Вы здесь

Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Абсолютная бездна: Черная дыра


В последнее время внимание астрономов привлекло одно из самых странных в мире открытий. В соответствии с общей теорией относительности в космосе должны существовать объекты, которые обладают столь сильными гравитационными полями, что планеты, звёзды, астероиды или любые другие тела, затянутые в них, просто разрушаются. Ещё более странно то, что, попав в такое поле, никто и ничто не может оттуда выбраться и перестаёт существовать в нашей Вселенной. Такие объекты называют чёрными дырами.

В последние годы проблема чёрных дыр вызывает огромный интерес, хотя сама идея не нова, ей уже около 200 лет. Английский астроном Джон Митчелл, ректор Торнхилла (Йоркшир), ещё в 1784 году доказал, что если масса звезды будет достаточно велика, то свет не сможет покинуть её, т.е. для нас она будет невидима. Через несколько лет к такому же выводу пришёл французский учёный Пьер Симон Лаплас.

Чтобы понять их рассуждения, рассмотрим сначала, что называют скоростью убегания. Представьте себе, что с Земли запускают несколько космических кораблей, причём скорость каждого следующего больше скорости предыдущего. Первые из запущенных ракет будут описывать дугу и падать на Землю, но рано или поздно какая-то из них выйдет на круговую орбиту вокруг Земли. Одна из следующих преодолеет притяжение и улетит в пространство. Её скорость и называется скоростью убегания, причём это понятие относится не только к ракетам, но и ко всем остальным телам, например к естественным спутникам, частицам и т.п. Для Земли скорость убегания составляет примерно 40 000 км/ч. Более массивные объекты имеют бо?льшие значения скорости; чем больше масса, тем больше скорость, а это означает, что рано или поздно для какой-то массы эта скорость будет больше скорости света. Если объектом с такой массой окажется звезда, то её свет просто не сможет покинуть поверхность. Такой именно объект имели в виду Митчелл и Лаплас. В определённом смысле его можно считать чёрной дырой, хотя и не такой, о которой мы будем говорить.

Митчелл пришёл к идее своей «чёрной дыры» на основе теории Ньютона, но если попытаться исследовать проблему глубже, то окажется, что применение этой теории ничего не даёт. Чтобы подробно рассмотреть проблему, нам придётся обратиться к общей теории относительности. Первым, кто понял, что общая теория относительности предсказывает существование странных объектов, был Карл Шварцшильд. Как известно, он раньше других нашёл решение уравнений Эйнштейна, но что-то в этом решении его не устраивало. Масса, как предсказывал Эйнштейн, искривляла пространство, но искривление становилось бесконечным при конечном, а не точечном радиусе. В сущности, пространство свёртывалось, отрезая небольшой участок от остальной Вселенной.

«Кротовая нора» в пространстве; она называется также мостиком Эйнштейна-Розена

«Кротовая нора», соединяющая два удалённых участка пространства

Шварцшильд сообщил о своём успехе Эйнштейну, который порадовался тому, что решение найдено, хотя странный результат его тоже озадачил. Вскоре внимание Эйнштейна привлекла проблема объединения гравитационного и электромагнитного полей, и, работая над ней, он обнаружил кое-что ещё более обескураживающее. Многие учёные склонялись к тому, что фундаментальные частицы (например, электроны, протоны) связаны с математическими сингулярностями (математическая сингулярность появляется, если математическое выражение становится бесконечным). Эйнштейн как раз занимался вместе с Натаном Розеном этими сингулярностями, когда сделал поразительное открытие – существует не один, а два варианта решений его уравнений. Первый показывает, что пространство, приводящее к сингулярности, образует длинную узкую горловину; как ни странно, второй вариант тоже соответствует «горлышку», но прикреплённому к противоположному концу первого. Раз оно ведёт к чёрной дыре, то продвинувшись по горловине достаточно далеко (например, к самой чёрной дыре и за неё), мы заметим, что постепенно она начнёт расширяться. Но куда она откроется? Единственный возможный ответ – в другую вселенную. Эйнштейну это не нравилось, и сегодня, когда речь заходит о других вселенных, многие учёные чувствуют себя неуютно. Эти «горлышки» стали именовать мостиками Эйнштейна-Розена; теперь их иногда называют пространственно-временны?ми туннелями. Позднее было показано, что они не обязательно ведут в другие вселенные, а могут просто выходить в какой-то отдалённый район нашей Вселенной. Это как бы «межзвёздный метрополитен».

Открыв эти мостики, Эйнштейн задался вопросом, нельзя ли пользоваться ими для путешествий в другие вселенные. К его облегчению оказалось, что для этого потребуется сверхсветовая скорость, а в соответствии со специальной теорией относительности вещество не может двигаться быстрее света.

Оппенгеймер и непрерывный коллапс

Примерно в то же время учёные начали рассматривать возможность превращения сколлапсировавшей звезды в чёрную дыру. В 1939 году, закончив совместно с Джорджем Волковым исследования нейтронных звёзд, Роберт Оппенгеймер занялся звёздами столь массивными, что превратиться в нейтронные они не могут. Работая вместе со своим студентом Хартлендом Снайдером, он обнаружил, что когда в такой звезде прекращается термоядерная реакция, происходит коллапс, который продолжается вечно. Этот странный результат смутил и Оппенгеймера, и его студента, но, к сожалению, дальше в своих исследованиях они не пошли.

Роберт Оппенгеймер (1904-1967)

Оппенгеймер родился в Нью-Йорке в 1904 году в довольно обеспеченной семье, где держали слуг. Это сказалось на его характере, так что временами он бывал слишком резким и капризным. Но даже в детстве эти черты нисколько не умаляли его выдающихся умственных способностей. По свидетельству друзей, он был красивым юношей с копной чёрных волос и проницательным взглядом голубых глаз – такие нравятся девушкам. Но в молодости девушки мало интересовали его, он был слишком занят учёбой. В классе он всегда был первым – должно быть, для него это был вопрос чести. Жажда знаний была так велика, что времени не оставалось даже на спорт, который он, впрочем, всегда недолюбливал.

Научные пристрастия Оппенгеймера определились рано. Роберту было лет шесть, когда дед подарил ему коллекцию минералов, и вскоре мальчик стал рьяным коллекционером. В школе он начал изучать физику и химию, и эти предметы его околдовали, чему, возможно, способствовало влияние одного из учителей, Августа Клока, которого Роберт очень любил. Учитель английского тоже имел на него большое влияние. Оппенгеймер в числе других был частым гостем в его доме.

Дружба с этими людьми благотворно повлияла на юношу, хотя в школе его по-прежнему считали заносчивым. Он любил выставлять свои знания напоказ, и временами это приносило ему неприятности – он частенько становился мишенью для насмешек. Однажды он написал родителям из летнего лагеря, что познает там суровую «правду жизни» и очень этому рад. За это письмо его заперли голого на всю ночь в холодном подвале. Получив письмо, родители всполошились и помчались в лагерь; сальные анекдоты («жизненная правда») были раз и навсегда запрещены.

Те, кто знали его в молодости, обычно вспоминают Оппенгеймера как хрупкого и несколько неуклюжего подростка. Однако после поездки в долину Пеко в Нью-Мехико Роберт очень изменился. Он увлёкся пешим туризмом, полюбил спать на земле и научился подолгу обходиться без еды. Позднее он проводил в тех местах немало времени.

В 1922 году Оппенгеймер поступил в Гарвардский университет. Он ещё не решил, кем стать, но интерес к химии помог выбрать химический факультет. Четыре курса он закончил за три года. Все однокашники признавали, что Оппенгеймер на голову выше их по способностям.

За три года в Гарварде он ни разу не ходил на свидания. Впрочем, невинные развлечения не были ему чужды. Однажды зимой Роберт с двумя приятелями шёл по берегу озера, как вдруг они стали подбивать его искупаться нагишом. «Только вместе с вами», – ответил Роберт, и вскоре вся троица, раздевшись догола, нырнула в ледяную воду.

Учился Опппенгеймер только на «отлично», хотя иногда, крайне редко, получал оценку пониже. До последнего курса он никак не мог решить, чему себя посвятить; в это время Перси Бриджмен начал читать курс физики. Роберту понравились и лекции, и сам преподаватель, о котором он позднее сказал, что это был самый блестящий из всех гарвардских профессоров. Оппенгеймер решил, что вместо химии займётся физикой, и после выпуска обратился в Кембриджский университет в Англии. Он хотел работать у Резерфорда, в те времена ведущего физика. Однако прекрасное рекомендательное письмо Бриджмена не произвело на Резерфорда впечатления, и он не взял Оппенгеймера к себе, а отправил в лабораторию Дж. П. Томсона.

Томсон отвёл ему закуток в своей лаборатории и поручил изготовлять тонкие бериллиевые плёнки. Отсутствие опыта обернулось для Роберта полным крахом: работа ему не нравилась и не ладилась. Нелюбовь к работе сочеталась с нелюбовью к жилью, которое позднее он окрестил «чёртовой дырой». Надежды не оправдались, и вскоре Роберт впал в депрессию. Он крепился, но друзья стали замечать неладное. Двухнедельная поездка с приятелями на Корсику помогла ему немного оправиться. Они бродили по горам, забыв все невзгоды. А после встречи с Бором, который приехал в лабораторию Резерфорда, его настроение и вовсе изменилось. Бор и его работа произвели на Оппенгеймера такое впечатление, что он тут же решил стать теоретиком.

Страницы


В нашей электронной онлайн библиотеке вы можете бесплатно и без регистрации прочитать «Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения» автора Паркер Барри на телефоне, андроиде, айфоне, айпаде. Сейчас вы находитесь в разделе „Глава 5Абсолютная бездна: Черная дыра“ на странице 1. Приятного чтения.