Педро Феррейра Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Глава IV Коллапсары

Как и Чандра, он подошел к теории с точки зрения квантов, пытаясь понять, как квантовые эффекты материи могут противостоять гравитационному сжатию пространства и времени. Каждое лето Оппенгеймер с группой студентов и исследователей отправлялся в Южную Калифорнию и селился в Калифорнийском технологическом институте, в солнечной Пасадене. Там он мог беседовать не только с другими физиками, но и со старыми астрономами, следившими за успехами Хаббла и лично слушавшими лекции Леметра о первичном атоме. Здесь все еще верили в общую теорию относительности.

Именно в Пасадене Оппенгеймер познакомился со статьей русского физика Льва Давыдовича Ландау, в которой рассматривалась гипотетическая ситуация звездных ядер, полностью состоящих из компактной массы нейтронов. Ландау был одним из ведущих светил советской физики, гениальным ученым, выросшим во время русской революции, который воспользовался преимуществами прокатившейся по новой России волны модернизации. Как и Оппенгеймер, он некоторое время жил за границей, обучаясь в лучших лабораториях Европы, где и стал свидетелем рождения квантовой физики.

В девятнадцать он уже написал статью, в которой новая физика применялась к поведению атомов и молекул. В возрасте двадцати трех лет вернувшись в Ленинград, он вызвал восхищение старших коллег и быстро вписался в советскую систему. Обладающий талантом решать сложные и запутанные задачи при помощи квантовой физики, Ландау решил обратить внимание на новый источник энергии звезд: обнаруженные в ядре атома нейтрально заряженные частицы — нейтроны. За предыдущее десятилетие стало ясно, что добавление к ядру нейтронов или протонов, как и удаление их оттуда, приводит к выбросу изрядного количества ядерной энергии. Поэтому Ландау предположил, что если бы ядро звезд состояло из нейтронов, появилась бы возможность высвобождать достаточно энергии для свечения.

Обеспечив такую же плотность нейтронов, как в ядре атома, можно было бы получить нужное топливо. Такой ядерный материал получился бы невероятно тяжелым — созданная из него чайная ложка весила бы тонны. Если атом в толще звезды упадет на ядро, он разобьется вдребезги, частично поглощенный, частично преобразованный в излучение. Согласно Ландау, за яркость звезды отвечает нейтронное ядро — именно оно заставляет Солнце светиться. Затем Ландау рассчитал размер этого ядра и определил, что для стабильности ядра его вес должен в тысячи раз превышать вес Солнца. Такие ядра могут быть спрятаны в центре звезд, выгорая и производя звездный свет.

Однако в процессе написания этой работы Ландау попал под прокатившуюся по стране волну политических репрессий. Через два месяца после публикации в журнале Nature короткой статьи «Об источниках звездной энергии», посвященной нейтронным ядрам, он был арестован НКВД. Ландау был пойман за редактированием антисталинской листовки, которую должны были распространить в Москве во время майского парада 1938 года. В листовке Сталин обвинялся в том, что «в своей бешеной ненависти к настоящему социализму он сравнился с Гитлером и Муссолини». Ландау на год был заключен в тюрьму на Лубянке, причем произошло это сразу после того, как газета «Известия» отметила его статью в Nature как гордость советской физики.

Заинтригованный лаконичностью статьи Ландау и простотой предложенной идеи, Оппенгеймер решил самостоятельно повторить все вычисления. Потребовалось сотрудничество с тремя одаренными студентами, но в конце концов он получил нужный результат. Его первым соавтором был Роберт Сербер. Совместно они тщательно проанализировали идею Ландау, согласно которой нейтронное ядро, окруженное горячими газами, можно было легко спрятать внутри Солнца, и пришли к выводу, что на самом деле всё обстоит по-другому. Свое письмо, почти такое же короткое, как и материал Ландау, Оппенгеймер и Сербер опубликовали в журнале Physical Review в октябре 1938 года, когда Ландау уже томился на Лубянке.

Затем Оппенгеймер сделал следующий шаг уже с другим своим студентом, Джорджем Волковым. Они исследовали стабильность нейтронных ядер. Их статья, опубликованная в январе 1939 года, представляла собой смесь математики, использующей искусные упрощения теории Эйнштейна, проницательной физической интуиции и сложных расчетов. Они показали крайнюю нестабильность конфигурации нейтронных ядер, а значит, невозможность их использования в качестве топлива для больших звезд, что в очередной раз доказывало несостоятельность идеи Ландау. В конце своей статьи Оппенгеймер и Волков отметили, что для понимания судьбы нейтронных ядер в долгосрочной перспективе «важное значение имело рассмотрение нестатических решений». Затем Оппенгеймер приступил к заключительной части работы с очередным студентом, Хартландом Снайдером, на этот раз зайдя в дебри общей теории относительности глубже, чем кто-либо ранее.

Оппенгеймер и Снайдер рассчитали, что произойдет с пространством и временем (и нейтронным ядром) после того, как нейтронная звезда станет нестабильной. Для лучшего понимания получаемых результатов они использовали удачный прием: одного воображаемого наблюдателя поместили далеко от места коллапса, второй же расположился непосредственно на поверхности нейтронного ядра. Затем они сравнили результаты обоих наблюдений. Оказалось, что они значительно разнятся. Удаленный наблюдатель увидит коллапс нейтронного ядра. Но по мере приближения этого ядра к странной поверхности, обнаруженной Шварцшильдом, коллапс будет происходить все медленней и медленней. В какой-то момент схлопывание станет настолько медленным, что будет казаться, будто оно остановилось. Длина волны любого светового луча, который попытается уйти от нейтронного ядра, начнет увеличиваться, все больше сдвигаясь в сторону красного спектра по мере приближения ядра к критической поверхности. Как будто время и пространство перестают меняться и звезда прекращает общение с внешним миром.

Все крайне напоминало предсказание, сделанное Эддингтоном в изданной десять лет назад книге «Внутреннее строение звезд»: «Масса создаст такое искривление, что все пространство замкнется вокруг звезды, оставив нас снаружи (то есть неизвестно где)». Находящемуся на поверхности звезды наблюдателю представится совсем другая картина. Он станет свидетелем неумолимого коллапса нейтронного ядра, увидит, как поверхность нейтронного ядра преодолевает дистанцию критического радиуса и проваливается во внутреннюю область магической сферы Шварцшильда.

Больше того, этот бедный обреченный наблюдатель увидит процесс формирования этой ужасной поверхности, открытой Шварцшильдом, места, откуда ничто не может вырваться наружу. Другими словами, оказавшись в нужном месте, можно увидеть, как реально формируется предложенное Шварцшильдом решение. Оппенгеймер и Снайдер завершили начатую Эддингтоном историю жизни звезд, показав, что при наличии достаточной массы звезды будут сжиматься в соответствии со странным предсказанием Шварцшильда. Это означало, что предложенное Шварцшильдом решение не было всего лишь интересным экзотическим вариантом выводов из общей теории относительности.

Подобные странные объекты могли существовать в природе, их следовало включить в астрофизику и изучать наряду со звездами, планетами и кометами. Вот так в очередной Раз общая теория относительности позволила открыть во Вселенной нечто неожиданное и чудесное.