И то и другое зависит от массы звезды. Поэтому и продолжительность жизни звезды определяется ее массой. Звезды с массой, равной солнечной, живут около 10 миллиардов лет. Более массивные звезды живут меньше. Так, звезда массой 3 массы Солнца живет один миллиард лет, а звезда массой 10 масс Солнца всего 100 миллионов лет.

После превращения в белый карлик звезда остывает, практически не уменьшая своих размеров. Давление газа, препятствующее дальнейшему сжатию белого карлика, обеспечивается квантовыми силами, возникающими между достаточно тесно упакованными электронами плазмы, составляющей звезду. Это давление в условиях звезды никак не зависит от температуры ее вещества. Поэтому белый карлик может полностью остыть и превратиться в черный карлик, не изменив своего размера.

Долго искали астрономы нейтронные звезды, но безуспешно. И это вполне закономерно. Звезду радиусом 10 километров и с температурой миллион градусов мож-нэ увидеть только в самые крупные телескопы, если она к тому же достаточно близка к нам. Дело в том, что излучающая поверхность нейтронных звезд очень мала и ойи, как правило, испускают видимого света в миллион раз меньше нашего Солнца. Но если мы даже видим ней-гронную звезду, остается вопрос, как отличить ее от обычных слабых звезд.

Нейтронные звезды пытались обнаружить по воздействию их тяготения на близлежащие звезды. В тесной двойной системе заметить слабую нейтронную невозможно ? она тонет в ярком свете своей соседки. Однако нейтронные звезды имеют такую же массу, как и большинство других звезд. Астрономы стали искать в двойных системах звезды с нормальной массой, но очень низкой светимостью. Однако эти попытки не увенчались успехом.

Открыли нейтронные звезды совершенно случайно в 1967 году английские радиоастрономы спустя 33 года после их теоретического предсказания. Оказалось, что вблизи поверхности нейтронных звезд, которые обладают сильным магнитным полем, есть активные области, излучающие направленные потоки радиоволн. Такая активная область вращается вместе с поверхностью звезды, излучает пучок направленных радиоволн, как вращающийся прожектор. Этот пучок бежит по небу, и, когда попадает на Землю, мы наблюдаем вспышки радиоизлучения, которые происходят через равные промежутки времени, соответствующие периоду вращения звезды. Эти вспышки и зарегистрировали английские радиоастрономы.

Вспышки радиоизлучения пульсаров ? как назвали новые космические объекты ? следовали с очень коротким периодом (около одной секунды и меньше). Такой период вращения может быть лишь у звезды, поперечник которой не больше нескольких десятков километров. Действительно, столь же быстро вращающаяся звезда с диаметром 1000 километров (например, белый карлик) будет просто разорвана центробежными силами, и только

у маленькой нейтронной звезды столь быстрое вращение еще не превышает предела прочности. Так было доказано, что пульсары ? это нейтронные звезды.

Пульсар ? конечный этап активной жизни звезды не слишком большой массы, меньше примерно двух масс Солнца.

Но в реальной Вселенной звезду окружает межзвездный газ. Он попадает на звезду, разогревается при ударе о ее поверхность и испускает рентгеновские лучи. Если нейтронная звезда входит в двойную звездную систему и из атмосферы второй (нормальной) звезды истекает газ, то он может попадать в поле тяготения нейтронной звезды. В этом случае поток газа и интенсивность рентгеновского излучения становятся особенно велики. Такие ?рештеновские пульсары? также обнаружены в двойных системах.

Итак, существование нейтронных звезд убедительно доказано. Но расчеты показывают, что если звезда после исчерпания ядерного горючего, сжатия и возможных процессов сбрасывания внешних оболочек имеет массу, все еще превышающую критический предел, равный примерно двум солнечным массам, то даже действие огромных сил давления сверхплотного ядерного вещества все же не сможет остановить процесс сжатия, и превращение ее в черную дыру в конце эволюции становится неизбежным.

Правда, иногда высказывалась мысль, что, может быть, массивные звезды в конце эволюции выбрасывают в пространство большую часть своей массы, а остаток, обладающий массой меньше критической, превращается в белый карлик или нейтронную звезду. Но такой путь эволюции большинству ученых представляется крайне искусственным и маловероятным. Поэтому мы приходим к заключению, что черные дыры неизбежно должны возникать на поздних стадиях эволюции массивных звезд.

Столь странные объекты нарушали привычную для астрономов картину Вселенной. По поводу черных дыр большинство астрономов вообще с сомнением покачивали головами. Даже общепринятого названия для этих объектов не было. Среди тех, кто не верил в возможность существования черных дыр, был астроном англичанин А. Эд-дингтон (1882?1944). Путь его в астрономию классический. Он начинал как астроном-наблюдатель в Гринвичской обсерватории, много занимался вопросами статистики звездных движений. В 1914 году стал директором обсерватории Кембриджского университета, и все его научные интересы сосредоточились на вопросах астрофизики, которая как раз в это время формировалась как самостоятельная наука.

Заслуги его в астрофизике трудно переоценить. Он первым понял основные процессы, которые определяют внутреннее строение звезд, выдвинул важнейшую идею о том, что энергия из глубоких недр звезды к поверхности переносится в основном путем медленного ?просачивания? света сквозь непрозрачный газ, а не конвекцией, подобно кипящей воде в кастрюле на плитке. Еще в 1916 году, когда о ядерных реакциях не было и понятия, он показал, что источником энергии в звездах не может быть их постепенное сжатие с нагреванием, как тогда думали, а должны быть какие-то глубинные превращения материи, которые А. Эддингтон называл субатомными. Он занимался изучением пульсации звезд, строени-ем их атмосфер и многими другими проблемами астрофизики.

А. Эддингтон одним из первых понял глубину и новизну общей теории относительности. Он руководил экспедицией, которая в 1919 году во время полного солнечного затмения впервые измерила отклонение лучей света в поле тяготения Солнца в полном согласии с предсказанием теории Эйнштейна. Его научные заслуги были общепри-знаны: он был президентом Лондонского королевского астрономического общества, президентом Лондонского физического общества, президентом Международного астрономического союза, членом многих академий, в том числе и иностранным членом-корреспондентом АН СССР.

И вот этот человек не мог свыкнуться с мыслью о том, что достаточно массивная звезда должна в конце концов потерять устойчивость и испытать катастрофическое сжатие. Как пишет С. Чандрасекхар, А. Эддингтон считал невозможным коллапс звезды, в ходе которого ?гравитация станет такой сильной, что удушит излучение?, то есть возникнет черная дыра.

По мнению С. Чандрасекхара, резко отрицательная позиция столь авторитетного астронома задержала развитие релятивистской астрофизики на десятки лет. В чем здесь дело? Почему передовой и чуткий ко всему новому ученый не понял и не оценил столь важной идеи?

Наверное, прав советский астрофизик И. Шкловский, сказавший, что А. Эддингтон слишком любил звезды, которым он отдал всю свою жизнь (жизнь одинокого человека, респектабельного старого холостяка). Он построил теорию равновесия и устойчивости звезд, а тут такая катастрофа ? коллапс... Этого не может быть, утверждал А. Эддингтон. Природа должна была ?изобрести? какое-нибудь средство, предохраняющее космическую материю от такого жалкого конца! И. Шкловский справедливо заключает: ?Не зря говорится, что наши недостатки есть продолжение наших достоинств?.

Даже в гораздо более позднее время, в конце 50-х годов, когда я учился в Московском университете на астрономическом отделении, никто из наших профессоров ни разу не сказал нам, во что превращаются массивные звезды после своей смерти. Может быть, какую-то роль здесь играло само понятие смерти, о которой не очень-то хочется и не принято обычно говорить. Вот и смерть звезд была своего рода ?запретной темой для обсуждения в приличном обществе?.

К тому же и экзотика черных дыр, и сложность понятий общей теории относительности, не бывшей в чести у старшего поколения астрономов, играли свою роль.

Однако в 60-е годы ряд открытий заставил астрономов изменить свой взгляд на многие процессы во Вселенной. Были открыты активные ядра галактик и квазары, излучавшие энергию более мощно, чем тысячи миллиардов звезд, было обнаружено реликтовое радиоизлучение, оставшееся во Вселенной от первых мгновений начала ее расширения. После всего этого нейтронные звезды и черные дыры перестали казаться столь уж экзотическими объектами. И наконец, в 1967 году, как мы уже писали выше, были открыты нейтронные звезды ? пульсары. Наступила очередь черных дыр. Но как их обнаружить? Ведь они не светят и не отражают свет?!

Черная дыра должна отклонять проходящие мимо нее лучи света. Но чтобы этот эффект был достаточно заметен, взаимное расположение источника света (какой-либо еще более далекой звезды), черной дыры и наблюдателя должно быть подобрано столь специальным образом, что о случайной реализации этого события нечего и думать.

Остается использовать тот факт, что черные дыры обладают массами, равными массам больших звезд, а сами совсем не светят. Именно так подошли к поискам черных дыр в 1964 году советские астрофизики О. Гусейнов и Я. Зельдович. Они предложили искать черные дыры в составе двойных звездных систем, предположив, что есть системы, где одна звезда нормальная и светится, а другая представляет собой черную дыру. Оба объекта должны обращаться вокруг общего центра масс. Но черная дыра невидима, так что видимая компонента будет обращаться нак бы вокруг ?ничего?.

Советские астрофизики предложили искать потухшие звезды в таких спектрально-двойных системах, в которых масса невидимого спутника, вычисленная по наблюдаемому движению видимой звезды, оказалась больше массы видимой соседки. Это означало бы, что спутник-невидимка является не обычной, а потухшей звездой. Ибо если бы спутник был обычной звездой, то, превосходя по массе свою соседку, он и светил бы ярче ее, и не мог бы быть невидим.

Однако потухшая звезда может быть и белым карликом, и нейтронной звездой. Поэтому, чтобы из обнаруженных потухших звезд выделить именно черные дыры, надо было еще доказать, что масса невидимого спутника больше критической массы (две массы Солнца). Как мы уже знаем, масса белого карлика не может превышать 1,2 массы Солнца, а масса нейтронной звезды ? 2 массы Солнца. Значит, если масса потухшей звезды больше критического значения и составляет, скажем, 5 солнечных масс, то это может быть только черная дыра.

Следуя этим указаниям, у нас в стране, а затем в США были предприняты поиски черных дыр в спектрально-двойных системах. Но эти попытки не привели к успеху. Во всех подозригельных спектрально-двойных системах удалось объяснить невидимость спутника естественным путем, не прибегая к черным дырам. Предложенный способ поиска оказался слишком трудным, так как ?черноте?, обнаруженной окольным путем, почти всегда можно придумать объяснение, почему она черна. Да и вообще, ?невидимость? служит плохим доказательством существования чего-либо. Это звучит, подобно старой шутке о названии диссертации: ?Отсутствие телеграфных столбов и проводов в археологических раскопках как доказательство наличия радиосвязи у древних народов?.

Выяснилось к тому же, что указанный способ и в принципе вряд ли мог привести к успеху. Причина этого была связана с особым характером эволюции звезд в тесных двойных системах. Оказывается, в ходе эволюции газ должен перетекать с одной звезды на другую, и в результате первоначально более массивная звезда, заканчивая свою эволюцию и превращаясь в черную дыру, передает часть массы менее массивной. В конце концов оказывается, что видимая звезда обладает массой, боль

шей, чем масса первоначально возникшей черной дыры. У такой двойной системы нельзя определить, почему спутник невидим, ? то ли он нормальная звезда, но светится слабее соседки (так как его масса меньше), то ли он ? потухшая звезда и может быть черной дырой.

Необходимо было найти такие физические явления, в которых черная дыра проявляла бы себя активно и однозначно. И такое явление было найдено ? это падение газа в поле тяготения черной дыры.

В межзвездном пространстве имеются обширные газовые туманности. Если черная дыра находится в такой туманности, газ будет падать в ее поле тяготения. В падающем газе, кроме того, имеется магнитное поле, а в ходе падения развиваются турбулентные движения. Энергия магнитного поля газа в ходе падения должна переходить в тепло. ?Нагретые? электроны, двигаясь в магнитных полях, излучают электромагнитные волны. Вблизи горизонта черной дыры вступают в игру эффекты общей теории относительности. Часть излучения захватывается черной дырой. Основная доля излучения, видимая далеким наблюдателем, уходит с расстояния в несколько гравитационных градусов. Так, еще на подлете к черной дыре, до того как провалиться в нее, нагретый газ излучает энергию в окружающее пространство. Может быть, это излучение достаточно для обнаружения черной дыры с большого расстояния?

Общее количество излучения (или, как говорят астрофизики, светимость) зависит от количества падающего газа. В типичных для межзвездной среды условиях светимость газа, падающего на черную дыру, того же порядка, что и светимость нормальных, не очень ярких звезд. Это значит, что найти таким способом черные дыры очень трудно. Они затеряны среди огромного количества слабых ввезд Галактики. Правда, в падающем на черную дыру газе турбулентные движения приводят к быстрым колебаниям яркости с продолжительностью вспышек от сотых до десятитысячных долей секунды.

В 1966 году был предложен еще один способ поиска черных дыр. Чтобы его разъяснить, ответим сначала на вопрос ? почему светимость газа, падающего в черную дыру, относительно невелика?

Дело в том, что в межзвездном пространстве мала плотность газа, и, следовательно, его мало падает на черную дыру. А могут ли осуществляться в Галактике условия, когда газа падает гораздо больше?

? Следовательно, черные дыры следует искать как рентгеновские источники в составе тесных двойных звездных систем, где они могут быть наряду с нейтронными звездами. Такое предсказание было сделано академиком Я. Зельдовичем и мной в 1966 году, вскоре после открытия первых рентгеновских источников И. Шкловский, сделавший такое же предсказание в 1967 году, построил подробную астрофизическую картину процессов, которые должны происходить в источниках рентгеновских лучей в двойных звездных системах.

Для поиска рентгеновских источников на небе необходим вынос рентгеновских телескопов за пределы атмо

сферы, а для длительных наблюдений они должны быть установлены на искусственных спутниках (полет ракеты ведь очень непродолжителен). С помощью такого телескопа, установленного на спутнике ?Ухуру?, были открыты в 1972 году рентгеновские источники в составе нескольких двойных звездных систем. Они-то и были подвергнуты подробному изучению, в частности, с помощью аппаратуры, установленной на советских спутниках и пилотирующих космических кораблях.

Таким образом, черные дыры должны находиться среди рентгеновских источников в двойных системах, не являющихся пульсарами. Отметим прежде всего, что эти источники не могут быть обычными звездами. Ведь для того чтобы газ нагрелся до температуры, достаточной для испускания рентгеновских лучей, гравитационное поле, в котором он движется, должно быть очень велико. Такими полями обладают только компактные (сжавшиеся) ?умершие? звезды: белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. Но как выделить именно черные дыры среди ?умерших? звезд?

Нормальная видимая звезда в этой двойной системе является массивной звездой с массой около 20 солнечных масс. ?Умершая? звезда, из окрестностей которой идет рентгеновское излучение, имеет массу около 10 солнечных масс. Это намного больше критического значения. Многочисленные новые исследования делают этот результат все более надежным. Мы можем поэтому с большой степенью достоверности сказать, что в системе, в которую входит источник Лебедь Х-1, вероятно, открыта первая черная дыра во Вселенной.

Рассмотрим несколько подробнее процессы, происходящие в этой системе. Компоненты двойной звезды обращаются вокруг центра масс с периодом 5,6 суток. Черная дыра массой около 10 солнечных масс притягивает к себе газ из атмосферы ?нормальной? звезды-гиганта массой около 20 масс Солнца. Этот газ закручивается орбитальным движением, а центробежные и гравитационные силы сплющивают его в диск.

Струи газа из-за трения соседних слоев движутся вокруг черной дыры по сходящейся к центру спирали. Однако скорость движения к центру намного меньше, чем скорость движения по орбите. Только через месяц газ достигает внутреннего, ближайшего к черной дыре края диска. Здесь, как мы знаем, орбитальное движение становится неустойчивым, и газ сваливается в черную

дыру.

Еще одним важным доказательством того, что рентгеновское излучение в источнике Лебедь Х-1 рождается

в очень малой области вблизи черной дыры, являются чрезвычайно быстрые хаотические колебания рентгеновского излучения, происходящие за тысячные доли секунды. Если бы излучающий объект был больше, он бы не мог столь быстро изменять свою яркость.

Таков этот удивительный источник рентгеновских лучей, находящийся от нас на расстоянии около 6 тысяч световых лет.

Со времени открытия источника Лебедь Х-1 прошло больше десяти лет. Он тщательно изучен. Почему же мы столь осторожно говорим о ?вероятном? открытии черной дыры?

Предоставим слово американским специалистам Р. Блендфорду и К. Торну. ?В обычной ситуации астрономы уверенно приняли бы этот результат, ? говорят они, ? но, поскольку в данном случае решается судьба первого открытия человеком черной дыры и поскольку твердые заключения иногда разрушаются своевременно не замеченными систематическими ошибками, астрономы проявляют осмотрительность. Пока не будет найдено дополнительное, независимое подтверждающее доказательство ? доказательство скорее положительное, чем отрицательное, типа ?чем же еще это может быть?? ? они не хотят делать вывод, что Лебедь Х-1 ? действительно черная дыра?.

За прошедшие годы открыто еще два-три источника, подобных Лебедю Х-1 и являющихся кандидатами в черные дыры. Но пока лишь кандидатами...

Сколько всего черных дыр в нашей Галактике? И есть ли опасность встречи с одной из них и падения в эту

бездну?

Точно ответить на первый вопрос трудно, так как неизвестно, какая часть массивных звезд в конце жизни полностью разрушается в термоядерном взрыве в ходе коллапса, а в какой части их все же остается достаточно массивное ядро, сжимающееся в черную дыру. Большинство астрономов считают, что черных дыр в Галактике должно быть многие миллионы, если не миллиарды.

Что же касается второго вопроса, то читатель, наверное, сам уже ответил на него ? опасности случайного столкновения с умершей массивной звездой нет никакой. Ведь звезды столь далеко находятся друг от друга в пространстве, что вероятность их столкновения совершенно пренебрежима. Тем более ничтожна вероятность столквовевия с чдрной дырой, которая гораздо меньше по размеру звезды. К тому же в черные дыры превратилась только очень малая часть всех звезд в Галактике.

ГИГАНТСКИЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

До сих пор мы говорили о возникновении во Вселенной черных дыр звездного происхождения. Астрономы имеют все основания предполагать, что, помимо звездных черных дыр, есть еще другие дыры, имеющие совсем иную историю.

Как читатель уже знает, в начале 60-х годов нашего века были открыты необыкновенные небесные тела ? квазары. Эти объекты находятся далеко за пределами нашей Галактики. Они необычайно мощно излучают энергию, их светимость иногда в сотни раз превышает светимость больших галактик. Уже само по себе это крайне интересно. Но астрономы были, буквально поражены, когда им удалось установить, что основная энергия в ква-заре излучается из области размером меньше одного светового года!

Для сравнения напомним, что поперечник Галактики ? сто тысяч световых лет.

Как же удалось установить размеры квазаров? Ведь все они так далеки, что в любой телескоп выглядят как звездочки и непосредственно определить их размеры невозможно.

от переднего края мы видели бы яркий свет, а от дальнего слабее, так как он вышел более чем на год раньше, когда интенсивность квазара еще была слаба. Этот слабый свет смешивается в наших приборах с ярким от переднего края (а порознь их увидеть нельзя!), изменение

яркости всего квазара смазывается, оно не резкое, поскольку растягивается во времени.

Значит, несмотря на то, что квазар удивительно маленький ? всего лишь в тысячу раз больше, чем Солнечная система, ? светит он как десять тысяч миллиардов Солнц! Такого не может быть ? единодушно заключили астрономы (я помню эту фразу, сказанную с трибуны семинара одним известным московским астрономом, когда все ломали голову над загадкой квазаров). Но как ?не может быть?, когда этот ?диковинный зверь? был прямо перед глазами астрономов.

Последовал целый каскад гипотез, большей частью экзотических. Известные астрофизики Джефри и Маргарет Бербидж писали тогда: ?Существует так много противоречивых идей относительно теории и интерпретации наблюдений (квазаров), что по крайней мере 95 процентов из них неверны?.

Сегодня единственным кандидатом, имеющим основание претендовать на роль ?основного двигателя? в кваза-рах, осталась гигантская черная дыра с массой в сотни миллионов солнечных масс. Размер такой дыры ? миллиард километров.

В течение прошедших десятилетий выяснилось, что квазары ? это необычно активные излучающие ядра больших галактик. Часто в них наблюдаются мощные движения газов. Сами звезды галактики вокруг таких ядер обычно не видны из-за огромного расстояния и сравнительно слабого их свечения по сравнению со свечением квазара. Выяснилось также, что ядра многих галактик напоминают своего рода маленькие квазарчики и проявляют иногда бурную активность ? выброс газа, изменение яркости и т. д., ? хотя и не такую мощную, как настоящие квазары. Даже в ядрах совсем обычных галактик, включая нашу собственную, наблюдаются процессы, свидетельствующие о том, что и здесь ?работает? маленькое подобие квазара.

Падение газа в сверхмассивную черную дыру должно сопровождаться явлениями, подобными тем, о которых мы говорили в случае звездных черных дыр. Только процессы эти несравненно более мощные. Кроме того, здесь должно происходить ускорение заряженных частиц в переменных магнитных полях, которые приносятся к черной дыре вместе с падающим газом.

Бум, связанный с черными дырами, начался в астрономии в конце 50-х ? начале 60-х годов. Проходили годы, многое прояснялось в этой загадке. Стала ясна неизбежность рождения черных дыр после смерти массивных звезд; открыли квазары, в центре которых, вероятно, находятся сверхмассивные черные дыры. Наконец, в рентгеновском источнике в созвездии Лебедя обнаружили первую черную дыру звездного происхождения. Физики-теоретики разобрались с диковинными свойствами самих черных дыр, постепенно привыкли к этим гравитационным пропастям, могущим только заглатывать вещество, увеличиваясь в размере, и, казалось бы, обреченным на вечное существование.

Ничто не предвещало нового грандиозного открытия. Но такое открытие, изумившее видавших виды знатоков, грянуло как гром среди ясного неба.

Оказалось, что черные дыры вовсе не вечны! Они могут исчезнуть в результате квантовых процессов, идущих в сильных гравитационных полях. Нам придется начать рассказ несколько издалека, чтобы сделать более понятным суть этого открытия.

Лишь на короткий миг в каждой точке пустого пространства появляется пара ? частица и античастица и тут же снова сливаются, исчезают, возвращаясь в свое ?эмбриональное? состояние. Разумеется, наш упрощенный язык дает только некоторые образ тех квантовых процессов, которые происходят. Наличие моря виртуальных частиц-античастиц давно установлено прямыми физическими экспериментами. Не будем говорить здесь об этом, иначе мы бы неизбежно слишком отклонились от основной линии рассказа.

Чтобы избежать невольных каламбуров, физики называют пустоту вакуумом. Будем так делать и мы.

Достаточно сильное или переменное поле (например, электромагнитное) может вызвать превращение виртуальных частиц вакуума в реальные частицы и античастицы.

Интерес к подобным процессам теоретики и экспериментаторы проявляли давно. Рассмотрим процесс рождения реальных частиц переменным полем. Именно такой процесс важен в случае гравитационного поля. Известно, что квантовые процессы необычны, часто непривычны для рассуждений с точки зрения ?здравого смысла?. Поэтому, прежде чем говорить о рождении частиц переменным гравитационным полем, приведем простой пример из механики. Он сделает понятнее дальнейшее.

Представьте себе маятник. Его подвес перекинут через блок, подтягивая веревку или опуская ее, можно менять длину подвеса. Толкнем маятник. Он начнет колебаться. Период колебаний зависит только от длины подвеса: чем длиннее подвес, тем больше период колебаний. Теперь будем очень медленно подтягивать веревку. Длина маятника уменьшится, уменьшится и период, но увеличится размах (амплитуда) колебаний. Медленно вернем веревку в прежнее положение. Период вернется к прежнему значению, прежней станет и амплитуда колебаний. Если пренебречь затуханием колебаний вследствие

трения, то энергия, заключенная в колебаниях, в конечном состоянии останется прежней ? такой, как была до всего цикла изменения длины маятника. Но можно так изменять длину маятника, что после возвращения к исходной длине амплитуда его колебаний будет меняться. Для этого надо подергивать веревку с частотой вдвое больше частоты маятника. Так мы поступаем, раскачиваясь на качелях. Мы опускаем и поджимаем ноги в такт нашим качаниям, и размах качелей все увеличивается. Конечно, можно и остановить качели, если подгибать ноги не в такт колебаниям, а в ?противотакт?.

Пусть теперь в нашей полости ? резонаторе имеются волны всевозможных частот. Как бы мы ни двигали поршень, всегда найдется волна, для которой движение поршня происходит в такт. Амплитуда и интенсивность этой волны возрастут. Но чем больше интенсивность волны, тем больше она содержит фотонов-квантов электромагнитного поля. Итак, движение поршня, изменяя размер резонатора, ведет к рождению новых фотонов.

Еще один пример: очень сильное электрическое поле вызывает рождение из вакуума пар заряженных частиц ? электронов и позитронов.

Вернемся из нашего краткого экскурса в физику пустоты к черным дырам. Могут ли рождаться частицы из вакуума в окрестностях черных дыр?

Да, могут. Это было известно давно, и в этом не было ничего сенсационного. Так, при сжатии электрически заряженного тела и превращении его в заряженную черную дыру электрическое поле возрастает настолько, что рождает электроны и позитроны. Подобные процессы изучали академик М. Марков и его ученики. Но такое рождение частиц возможно и без черной дыры, надо лишь любым способом увеличить электрическое поле до достаточной величины. Ничего специфического для черной дыры здесь нет.

Академик Я. Зельдович показал, что рождаются частицы и в эргосфере вращающейся черной дыры, отнимая от нее энергию вращения. Такое явление подобно процессу, открытому Р. Пенроузом, о котором мы говорили в главе 3.

Все эти процессы вызываются полями вокруг черной дыры и приводят к изменению этих полей, но они не уменьшают саму черную дыру, не уменьшают размеры области, откуда не выходит свет и любое другое излучение и частицы.

ОТКРЫТИЕ ХОУКИНГА

Сенсационное открытие было сделано в 1974 году английским теоретиком С. Хоукингом. В учебнике по гравитации американских физиков Ч. Мизнера, К. Торна и Дж. Уилера, вышедшем еще до упомянутого открытия, о работах С. Хоукинга сказано, что в них ?проявляется не только огромная интуиция, глубина и разносторонность, но также и дар необыкновенной решимости в преодолении тяжелейших физических трудностей, в стремлении найти и понять истину?. С. Хоукинг показал, что существует квантовый процесс рождения частиц самой черной дырой, ее гравитационным полем, приводящий к уменьшению массы и размера черной дыры.

На первый взгляд это кажется удивительным. Ведь при образовании черной дыры все процессы на сжимающейся звезде быстро замедляются, ?застывают? для внешнего наблюдателя, гравитационное поле везде становится неизменным во времени. А такое поле рождать частицы не может. Следовательно, если во время формирования черной дыры переменное поле произведет какое-то (очень малое) количество частиц, поток этих частиц от возникающей черной дыры, как и все процессы, будет очень быстро затухать по мере приближения поверхности звезды к гравитационному радиусу. С. Хоукинг же утверждает, что это не так, поток не затухнет совсем, а будет продолжаться и после образования черной дыры. В чем же здесь дело?

Дело в том, что внутри черной дыры поле вовсе не застыло. Там неизменность во времени невозможна, все внутри дыры обязано двигаться, падать к центру. С этим обстоятельством и связан удивительный процесс, открытый С. Хоукингом. Мы помним, что в обычных условиях в вакууме виртуальные частицы на миг образуют пару частица ? античастица, которые тут же сливаются. В поле тяготения черной дыры одна из возникших таким образом частиц может оказаться под горизонтом и будет неудержимо падать к центру, а другая останется снаружи. Теперь уже эта пара не сможет слиться ни через миг, никогда вообще. Частица, оказавшаяся снаружи, улетит в космос, унося с собой часть энергии черной дыры, а значит, и часть ее массы

Таким образом, возникает квантовое излучение частиц черной дырой. Правда, этот процесс обычно крайне ничтожен. Согласно расчетам С. Хоукинга черная дыра излучает как обычное нагретое тело, но нагретое до очень небольшой температуры. Так, излучение черной дыры с массой в одну солнечную массу соответствует температуре одна десятимиллионная градуса. Это, конечно, ничтожное излучение. Длина волны возникающих фотонов соответствует размерам черной дыры в 10 километров. Потеря энергии на такое излучение полностью пренебре-жима.

В реальных условиях сегодняшней Вселенной падение в такую черную дыру даже отдельных атомов газа из межзвездного пространства и ничтожных потоков света, пронизывающих Вселенную, гораздо больше, чем потери на излучение. Значит, черные дыры не только не уменьшаются в размерах, но растут. Чем больше черная дыра, тем меньше температура ее излучения. Поэтому кванто-

Прочитав предыдущие абзацы, читатель может удивленно пожать плечами: ?Столь мизерное явление? Почему же оно вызвало такую бурю удивления и восторгов среди физиков??

Прежде всего потому, что до открытия С. Хоукинга физики были уверены ? статическое поле тяготения вне черной дыры никак не может рождать частицы. Переменное же поле за горизонтом внутри дыры ?невидимо?, ?неосязаемо? для внешнего наблюдателя, и о нем, казалось, можно забыть. Но квантовые процессы как раз в характерны тем, что частица может оказаться там, где, с точки зрения классической физики, ее никак быть не должно. Например, частица может ?просочиться? сквозь энергетический барьер, когда у нее не хватает энергии на его преодоление. С. Хоукинг показал, что такое свойство квантовых частиц в случае черных дыр ведет к качественно новому эффекту ? квантовому испарению черных дыр Предоставленные сами себе, без внешних воздействий, они медленно исчезают, превращаются в тепловое излучение, медленно затягиваются в пространстве и времени. Принципиальная важность открытия С Хоукинга состоит именно в том, что опровергнуто представление о вечности черных дыр.

Но это еще не все. Чем меньше дыра, тем большей температуре соответствует ее излучение.

Конечно, произойти это может очень не скоро. Расчеты показывают, что если отсутствуют внешние воздействия,

Но, вероятно, эти процессы могут играть важную роль в далеком будущем Вселенной. Об этом мы поговорим в следующей части книги.

Вернемся от последних мгновений жизни черной дыры несколько назад, к ее нормальному состоянию и посмотрим, какие частицы при этом излучаются.

Черная дыра рождает не только фотоны, но и другие частицы. Сравнительно большие черные дыры с массой в несколько солнечных обладают столь низкой температурой, что могут производить только безмассовые частицы.

Много еще неясного в новом явлении. Например, неизвестно, испаряется ли черпая дыра совсем без остатка

Мы заканчиваем рассказ о дырах в пространстве и времени. Меньше столетия назад люди не только понятия не имели о том, что это такое, но даже не смогли бы вообразить их себе, если бы какой-нибудь фантастический путешественник во времени прибыл к ним из нашей эпохи и попытался рассказать о подобных чудесах природы.

Надеемся, что наш рассказ хоть отчасти объяснил необычную популярность темы о черных дырах. И эту часть дилогии мы заканчиваем стихами поэта, выражающими ощущение человека, столкнувшегося с одной из величайших загадок природы, с тем огромным новы? миром, который возникает после смерти звезд:

ГЛАВА 1. ВСЕЛЕННАЯ ПОСЛЕ ВЗРЫВА МИР, В КОТОРОМ МЫ ЖИВЕМ

Подавляющая часть звезд Галактики заполняет объем, напоминающий линзу, поперечником в 100 тысяч световых лет и толщиной 12 тысяч световых лет. Вспомним, что световой год ? это расстояние, проходимое светом за год, равное 10¹³ километрам. В межзвездном пространстве находятся разреженный газ и пыль, собранные в большие облака. Общая их масса составляет только 5 процентов от общей массы звезд. Помимо этого ?основного тела? Галактики, в ней имеется еще одна составляющая сферической формы радиусом около 5?10 тысяч световых лет. В эту сферическую систему входят звезды, как правило, менее яркие и более старые, чем в сплюснутой системе.

Оказалось, что это распределение крайне неравномерное. Большая часть их входит в состав скоплений. Скопления галактик столь же разнообразны по своим свойствам, как и сами галактики. Чтобы навести в их описании хоть какой-нибудь порядок, астрономы придумали несколько их классификаций. Как всегда в подобных случаях, ни одна классификация не может считаться полной. Для наших целей достаточно сказать, что скопления можно разделить на два типа ? правильные и неправильные.

Правильные скопления часто огромны по своей массе. Они обладают сферической формой и в них входят десятки тысяч галактик. Как правило, все эти галактики эллиптические или линзообразные. В центре находятся одна или две гигантские эллиптические галактики. Ближайшее к нам правильное скопление находится в направлении созвездия Волосы Вероники на расстоянии около трехсот миллионов световых лет и имеет в поперечнике более десяти миллионов световых лет. Галактики в этом скоплении движутся друг относительно друга со скоростями около тысячи километров в секунду.

К решению загадки однородности мы еще вернемся, а пока обратимся к вопросу, который, наверно, возник у читателя. Как удается измерить столь огромные расстояния до галактик и их систем, уверенно говорить об их массах, о скоростях движения галактик?

?МЕРНЫЕ МАСШТАБЫ? И ДРУГИЕ ИНСТРУМЕНТЫ АСТРОНОМОВ

Первая серьезная ступенька была преодолена еще в середине прошлого века. Расстояния до трех близких к нам звезд были измерены практически одновременно в России, Германии и Африке. Суть метода этих измерений в принципе такая же, как и в измерении расстояний на Земле с помощью дальномера. Дальномеры теперь встроены даже в фотоаппараты и поэтому знакомы каждому. Принцип работы такого прибора состоит в том, что направление на рассматриваемый предмет несколько различно для разных окошечек дальномера. Если известно

Пусть мы наблюдаем, скажем, эллиптическую галактику. В ней звезды движутся с определенными скоростями друг относительно друга. Если бы не было сил тяготения, они бы разлетелись в пространстве. Силы тяготения, обусловленные общей массой всей галактики, удерживают их от разбегания. Измерив относительные скорости звезд в галактике (это можно сделать методом Доплера) и зная размер галактики, можно вычислить силы ' тяготения, а значит, и массу, их создающую. Так определяют массы галактик.

Эта идея была совершенно новой, крайне необычной. Разные схемы строения Вселенной господствовали в науке, сменяя друг друга на протяжении веков. Но все (или почти все) эти схемы объединяло одно ? это были именно схемы строения ? не развития, эволюции, становления, а вечно неизменный ?механизм часов Вселенной?. Идея стационарности всей Вселенной казалась само собой разумеющейся. Во Вселенной могли происходить сложнейшие процессы, но от чего, от какого состояния и куда должна развираться вся Вселенная?

Мысль об эволюции всей Вселенной, представлялась нелепой, и эта мысль с большим трудом овладевала сознанием даже крупных ученых. В качестве примера можно привести самого А. Эйнштейна. Творец теории относительности понимал, сколь важна его теория для космологии. Сразу после создания общей теории относительности он стал выяснять, имеются ли у уравнений теории, примененных ко всей Вселенной, статические решения, то есть решения, описывающие состояние, не меняющееся со временем. А. Эйнштейну казалось очевидным, что надо строить именно статическую, а не эволюционирующую модель Вселенной. Но уравнения общей теории относительности в применении ко Вселенной не давали статических решений. Идея статического мира казалась настолько привлекательной, что А. Эйнштейн не поверил своим уравнениям и пытался даже их изменить, чтобы они давали стационарное решение. Мы дальше поговорим еще об этой его попытке.

По-видимому, это происходило потому, что она основывалась на видимой стационарности, неизменности астрономических тел и систем, будь то Солнечная система, звезды, звездные скопления или галактики. Вольно или невольно наблюдаемое постоянство астрономических явлений во всех известных человечеству масштабах распространялось на всю Вселенную. Очень четко об этом сказано еще у Аристотеля в его сочинении ?О небе?: ?В продолжение всего прошедшего времени, согласно летописям, завещаемым потомкам от поколения к поколению, мы не находим следа изменений ни во всем удаленном небе в целом, ни в одной из подходящих частей неба?.

Но вернемся к началу нашего века. Первая работа А. Фридмана, доказывающая, что Вселенная должна эволюционировать, была получена редакцией немецкого ?Физического журнала? в конце июня 1922 года. А. Эйнштейн был настолько убежден в необходимости статического решения уравнений, описывающих состояние Вселенной, что посчитал работу А. Фридмана ошибочной. В середине сентября 1922 года редакция того же журнала получила краткую заметку А. Эйнштейна. В ней он, по выражению академика В. Фока, ?несколько свысока говорит, что результаты Фридмана показались ему подозрительными и что он нашел в них ошибку, по исправлении которой решение Фридмана приводится к стационарному?.

В предыдущей заметке я подверг критике названную выше работу. Однако моя критика, как я убедился из письма Фридмана, сообщенного мне г-ном Прутковым, основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет. Оказывается, что уравнения поля допускают наряду со статическим также и динамические (т. е. переменные относительно времени) центрально-симметричные решения для структуры пространства?. А. Эйнштейн в дальнейшем всегда подчеркивал важность работ А. Фридмана в создании современной космологии. В 1931 году он писал: ?Первым... на этот путь вступил Фридман?.

ОТКРЫТИЕ РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Далекие звездные системы ?? галактики и их скопления ? являются наибольшими известными астрономам структурными единицами Вселенной. Они наблюдаются с огромных расстояний и именно изучение их движений послужило наблюдательной основой исследования кинематики Вселенной.

Пионером измерения лучевых скоростей у галактик был в начале нашего века американский астрофизик R. Слайфер. В то время еще не были известны расстояния до галактик и велись ожесточенные споры, находятся ли они внутри нашей звездной системы ? Галактики ? или далеко за ее пределами. В. Слайфер обнару

Можно представить себе еще одну модель для пояснения сказанного. Возьмем однородный шар и затем увеличим его размеры, скажем, вдвое, так, чтобы шар оставался по-прежнему однородным. Ясно, что при этом расстояния между любыми парами точек внутри шара тоже увеличатся вдвое, как бы мы эти точки ни выбирали внутри шара. Значит, при раздувании шара, где бы наблюдатель ни находился внутри его, он будет видеть одинаковую картину удаления от него всех точек внутри шара. Если взять шар неограниченно большого размера, то мы и получим картину, описанную выше, не зависящую от положения наблюдателя.

Представим себе гостиницу с бесконечным числом номеров, ?перенумерованных? по порядку:

1, 2, З...

Не успели все гости разойтись по отведенным им номерам, как в гостиницу вваливается толпа. На этот раз вновь прибывших бесконечно много, и мы обозначим их A1, А2, А3... ?Свободных мест нет?, ? говорит портье. ?Ничего страшного, ? все так же спокоен управляющий. ? Переселим гостя из номера 1 в номер 2, гостя из номера 2 ? в номер 4, гостя из номера 3 ? в номер 6 и вообще каждого гостя из последующего номера попросим переехать в номер с вдвое большим числом. Тогда гостей A1, А2, А3... мы сможем поселить в номерах 1, 3, 5,...?.

2, 4, 6, 8, ... 1, 2, 3, 4, ...

Каждому четному числу соответствует один номер гостя и наоборот. Значит, число четных чисел равно числу всех чисел натурального ряда. На первый взгляд это противоречит нашей интуиции. Ведь четные числа составляют лишь половину всех чисел. Это действительно так для любой конечной совокупности чисел. Но когда мы переходим к бесконечности, все меняется и часть может равняться целому, в чем мы наглядно убедились, сравнивая написанные выше два ряда.

во второй строчке бесконечную дробь для точки, получившей второй номер и т. д. Наша таблица может выглядеть, например, так

0,32869700833....

.........

Для того чтобы записать десятичную дробь, характеризующую положение этой точки на отрезке, поступим следующим образом. Запишем первым знаком после, запятой в десятичной дроби, любую цифру, отличающуюся от первой цифры после запятой в первой строчке нашей таблицы (то есть в .нашем примере не 3, ,а, скажем, 5). Вторую цифру в нашей дроби запишем любую, но отличающуюся от второй цифры во второй строчке таблицы (в нашем, примере не 1); и так далее, будем поступать до бесконечности., Ясно, что, мы получим дробь, которой нет в нашем списке. Действительно, она не, совпадает с первой строчкой, так как заведомо отличается, первая цифра после запятой, не совпадает со второй строчкой, так как заведомо отличается вторая цифра после запятой и т. д.

В качестве другой) мыслимого механизма покраснения фотонов предлагали гипотетический процесс постепенного распада фотонов с испусканием каких-то частиц. Советский физик М. Бронштейн еще в 30-е годы показал, что если бы такой процесс и существовал (потом выяснилось, что его нет), то вероятность распада фотона была бы обратно пропорциональна частоте. Значит, чем больше длина волны фотона, тем быстрее он должен ?краснеть?. Кванты радиоволн должны бы краснеть быстрее квантов видимого света. Таким образом, красное смещение спектральных линий в радиоспектрах галактик было бы больше, чем в видимой области спектра. В 60-х годах были проведены точные наблюдения смещения радиолинии с длиной волны 21 сантиметр. Эта линия хорошо видна в радиоспектрах холодного межзвездного газа во многих других галактиках.

Любопытно, что на самой заре современной космологии, еще до А. Фридмана и Э. Хаббла, попытка введения такой новой силы была сделана А. Эйнштейном. Об этом рассказывается в следующей главе. Нам остается только добавить, что некоторые современные астрофизики указывают на возможность наличия у отдельных кваза-ров и галактик наряду с космологическим краевым смещением, вызванным расширением Вселенной, еще добавочного красного смещения, вызванного другими причинами, например, сильным гравитационным полем или даже неизвестными еще процессами. В принципе такие явления, конечно, возможны. Однако автору кажется, что наблюдения, приводимые в поддержку этих идей, не имеют доказательной силы и могут быть объяснены естественным путем.

ГЛАВА 2. МЕХАНИКА ВСЕЛЕННОЙ ВСЕЛЕННАЯ В ПРОШЛОМ

Факт расширения Вселенной означает то, что в прошлом она была совсем не похожа на то, что мы видим сегодня. Раз галактики удаляются друг от друга, то в прошлом они должны были практически соприкасаться, а еще раньше не было отдельных галактик. Поделив расстояние между галактиками на скорость их удаления, получаем время, прошедшее с начала расширения. Мы. говорили, что галактики на расстоянии миллиона световых лет (10¹⁹ километров) удаляются со скоростью около 25 километров в секунду. После деления первого числа на второе получаем 13 миллиардов лет. Так как для вдвое более далеких галактик и скорость удаления вдвое больше, то и для них после деления мы получим то же самое число.

В принципе силы отталкивания, если они, конечно, существуют в природе, можно было бы обнаружить в до-статочно точных лабораторных опытах. Однако малость величины космологической, постоянной делает задачу ее лабораторного обнаружения совершенно безнадежной. Действительно, легко подсчитать, что при свободном падении тела на поверхность Земли добавочное ускорение, сообщаемое силами отталкивания, на 30 порядков (!) меньше самого ускорения свободного падения. Даже в масштабе .Солнечной системы или всей нашей Галактики эти силы ничтожно мадь по сравнению с силами тяготения, Так, нетрудно подсчитать, что ускорение, сообщаемое Земле тяготением Солнца, равно 0,5 см/с². В то

же время ускорение космического отталкивания между Землей и Солнцем в 10²² раз меньше! Разумеется, это отталкивание (если оно есть вообще) никак не сказывается на движении тел Солнечной системы и может быть обнаружено только при исследовании движений самых отдаленных наблюдаемых галактик.

Американские ученые подчеркивали, что квазары, как правило, наблюдаются на огромных расстояниях, гораздо дальше, чем самые далекие галактики, доступные телескопам. Когда мы наблюдаем квазары с большим красным смещением, то есть на больших расстояниях, мы видим свет, давно испущенный. Если он покинул квазары в эпоху, соответствующую задержке расширения Вселенной в теории с космологической постоянной, то и у более близкого, и у более далекого квазара красное смещение будет почти одним и тем же. Это происходит потому, что наблюдения относятся к периоду, когда мир почти не расширялся.

Можно сказать лишь следующее. Если учитывать только светящиеся галактики, то средняя плотность вещества во Вселенной в тридцать раз меньше критического значения. Если бы не было труднонаблюдаемых форм материи, то расширение Вселенной продолжалось бы неограниченно.

ПРОБЛЕМА СКРЫТОЙ МАССЫ

Такое определение, выполненное, например,- для скопления галактик в созвездии Волосы Вероники, приводит к значению 2*10¹⁵ масс Солнца.

Обратимся теперь к газу в скоплениях галактик. Радионаблюдения показывают, что нейтрального водорода в скоплениях ничтожно мало. Однако с помощью рентгеновских телескопов, установленных на спутниках, был обнаружен горячий ионизованный газ в богатых скоплениях галактик. Оказалось, что этот газ нагрет до температуры в миллион градусов. Его полная масса может доходить до 10¹³ масс Солнца. Число внушительное, но мы видели выше, что полная масса скопления в созвездии Девы гораздо больше ? превышает 10¹⁵ масс Солнца. Таким образом, наличие горячего газа в скоплениях никак не исчерпывает проблемы скрытой массы.

Вероятнее всего, нашей Вселенной предстоит расширение неограниченное или очень большое время в будущем.

КРИВОЕ ПРОСТРАНСТВО

Что такое неэвкдидова геометрия? Если обратиться к планиметрии, то, оказывается, понять это чрезвычайно просто: эвклидова, геометрия изучает свойства геометрических фигур на плоской поверхности, неэвклидова геометрия изучает свойства фигур на искривленных поверхностях, например, на сфере или, скажем, на седлообразной поверхности. На таких искривленных поверхностях уже не может быть прямых линий и свойства геометрических фигур иные, чем на плоскости. Прямые линии заменяются здесь линиями, которые являются кратчайшими расстояниями между точками. Они называются геодезическими линиями. На сфере, например, геодезические линии ? это дуги больших кругов. Примером их могут служить меридианы на, поверхности Земли. На сфере мы можем чертить треугольники, стороны которых являются геодезическими, рисовать окружности, можем изучать их свойства. Все это легко себе представить. Трудности с представлением, возникают, когда мы обращаемся .уже не к двумерной поверхности, а к неэвклидову трехмерному пространству. Втаком пространстве свойства призм, шаров и других фигур отличаются от тех, что мы изучали в школе. По аналогии с поверхностями мы можем сказать, что такое пространство искривлено. Однако эта, аналогия вряд ли поможет нам представить наглядно искривленное трехмерное пространство. Мы живем в трехмерном пространстве, выпрыгнуть из него не можем (так .как вне пространства ничего нет), поэтому нельзя спрашивать: ?В чем,изгибается наше реальное пространство?? Суть кривизлы пространства заключается в изменении его геометрических свойств по сравнению со свойствами плоского пространства, где справедлива геометрия Эвклида.

Выделим теперь на поверхности шара маленький кусочек. Если он очень мал; мы даже не заметим его искривленность. Добавим теперь к этому кусочку соседние, охватывая все большие области. Теперь искривленность уже заметна. Продолжая эту операцию, мы увидим, что наша поверхность из-за кривизны замыкается сама на себя, образуя замкнутую сферу. Нам не удалось продолжить искривленную таким образом поверхность неограниченно до бесконечности. Она замкнулась. Сфера имеет конечную площадь поверхности, но не имеет границ. Плоское существо, ползущее по сфере, никогда не встретит препятствия, края, границы. Но сфера не бесконечна!

Искривленность пространства определяется степенью отличия плотности материи от критического значения. Чем сильнее отличие, тем больше искривление. Наблюдения показывают, что если плотность материи и отличается от критической, то не очень сильно и искривленность сказывается только на огромных расстояниях во многие миллиарды световых лет. В замкнутом пространстве Вселенной кратчайшая линия ? геодезическая ? оказывается замкнутой, подобно большому кругу на сфере (например, подобно экватору). Скользя вдоль такого пути, мы возвращаемся в исходную точку, точно так же, как, двигаясь по экватору и обойдя Землю, приходим в исходный пункт нашего путешествия.

В следующем разделе мы увидим, что различие между открытой и закрытой Вселенной не столь драматично, как это кажется с первого взгляда.

Горизонт видимости делает для нас не столь существенной разницу между закрытым и открытым миром. В обоих случаях мы видим ограниченную часть Вселенной с радиусом около 15 миллиардов световых лет. В замкнутом мире свет не успевает обойти мир к настоящему времени, и, конечно, невозможно увидеть свет от нашей собственной галактики, обошедшей весь мир. Увидеть ?собственный затылок? невозможно в замкнутой Вселенной. Даже за весь период расширения от сингулярного состояния до смены расширения сжатием свет успевает пройти только половину замкнутого пространства и лишь на фазе сжатия сможет закончить полный обход мира...

Еще одно замечание. Вблизи самого горизонта мы в принципе должны видеть вещество в далеком прошлом, когда плотность его была гораздо больше сегодняшней. Отдельных объектов тогда не было, а вещество было непрозрачным для излучения. К этому вопросу мы еще вернемся.

ГЛАВА 3. ГОРЯЧАЯ вселенная ФИЗИКА НАЧАЛА РАСШИРЕНИЯ

в самом начале расширения, когда плотности огромны. Конечно, никаких нейтральных атомов и даже сложных атомных ядер тогда не было, химические элементы образовались позднее в результате ядерных реакций. Но до этого, в еще более ранней Вселенной, был период, когда образовались сами элементарные частицы. Здесь речь идет уже о временах, исчисляемых невообразимо малыми мгновениями ? 10^-43 секунды, когда плотности были больше 10⁹³ г/см³. Такая плотность в невообразимое число раз больше плотности атомного ядра, которая ?всего? 10^-15 г/см³. Наверное, столь обескураживающие числа вызывают невольную улыбку у читателя. Разве можно что-либо узнать о процессах в таких условиях, которые абсолютно невоспроизводимы в земных лабораториях?

Что же касается ядерных реакцией, происходивших с первой по трехсотую секунды после начала расширения, то о них можно поведать почти все с полной определенностью. Дело в том, что следствием ядерных реакций явилось образование химических элементов во Вселенной.

Расчет ядерных реакций дает возможность предсказать химический состав вещества, из которого формируются галактики, звезды, межзвездный газ. Сравнение предсказания с наблюдениями позволяет выявить эти реакции, а главное ? выяснить физические условия, в которых они происходили. Мы оставим до дальнейших параграфов выяснение вопроса об экзотических процессах при 10⁹³ г/см³, и посмотрим сначала, как протекали ядерные реакции во Вселенной в первые секунды и к чему они привели.

Дело заключается в следующем. Нейтрон ? нестабильная частица. В свободном состоянии он распадается за время около 15 минут на протон, электрон и антинейтрино. Поэтому в ходе расширения Вселенной нейтроны стали бы распадаться, стали бы возникать протоны. Возникший протон стал бы соединяться с еще оставшимся нейтроном, давая ядро атома дейтерия. Затем дейтерий стал бы соединяться с дейтерием и так далее. Реакция усложнения атомных ядер стала бы быстро идти и продолжаться до тех пор, пока не образовалась бы альфа-частица ? ядро атома гелия. Более сложные атомные ядра, как показывают расчеты, практически не возникали бы. Таким образом, все вещество превратилось бы в гелий. Этот вывод резко противоречит наблюдениям. Известно, что молодые звезды и межзвездный газ состоят в основном из водорода, а не из гелия.

Теперь мы знаем, что время расширения Вселенной 15*10⁹ лет. Земля образовалась не из первичного вещества, а из вещества, прошедшего стадию ядерных реакций (нуклеосинтеза) в звездах. Теория нуклеосинтеза в звездах успешно объясняет основные законы распространенности элементов в предположении, что первые звезды образовались из вещества, состоящего главным образом из смеси водорода и гелия. Вещество из старых звезд первого поколения, обогащенное тяжелыми элементами, выбрасывалось в пространство. Из этого вещества возникали новые звезды, планеты. Таким образом, необходимость объяснения происхождения всех элементов (в том числе и тяжелых ? железа, свинца и т. д.) на ранней стадии расширения Вселенной отпала. Но суть гипотезы горячей Вселенной оказалась правильной.

Все дело именно в том, что вещество было горячим. В горячем веществе имеется много энергичных фотонов.

Имеются там также протоны и нейтроны, которые стремятся соединиться в дейтерий. Однако фотоны разбивают дейтерий, который образуется при слиянии протона и нейтрона, обрывая в самом начале цепочку реакций, ведущую к синтезу гелия. Когда Вселенная, расширяясь, досаточно охлаждается (до температуры- меньше миллиарда градусов), то некоторое количество дейтерия уже сохраняется и приводит к синтезу гелия. Мы подробно рассмотрим этот процесс далее.

КАК БЫЛО ОТКРЫТО РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

В 1960 году в США была построена радиоантенна, предназначенная для приема отраженных сигналов от спутника ?Эхо?. К 1963 году эта антенна уже была не нужна для работы со спутником, и два радиоинженера, Р. Вилсон и А. Пензиас, в лаборатории компании ?Белл? решили использовать ее для радиоастрономических наблюдений. Антенна представляла собой 20-футовый рупорный отражатель. Вместе с новейшим приемным устройством этот радиотелескоп был в то время самым чувствительным инструментом в мире для измерения радиоволн, приходящих из космоса с широких площадок на небе. Телескоп предназначался в первую очередь для измерения радиоизлучения, рождающегося в межзвездной среде нашей Галактики. Эта работа должна была быть интересной, но в общем-то ординарной среди большого количества радиоастрономических наблюдений. Во всяком случае, А. Пензиас и Р. Вилсон не собирались искать никакое реликтовое излучение, да и о самой теории горячей Вселенной они тогда и слыхом не слыхивали.

О дальнейшем Р. Вилсон говорит: ?Мы договорились об одновременной публикации двух писем в ?Астрофизическом журнале?: одного из Принстона о теории и другого из лабораторий ?Белл? о наших измерениях избытка антенной температуры. В нашем письме Арно и я не должны были касаться любого обсуждения космологической теории происхождения фонового излучения, поскольку мы не участвовали в этой работе. Однако мы считали, что результаты наших измерений не зависят от теории и представляют самостоятельный интерес. Тем не менее нам было приятно, что тайна шума, появляющегося в нашей антенне, среди всех прочих объяснений может быть связана с таким важным космологическим явлением. Однако наше настроение в этот период можно было назвать осторожным оптимизмом?.

ПОЧЕМУ РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ НЕ ОТКРЫЛИ РАНЬШЕ?

Еще одну причину, на мой взгляд самую важную, указывает А. Пеизиас в своей лекции, прочитанной при вручении Нобелевской премии. Дело в том, что в первых работах Г. Гамова и его сотрудников и в последующих работах, хотя и было сказано о наличии реликтового излучения, но не было указано, что его можно хотя бы в принпиде обнаружить. Более того, Г. Гамов и его коллеги, по-видимому, считали, что это сделать вообще нельзя! Вот что говврвт А. Пеазиас: ?Что же касаемся обнаружения реликтового излучения, то, по-видимому, они считали, что в первую очередь ато излучение проявит себя как увеличение плотности энергии. Этот вклад в приходящий на Землю общий соток .энергии должен быть замаскирован космическими лучами а суммарным оптическим излучением звезд. Обе эти составляющие имеют сравнимые плотности анергии. Мнение о том, что действия трех составляющих с приблизительно равными энергиями дель-зя разделить, можно найти в письме Г. Гамова, написанном Р. Альферу в 1948 году (не опубликовано: любезно представлено мне Р. Альфером): ?Температура космического пространства, равная 5њ К, объясняется современным излучением звезд (С-циклы). Единственно, что мы можем сказать, это то, что оставшаяся от исходного тепла Вселенной температура не выше 5њ К?. Они, по-види-мому, не осознавали того, что своеобразные спектральные характеристики реликтового излучения должны выделять его среди других эффектов?.

Так как в группе, в которой мы работали (а тогда она состояла всего из трех человек ? нашего руководителя, А. Дорошкевича и меня), усиленно обсуждались варианты горячей и холодной Вселенной, то в статье, которую мы с А. Дорошкевичем подготовили для печати, мы к излучению галактик добавили гипотетическое излучение, оставшееся от ранней Вселенной, если она в действительности была горячей. Это излучение горячей Вселенной должно иметь длины волн порядка сантиметров и миллиметров и приходилось как раз на ту область длин волн, где излучение от галактик понижено! Поэтому реликтовое излучение (если Вселенная была горячей!) в этой области длин волн дол7кно во многие тысячи и даже миллионы раз превышать излучение известных источников во Вселенной.

Значит, его можно наблюдать! Несмотря на то что общее количество энергии в реликтовом излучении сравнимо с энергией света от галактик, волны реликтового излучения имеют совсем другую длину волны и поэтому могут быть обнаружены. Вот что говорит в своей нобелевской лекции А. Пензиас о пашей с А. Дорошкевичем работе.

Осенью 1983 года мне позвонил сотрудник института общей физики Т. Шмаонов, с которым я до этого не был знаком, и сказал, что он хотел бы побеседовать по вопросам открытия реликтового излучения. Мы встретились в тот же день, и Т. Шмаонов рассказал мне, как он в середине 50-х годов под руководством известных советских радиоастрономов С. Хайкина и Н. Кайдановского проводил измерения радиоволн, шедших из космоса, на длине 3,2 сантиметра. Эти измерения проводились с помощью рупорной антенны, подобной той, которая была использована много лет спустя А. Пензиасом и Р. Вилсоном. Т. Шмаонов со всей тщательностью изучил возможные помехи. Конечно, в его распоряжении тогда не было еще столь чувствительных приемников, которые были потом у американских радиоастрономов. Результаты измерений Т. Шмаонова были опубликованы в 1957 году в его кандидатской диссертации и в советском журнале ?Приборы и техника эксперимента?. Вывод из этих измерений был таков: ?Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона... равна 4њ ? 3њК?. Т. Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления и от времени. Хотя ошибки измерений Т. Шмаонова велики и говорить о какой-либо надежности цифры 4њК не приходится, мы понимаем теперь, что Т. Шмаонов измерял именно реликтовое излучение. К сожалению, ни сам Т. Шмаонов, ни его руководители, ни другие радиоастрономы, которым были известны результаты его измерений, ничего не знали о возможности существования реликтового излучения п не придали должного значения результатам этих измерений. Их довольно быстро забыли. Когда в 1963 и в 1964 годах после выполнения наших с А. Дорошковичем вычислений мы ходили к многим советским радиоастро* номам с вопросом: не известны ли им результаты каких-либо измерении фонового радиоизлучения на сантиметровых или более коротких волнах? ? никто из них не вспомнил об измерениях Т. Шмаонова!

Вот как причудлива фортуна. И тем не менее вся эта история весьма поучительна. Увидеть какое-либо явление ? еще не значит его открыть. Надо осознать значение обнаруженного, надо правильно его объяснить. Конечно, тут играют роль и стечение многих обстоятельств, и просто удача. Но успех никогда не приходит совершенно случайно. Он требует огромного труда, больших знаний, настойчивости и в самой работе, и в доведении ее результатов до сознания других.

Если подсчитать общую плотность энергии, которая сегодня содержится в реликтовом излучении, то она окажется в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении от звезд, радиогалактик и других источников, вместе взятых. Можно подсчитать число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом кубическом сантиметре Вселенной. Оказывается, что концентрация этих фотонов 500 штук в см³.

Напомним, что средняя плотность обычного вещества во Вселенной около 10^-30 г/см³. Это значит, что, если бы мы ?размазали? все вещество равномерно в пространстве, то в одном кубическом метре был бы всего один атом водорода ? наиболее распространенного элемента Вселенной. В то же время в кубическом метре содержится около миллиарда фотонов реликтового излучения.

Таким образом, кванты электромагнитных волн, эти своеобразные частички, распространены в природе гораздо больше, чем обычное вещество. Реликтовых фотонов в миллиард раз больше, чем тяжелых частиц протонов. Если мы учтем, помимо водорода, и другие химические элементы, в состав ядер которых входят не только протоны, но и нейтроны, то это практически ничего не изменит в нашей оценке, так как водород ? главный элемент в природе. Итак, 10⁹ реликтовых фотонов на одну тяжелую частицу.

Мы знаем, что сегодня в каждом кубическом сантиметре межгалактического пространства около 500 фотонов, летящих с предельной скоростью во всех направлениях. Каждый фотон имеет свою энергию, соответствующую его частоте. При температуре 3њ Кельвина большинство фотонов имеет энергию 10^-15 эрг каждый. Значит, в каждом кубическом сантиметре имеется энергия реликтового излучения, равная произведению 10^-15 эрг на 500, то есть 5 *10^-13 эрг. Согласно закону Эйнштейна каждой энергии соответствует масса. Энергии 5*10^-13 эрг соответствует масса 5 * 10^-34 грамма. Таким образом, в каждом кубическом сантиметре в наши дни есть 5 ? 10^-34 грамма реликтового излучения.

Напомним, что обычного вещества на каждый кубический сантиметр приходится в среднем 10^-30 грамма. Значит, по массе вещества в две тысячи раз больше, чем реликтового излучения. Поэтому, хотя по числу штук фотонов гораздо больше, по общей массе обычное вещество сильно преобладает над реликтовым излучением. Масса реликтового излучения пренебрежимо мала.

В обозримом прошлом ни те ни другие частички не рождались и не исчезали. Здесь необходимы некоторые уточнения. Первое из них относится к реликтовым фотонам. Сегодняшняя Вселенная практически прозрачна для реликтового излучения. Ясно, что реликтовые фотоны в современной Вселенной в подавляющем большинстве не взаимодействуют с веществом и не могут из-за этого меняться в числе. В далеком прошлом, когда плотность вещества была велика, была велика и температура. Вещество Вселенной было ионизовано и являлось почти однородной плазмой. Оно тогда было непрозрачным для излучения. Реликтовые фотоны активно взаимодействовали с веществом. Но сколько фотонов в какой-то малый промежуток времени поглощалось в толще вещества, столько же этим горячим веществом и рождалось! Существовало, как говорят, равновесие между излучением и веществом. Поэтому и в этот период соотношение ? миллиард реликтовых фотонов на один протон ? оставалось справедливым.

В этот момент в прошлом в каждом кубическом сантиметре масса обычного вещества и масса реликтового излучения сравниваются. Произошло это, когда плотность вещества (и равная ей тогда плотность излучения) была 10^-20 г/см³, температура излучения и вещества тогда была около 6 тысяч градусов. Реликтовое излучение было не радиоволнами, а видимым светом. Конечно, в эту эпоху не было отдельных небесных тел, они возникли существенно позже. А еще раньше?

Продолжим путешествие в прошлое к сингулярности. Например, через одну секунду после начала расширения температура была десять миллиардов градусов. При меньшем времени температура еще больше. При такой огромной температуре происходят процессы рождения и аннигиляции элементарных частиц. Например, процессы рождения пар электронов и позитронов при столкновении энергичных фотонов и аннигиляции пар электронов и позитронов с превращением в кванты света ? фотоны.

Для рождения пары электронов и позитронов надо затратить энергию, равную как минимум сумме масс этих частиц, умноженную на квадрат скорости света (формула Е = МС²). Следовательно, такие процессы могут идти лишь при температуре выше десяти миллиардов градусов, когда много квантов света обладает подобными энергиями. Столкновения электронов и позитронов могут вести к рождению нейтрино и антинейтрино, возможна также и обратная реакция ? столкновение нейтрино и антинейтрино рождает пару электрон ? позитрон. Когда температура еще выше, возможно рождение более тяжелых частиц: протонов и антипротонов, нейтронов и антинейтронов, мезонов и других.

Итак, мы посмотрели, что было во Вселенной с веществом и излучением в первую секунду. Как ни фантастична кажется возможность рассчитывать процессы в первую секунду с начала расширения, но современная физика позволяет это делать с полной надежностью.

В известной песенке поется:

Так химический анализ вещества сегодняшней Вселенной дает прямое подтверждение правильности нашего понимания процессов, которые протекали в первые секунды и минуты после начала расширения всего вещества.

ТРИСТА ТЫСЯЧ ЛЕТ ЭРЫ ФОТОННОЙ ПЛАЗМЫ И НАША ЭРА

Еще у И. Ньютона были высказывания о том, что однородное вещество должно собраться в комок или в отдельные комки под влиянием взаимного тяготения частичек. И. Ньютон писал: ?Если бы все вещество нашего Солнца и планет и все вещество Вселенной было равномерно рассеяно по всему небу и каждая частица обладала бы врожденным тяготением ко всему остальному и если бы все пространство, по которому было рассеяно это вещество, было бы тем не менее конечным, то все вещество на наружной стороне этого пространства благодаря своему тяготению стремилось бы ко всему веществу, находящемуся внутри пространства, и как следствие упало бы в середину полного пространства и образовало бы там одну большую сферическую массу. Однако если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, оно никогда не собралось бы в одну массу;

Прежде чем познакомиться с тем, как конкретно проявляется гравитационная неустойчивость, нам придется обратиться к еще одной загадке, вставшей на пути исследователей.

НЕЙТРИНО

Если гравитация ? главная сила, управляющая движением материи во Вселенной, то нейтрино согласно последним данным, по-видимому, главная частица Вселенной. Именно о нем, о нейтрино, нужно думать прежде всего, когда мы пытаемся понять, что есть Вселенная.

СВОЙСТВА ВСЕЛЕННОЙ

Итак, некоторые важные факты строения и эволюции Вселенной установлены надежно: это расширение Вселенной, ее первоначальное горячее состояние и нынешняя ячеистая структура.

НЕРЕШЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Напомним, что эта проблема была четко сформулирована в начале 70-х годов и состоит она в следующем. Движение галактик в их скоплениях происходит таким образом, что приходится предполагать наличие в пространстве между галактиками какой-то невидимой массы. Она своим тяготением влияет на движущиеся объекты, но больше никак себя не проявляет. Такая же невидимая масса окружает, вероятно, и большие галактики, о чем можно судить по движению карликовых галактик и других объектов вокруг них. Эта невидимая масса и получила название труднонаблюдаемой, или скрытой, массы, и о природе ее практически ничего не было известно. Наблюдения показывали, что скрытой массы в областях скопления галактик, должно быть раз в 20 больше, чем видимой массы, сосредоточенной в самих галактиках. Если масса всех галактик в типичном их скоплении составляет около 3 ? 10¹³ масс Солнца, то масса невидимой материи оказывается около 10¹⁵ масс Солнца. Некоторые специалисты считали, правда, что наблюдения, в которых проявляется тяготение скрытой массы, недостаточно надежны, и споры вокруг этого вопроса то утихали, то разгорались вновь вплоть до самого последнего времени.

Это отношение для реликтовых фотонов и нейтрино остается практически неизменным и во время последующей эволюции Вселенной, вплоть до наших дней. Мы не можем сегодня каким-либо прямым способом регистрировать реликтовые нейтрино, так как уж очень мала их энергия: при нулевой массе покоя нейтрино его энергия составляет около 5*10^-4 электронвольт (эВ). Однако астрофизики могут предсказать, сколько их должно быть. Как уже отмечалось, в .каждом кубическом сантиметре содержится около 500 реликтовых фотонов. Реликтовых нейтрино должно быть втрое меньше, то есть около 150 частиц в кубическом сантиметре.

Напомним также, что каждый реликтовый фотон имеет энергию и соответствующую массу 10^-36 грамма, и, таким образом, плотность массы реликтового электромагнитного излучения составляет около 5 ? 10^-34 г/см³. Это примерно в 2000 раз меньше, чем средняя плотность обычного вещества во Вселенной.

Из сказанного можно сделать вывод, что плотность массы реликтового электромагнитного излучения пренебрежимо мала. То же самое можно было бы сказать и о нейтрино: средняя плотность его массы (это, разумеется, не масса покоя, а масса, определяемая энергией частицы) еще меньше, чем плотность электромагнитного излучения, ? она составляет около 1,5 ? 10^-34 r/CM³. Таким образом, ролью реликтовых нейтрино в сегодняшней Вселенной можно и вовсе пренебречь ? они не только имеют ничтожную суммарную массу, но еще и практически не взаимодействуют с остальным веществом Вселенной. По крайней мере, такое мнение о роли нейтрино в нынешней Вселенной существовало у большинства специалистов до весны 1980 года.

НЕЙТРИННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Весной 1980 года группа исследователей из Института теоретической .и экспериментальной физики АН СССР, возглавляемая В. Любимовым и Е. Третьяковым, опубликовала результаты многолетних экспериментов, которые указывают на отличие массы покоя электронных нейтрино от нуля. (Напомним, что для краткости мы говорим только об электронных нейтрино. А как упоминалось, существует еще два сорта нейтрино ? мюонные и тау-нейтрино.) Вероятное значение массы покоя электронных нейтрино, найденное в этих экспериментах, составляет примерно 6 ? 10^-32 грамма или, в других единицах, 35 эВ. Это, в частности, значит, что электронные нейтрино не обязаны, как считалось раньше, двигаться со скоростью света, они могут двигаться с любой скоростью, меньше световой, а также находиться в состоянии покоя.

Теоретики, вооруженные указанием экспериментаторов, поднялись на настоящий штурм проблемы.

НЕЙТРИННАЯ ВСЕЛЕННАЯ

Ответ прост: во Вселенной очень много реликтовых нейтрино. В кубическом сантиметре их в среднем почти в миллиард раз больше, чем протонов, и, несмотря на ничтожную массу, в сумме нейтрино оказываются главной составной частью массы материи во Вселенной. Нетрудно подсчитать, что если масса покоя электронных нейтрино равна 6 ? 10^-32 грамма, то только их средняя плотность (не учитывая нейтрино других сортов) составляет примерно 10^-29 г/см³, а это примерно в 10?30 раз превышает плотность всего другого ?не нейтринного? вещества. И значит, именно тяготение нейтрино должно быть главной действующей силой, определяющей законы расширения Вселенной сегодня. Обычное вещество по массе, а значит, и по гравитационному действию составляет только 3?10 процентов ?примеси? к основной массе Вселенной ? к массе нейтрино. Можно поэтому смело сказать, что Вселенная состоит в основном из нейтрино, что мы живем в нейтринной Вселенной. Именно этот вывод мы имели в виду, когда в начале главы говорили о фантастической картине, открывшейся перед глазами ученых.

Критическая плотность, по современным данным, равна, как говорилось, 10^-29 г/см³. Еще недавно считалось, что основную долю плотности во Вселенной составляет обычное вещество, для которого плотность равна примерно 3 ? 10^-31 г/см³. Это означало, что плотность меньше критической и Вселенная должна расширяться вечно. Теперь же есть веские основания считать, что плотность только реликтовых электронных нейтрино примерно равна критической 10^-29 г/см³. Следует вспомнить, что, помимо реликтовых электронных нейтриной есть еще мю-онные и тау-нейтрино. Об их массе покоя ничего не известно из прямых экспериментов, однако из теории и косвенных экспериментов следует, что если отлична от нуля масса покоя электронных нейтрино, то, вероятно, отлична от нуля и масса покоя других сортов нейтрино. Причем, вероятно, массы покоя других сортов нейтрино не меньше массы покоя электронных нейтрино. Если мы учтем это, то средняя плотность материи во Вселенной окажется больше критической. А это значит, что в далеком будущем, скорее всего через многие миллиарды лет, расширение Вселенной сменится сжатием, и причиной этого ?сильнейшего? вывода оказалась ?слабейшая? из частиц ? нейтрино.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГАЛАКТИК

Расчет показывает, что типичная масса такого ней-тринного облака выражается только через фундаментальные константы природы: h ? постоянную Планка, с ? скорость света, G ? постоянную тяготения и от ? массу покоя нейтрино. Первые три константы известны, и если принять, что масса покоя нейтрино действительно равна 35 эВ=6*10^-32 грамма, то окажется, что масса типичного нейтринного облака составляет примерно 10¹⁵ солнечных масс.

Но, как мы видели в предыдущей главе, по прошествии трехсот тысяч лет после начала расширения обычное вещество настолько охлаждается, что из состояния плазмы превращается в нейтральный газ, давление которого резко падает, ? это происходит спустя миллион лет после начала расширения. Затем холодный нейтральный газ начинает сгущаться в поле тяготения возникающих нейтринных облаков, стягиваясь к их центральной части. И именно из этого сгущающегося нейтрального газа постепенно возникают скопления галактик, галактики и звезды. Так как обычного вещества по массе в 30 раз меньше, чем нейтрино, то в невидимом нейтринном ?блине? с массой в 10¹⁵ солнечных масс образуется большое скопление галактик, масса которого в 30 раз меньше, то есть составляет 3 ? 10¹³ солнечных масс.

массах и форме больших скоплений галактик хорошо согласуются с данными, полученными из подобных теоретических построений.

РЕАЛЬНОСТЬ И ФАНТАСТИКА

Летом 1982 года известный английский физик-теоретик С. Хоукинг собрал в Кембрдиже узкое международное рабочее совещание для обсуждения процессов, происходивших во Вселенной до истечения первой секунды с начала расширения. Мы об этих процессах будем говорить дальше. Как-то поздним вечером после напряженной и интересной работы мы прогуливались с академиком М. Марковым по узким улочкам этого старинного и, наверное, самого знаменитого в мире научного центра. Наш разговор невольно обратился к тому, насколько фантастична, многообразна и интересна картина Вселенной, которую мы знаем сегодня. Насколько богаче она той механистической картины движения неделимых шариков, что представлялась И. Ньютону, творившему в этом городе несколько веков назад.

Конечно нет! Мы еще обсудим будущее Вселенной. Но прежде чем это сделать, нам придется еще раз приблизиться к сингулярному началу расширения Вселен-ленной. Но этот раз мы подойдем к сингулярности гораздо ближе, и здесь нам не обойтись без крыльев научной фантазии (не фантастики!), той самой фантазии, о которой геворил академик М. Марков.

ГЛАВА 5. У ГРАНИЦ ИЗВЕСТНОГО ПОЧЕМУ ВСЕЛЕННАЯ ТАКАЯ?

Что происходило во Вселенной вблизи самой сингулярности при температурах гораздо выше 10¹³ Кельвинов, рассмотренных нами в предыдущих разделах?

Мы уже познакомились раньше с тем общим методом, которым пытаются выяснить, что происходит вблизи самого начала космологического расширения. Для этого находят ?следы? тех процессов, которые тогда происходили. Выше говорилось, что ярким ?следом? процессов, происходивших в первые секунды после начала расширения, является химический состав дозвездного вещества ? наличие 30 процентов гелия, возникшего в ту далекую эпоху. Теперь надо попытаться отыскать по возможности столь же явные ?следы? еще более ?древних? процессов.

Наконец, еще одна загадка ? почему, несмотря на удивительную однородность Вселенной в очень больших масштабах, в меньших масштабах все же были в прошлом отклонения от однородности, небольшие первичные флуктуации, давшие затем начало галактикам н их системам? Это проблема возникновения первичных флуктуаций, п не каких-либо, а таких, которые в эпоху, близкую к нашей, привели к возникновению отдельных миров.Ключ к решению этих проблем дали успехи физики элементарных частиц.

сильные (или ядерные), электромагнитные, слабые (обусловливающие, например, радиоактивный распад) и гравитационные. Согласно современным представлениям эти виды взаимодействий проявляются как разные только при сравнительно малых энергиях, а при больших ? объединяются в единое взаимодействие. Так, при энергиях порядка 10² гигаэлектронвольт (ГэВ), что соответствует температуре 10¹⁵ Кельвинов, объединяются электромагнитные и слабые взаимодействия. При энергиях около 10¹⁴ ГэВ или температуре 10²⁷ Кельвинов происходит так называемое ?великое объединение?, когда сливаются сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. Наконец, при энергиях около 10¹⁹ ГэВ или температуре 10³² Кельвинов, вероятно, к ним присоединяется и гравитационное взаимодействие (?суперобъединение?).

Необычность этого станет очевидной, если мы отправимся в прошлое к температурам 10¹³ Кельвинов, когда, как мы знаем, все время рождалось и аннигилировало огромное количество пар частиц и античастиц. Среди них были и электроны и позитроны, были протоны и антипротоны, нейтроны и антинейтроны. Причем рожденных таким образом частиц каждого сорта было примерно столько, сколько реликтовых фотонов. ?Кипящий котел?, который мы рассматривали, содержал Примерно одинаковое число частиц всех сортов и их античастиц.

В этом и состоит проблема. До недавнего времени считалось, что если ?лишней? частицы не было с самого начала, то она и не может возникнуть ни в каких реакциях. Считалось, что неизменным остается ?барионный заряд? ? так называют разность числа тяжелых частиц и античастиц. Теория ?великого объединения? показала, что это не так, есть реакции, которые нарушают закон сохранения барионного заряда. Но в этих реакциях участвуют сверхтяжелые частицы. Это так называемые сверхтяжелые хиггсовские и калибровочные частицы. Такие сверхтяжелые частицы могут рождаться только при очень больших энергиях, поэтому и реакции с изменением барионного числа могут успешно идти только при очень 'больших энергиях. Для простоты изложения, чтобы показать главную идею, мы будем говорить об одной сверх- . тяжелой частице ? сверхтяжелом Х-бозоне. Масса этой частицы в энергетических 'единицах равна энергии ?великого объединения? ? 10¹⁴ ГэВ (в 10¹⁴ раз тяжелее протона), то есть Х-бозоны могут эффективно рождаться при столь больших энергиях, соответствующих температуре 10²⁷ Кельвинов. Такие температуры были во Вселенной при 10^-34 секунды после начала расширения. В это время (и при еще более высоких температурах) реакции с изменением барионного числа были столь же интенсивны, как и другие реакции.

При температурах выше 10²⁷ Кельвинов во Вселенной была сверхгорячая смесь всех фундаментальных частиц и точно такого же количества их античастиц, находящихся в термодинамическом равновесии. Никакого избытка ?лишних? частиц не было. Если бы не было различия между свойствами частиц и античастиц и не было реакций с несохранением барионного числа, то при расширении Вселенной и падении температуры все пары тяжелых частиц и их античастиц проаннигилировали бы (ведь их одинаковое число!) и во Вселенной не осталось бы к нашему времени ни нейтронов, ни протонов ? все превратилось бы в легкие частицы. Не было бы в сегодняшней Вселенной обычного вещества.

Но в действительности происходит следующее. Когда температура падает ниже 10²⁷ Кельвинов, темп всех процессов с Х-бозонами и их античастицами анти-Х оказывается медленнее, чем темп расширения Вселенной. Эти частицы не успевают аннигилировать или распадаться, и их концентрация оказывается ?замороженной?. Только позже, когда пройдет достаточно времени, они будут распадаться. Этот процесс и является теперь ключевым для дальнейшего.

Обратимся теперь к трем другим. Согласно теории ?великого объединения?, во Вселенной при температуре порядка 10²⁷ Кельвинов и больше было поле (его называют скалярным полем), которое обладало свойствами ва

куума, рассмотренными нами в разделе ?Гравитация пустоты?. В частности, у этого поля было огромное ?отрицательное давление? ? натяжение, равное плотности энергии самого поля. Такое поле получило название ?ложного вакуума?. Отличие его от истинного вакуума, помимо всего прочего, в том, что соответствующая плотность ?ложного вакуума? фантастически огромна ? около 10⁷⁴ г/см³. Мы знаем, что плотности вакуума соответствует космологическая постоянная в уравнениях тяготения Эйнштейна. В ту эпоху такая постоянная (ее можно назвать вслед за ?ложным вакуумом? ? ?ложной постоянной?) также была огромна.

В начале расширения, при временах меньше 10^-34 секунды, температура во Вселенной была выше 10²⁷ кель-винов. Плотность ?ложного вакуума? была 10⁷⁴ г/см³, но плотность горячих реальных частиц и античастиц обычной материи была еще выше. Поэтому тогда никак не проявлялись гравитационные свойства ?ложного вакуума? и расширение Вселенной проходило по обычным законам. В ходе расширения плотность обычной материи уменьшалась и при 10^-34 секунды после начала расширения сравнялась с плотностью ?ложного вакуума?. Мы уже видели в разделе ?Гравитация пустоты?, насколько необычны гравитационные проявления вакуума. Его гравитация вместо притяжения вызывает отталкивание. Так случилось и в ?эпоху 10³⁴? секунды. Гравитационное отталкивание вакуума заставляет мир расширяться ускоренно. Плотность ?ложного вакуума? постоянна, она не уменьшается со временем, поэтому ускорение расширения тоже постоянно. Скорость расширения (скорость удаления друг от друга двух произвольных элементов среды) непрерывно нарастает (вместо затухания с течением времени, как это имеет место без гравитации вакуума под действием тяготения обычной материи), и очень быстро все размеры во Вселенной невероятно растягиваются и становятся огромными. Эта стадия ускоренного расширения получила название ?раздувающейся? Вселенной. За период с 10^-34 секунды по 10^-32 секунды с начала расширения все размеры во Вселенной увеличились в 10⁵⁰ раз?

Но состояние ?раздувающейся? Вселенной неустойчиво. Температура и плотность обычной материи стремительно уменьшаются при таком расширении. Вселенная становится переохлажденной. Плотность обычной материи становится совершенно пренебрежимой по сравнению с плотностью ?ложного вакуума?. В это время становится возможным фазовый переход из состояния ?ложного вакуума? с огромной плотностью, в конце концов, в состояние, когда вся плотность массы (и соответствующая плотность энергии) ?ложного вакуума? переходит в плотность массы обычной горячей материи, а плотность истинного вакуума равна нулю или очень мала. Это означает, это из энергии, заключенной прежде в ?ложном вакууме?, возникает огромное количество частиц и античастиц обычной материи, обладающих большой энергией. Вселенная вновь разогревается до температуры около 10²⁷ Кельвинов.

Деталей этого перехода мы здесь касаться не будем. Отметим только, что разогрев Вселенной происходит спустя, вероятно, 10~³² секунды после начала расширения. За короткое время, с 10-³⁴ секунды по Ю-³² секунды, Вселенная невероятно ускоренно ?раздувается? из-за гравитационного отталкивания ?ложного вакуума?. Так, если без стадии ?раздувающейся? Вселенной эти расстояния до Вселенной увеличились бы всего в 10 раз, то при наличии такой стадии продолжительностью с 10^-34 секунды по 10-³² секунды мир за то же время расширится в 10⁵⁰ раз! После этого начинается расширение согласно законам теории горячей Вселенной, с которой мы уже знакомы.

Процессы синтеза гелия и другие процессы, описанные нами, протекают много времени спустя после стадии ?раздувающейся? Вселенной (сравните: 1 секунда ? 300 секунд для синтеза гелия и 10^-34?10^-32 секунды для стадии ?раздувающейся? Вселенной!) так, как описано в соответствующих разделах.

Стадия ?раздувающейся? Вселенной сразу решает вторую проблему из перечисленных в начале этого раздела ? проблему горизонта. Действительно, возьмем точки, которые вначале, до стадии ?раздувания?, лежат очень близко друг к другу внутри общего горизонта видимости для того момента. Между ними возможен обмен сигналами, выравнивание температуры и другие процессы. Затем, в результате стремительного растяжения в ходе ?раздувания? точки оказываются разнесенными на гигантские расстояния. В нашу эпоху они лежат на огромных расстояниях, заметно превышающих расстояния до горизонта, если не учитывать стадии ?раздувающейся? Вселенной. Поэтому после ?раздувания? эти точки действительно не смогут обменяться сигналами, но до ?раз-дуваиия? это было возможно.

Согласно новейшим результатам анализа процессов в ранней Вселенной, в ходе фазового перехода в ?раздувающейся? Вселенной возникают тоже соприкасающиеся домены с разными свойствами. На границах доменов возникают всякие экзотические частицы и образования. Например, там могут появляться так называемые магнитные монополи. Это частицы, несущие изолированный магнитный заряд, подобно тому, как электроны или протоны несут изолированный электрический заряд. Только магнитный монополь должен быть сверхтяжелым, в 10¹⁶? 10¹⁷ раз тяжелее протона! Такие частицы не могут создаваться в современной Вселенной, для их образования не хватает энергии. Магнитные монополи экспериментально пока не открыты. Но на границах доменов в ?раздувающейся? Вселенной их должно быть много. Давайте проследим, что будет с возникшим доменом в ходе дальнейшей эволюции Вселенной.

Домены рождаются в ?эпоху 10^-34 секунды? после начала расширения. И размер каждого домена около 10^-34 световой секунды, или около 10-²⁴ сантиметра. Затем, в эпоху ?раздувания? Вселенной, его размер увеличивается в 10⁵⁰ раз, то есть до 10²⁶ сантиметров (напомним, что это уже 10 миллионов световых лет!).

Стадия ?раздувающейся? Вселенной заканчивается к 10~³² секунды. После этого Вселенная расширяется по более привычным законам, тормозясь обычным тяготением. Размеры в ней к нашему времени увеличиваются еще примерно в 10²⁵ раз. Значит, размер домена будет примерно 10⁵¹ сантиметров. Это колоссальное число ? около 10³³ световых лет. Напомню, что размер наблюдаемой области Вселенной ?всего? около 10¹⁰ световых лет! Никакой сигнал, выпущенный во Вселенной после стадии ?раздувания?, не успевает пройти больше 10¹⁰ световых лет. Это горизонт видимости, о котором мы говорили.

Следовательно, если домены как следствие фазовых переходов в далеком прошлом Вселенной существуют, то они огромны. Мы живем в одном из таких доменов, где-то внутри его. Степки, отделяющие ?наш? домен от других, лежат от нас, вероятно, на расстоянии около 10³³ световых лет! Внутри домена распределение вещества в больших (по нашим меркам) масштабах однородно. На стенках множество монополей и другой ?экзотики?. А за стенкой ? другой мир.

Так, неизвестно, что было еще ближе к сингулярности. Ясно только, что при временах меньше чем 10~⁴⁵ секунды после сингулярности распадалось на кванты время и пространство. Но что, как и почему происходило ? об этом пока только догадки.

А что было до начала расширения? Об этом достоверно ничего не известно. Можно было бы привести кое-какие догадки. Но это пока еще не наука. И летать на крыльях фантазии без твердого управления наукой в книге, конечно, можно, но это уже в книге совсем иного рода, чем данная.

НА КРЫЛЬЯХ ВРЕМЕНИ