Педро Феррейра Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Глава VIII Сингулярности

Аккреция вблизи горизонта Шварцшильда столь сильна, что может высвобождать до 10 % энергии массы покоя. Это настолько потрясающее количество, что данный процесс генерации энергии можно считать самым производительным во Вселенной. Поэтому в короткой статье, в 1964 году опубликованной в журнале Доклады академии наук, Зельдович продолжил развивать гипотезу о том, что вокруг застывших звезд вырабатывается ошеломляющее количество энергии, вполне достаточное для объяснения слишком ярких квазаров, обнаруженных радиоастрономами.

Одновременно к этому же выводу пришел американский астроном из Корнельского университета Эдвин Солпитер: избыточное радиоизлучение может исходить от массивных объектов, вес которых составляет больше миллиона масс Солнца, или, как он выразился, «объектов чрезмерной массы и относительно маленького размера». На этом Зельдович не остановился. Вместе со своим молодым коллегой Игорем Новиковым он применил данные рассуждения к двойным системам. Примером такой системы могла бы послужить, скажем, нормальная звезда, вращающаяся вокруг застывшей. С их точки зрения, огромное гравитационное притяжение должно «срывать» с верхних слоев обычной звезды весь газ.

При этом, как однажды выразился Роджер Пенроуз, вы будете «опустошать ванну размером с Лох-Ломонд через слив обычных размеров». На газ начнет влиять такая сила, что выделится фантастическое количество электромагнитного излучения с очень высокой энергией, известного как рентгеновское. Значит, по мнению Зельдовича и его ученика, нужно было искать рентгеновское излучение. Так как связь между сколлапсировавшими, или застывшими, звездами и квазарами становилась все более очевидной, в статьях астрономов и астрофизиков все чаще стало фигурировать имя Шварцшильда. Однако как годы спустя вспоминал Уиллер, название, которым пользовался он и его американские коллеги, — «полностью сколлапсировавший гравитационный объект» — было чрезмерно громоздким, и «когда эту конструкцию приходится произносить десятки раз, поневоле начинаешь искать что-нибудь получше».

В 1967 году на конференции в Балтиморе один из присутствовавших предложил термин черная дыра. Уиллер принял предложение, и термин закрепился. В 1969 году кембриджский коллега Денниса Сиамы Дональд Линден-Белл написал в одной из своих статей: «Вывод, что столь массивные объекты в пространстве-времени являются ненаблюдаемыми, в корне неверен. Я считаю, что мы в течение долгих лет наблюдаем их косвенным образом». Он утверждал, что массивные черные дыры в центре галактики засасывают окружающую материю. И этот процесс, как писал Пенроуз, напоминает с журчанием уходящую через слив воду в ванне. Вращающийся вокруг дыры газ принимает форму плоского диска, напоминающего кольца Сатурна, а вся система начинает вращаться по спирали вокруг этой оси.

Ядра галактик, разогреваемые этими аккреционными дисками, превращаются в настоящие маяки, и Линден-Белл брался показать, каким образом возникает и испускается энергия. Кроме того, Мартин Рис вместе с Деннисом Сиамой решили построить детальную модель квазара, объясняющую все его странные свойства, включая размер, расстояние до него, скорость мерцания и пульсации, диапазон испускаемой энергии. За следующие несколько лет Рис и Линден-Белл со своими студентами и аспирантами в Кембридже смогли разработать красивую и подробную модель фейерверков, окружающих квазары и радиоисточники. Мозаика сложилась. В конце концов обнаружили и рентгеновское излучение, о котором говорили Зельдович и Новиков.

Начиная с 1960-х группа под руководством итальянского физика Риккардо Джаккони запускала за пределы земной атмосферы ракеты, которые в течение нескольких минут должны были регистрировать рентгеновское излучение. Оказалось, что разбросанные по небу яркие пятна этого излучения затмевают планеты Солнечной системы. В начале 1970-х с платформы, расположенной рядом с кенийским городом Момбаса, был запущен спутник Uhuru, единственной целью которого была регистрация небесного рентгеновского излучения. Это мероприятие имело грандиозный успех, так как его результатом стало превосходное измерение более трехсот рентгеновских объектов.

В число измеренных спутником Uhuru объектов попал Лебедь Х-1, исключительно яркий источник из созвездия Лебедя. Он был открыт в 1964 году во время суборбитального полета; но Uhuru обнаружил чрезвычайно быстрое мерцание его рентгеновского излучения, ясно указывающее на невероятную компактность этого объекта. За данными Uhuru быстро последовали наблюдения в радио- и оптическом диапазонах, подтвердившие правильность предсказаний Зельдовича и Новикова. Была обнаружена звезда, медленно утрачивающая свою оболочку и слегка колеблющаяся, как будто притягиваемая невидимым плотным объектом с массой, более чем в восемь раз превышающей массу Солнца.

Это было первое доказательство существования черной дыры, пока не бесспорное, но весьма вероятное. Источником рентгеновского излучения был маленький, мощный, невидимый объект. Летом 1972 года Брайс и Сесиль Девитт организовали летнюю школу в коммуне Лез-Уш, расположенной во Французских Альпах. Среди приглашенных были молодые релятивисты, воспитанники Сиамы, Уиллера и Зельдовича, уже успевшие получить мировое признание: Брэндон Картер и Стивен Хокинг из Кембриджа, Кип Торн, его студент Джеймс Бардин, а также Ремо Руффини из Калтеха и Прин-стона, Игорь Новиков из Москвы. Все они были предсказателями черных дыр. «История необыкновенного превращения за менее чем десятилетие общей теории относительности из тихой исследовательской гавани, служившей приютом горстке теоретиков, в передовой рубеж, привлекающий все больше чрезвычайно талантливых молодых людей, теперь известна всем, — писал Девитт в предисловии к протоколу встречи в Лез-Уше. — Ни один объект или концепция не олицетворяют нынешнюю стадию эволюции более полно, чем черные дыры».

Встреча стала кульминацией десятилетия с момента феноменального открытия. Эйнштейн и Эддингтон глубоко ошибались. К 1967 году признал свою ошибку даже Уиллер, согласившись с возможностью существования в природе сингулярностей, предсказанных общей теорией относительности. Решение, найденное Шварцшильдом на полях сражений Восточного фронта, и открытие, сделанное Керром жарким техасским летом, соответствовали реальным объектам. Это были настоящие конечные пункты гравитационного коллапса. Предсказанные общей теорией относительности, неотвратимые и простые, они могли творить настоящие чудеса: формировать мощные квазары и срывать со звезд газовую оболочку.

Радионебо снова и снова демонстрировало дразнящее мерцание, а обнаруженный хаос рентгеновского излучения, казалось, указывал на маленькие плотные объекты. Окончательные измерения еще не были произведены, но существование черных дыр становилось неизбежностью. Делались ставки, какие из странных наблюдаемых объектов могли бы быть черными дырами. Они практически стали реальностью. За предыдущие годы собравшиеся в Лез-Уше сформировали мнение, что обнаруженные в природе черные дыры должны быть столь же математически простыми, как решения Шварцшильда и Керра. Кроме того, Эзра («Тэд») Ньюман из Сиракьюсского университета слегка расширил решение Керра, добавив в него электрически заряженные черные дыры, поэтому в полном решении в рамках общей теории относительности черные дыры характеризуются тремя параметрами: массой, моментом импульса и электрическим зарядом.

Это потрясающий результат. Почему черная дыра не может с одной стороны иметь немного большую массу, подобную горе на поверхности Земли, скомпенсированную меньшей массой с другой стороны, например впадиной? Почему невозможен отступ в одну из сторон с сохранением массы? На самом деле можно себе представить черные дыры разного вида с одинаковыми массой; моментом импульса и зарядом, но каждая с собственными характеристиками. Однако математика доказала обратное, однозначно показав, что общая теория относительности не допускает подобных усложнений. Холмы выравниваются, впадины заполняются, складки разглаживаются.

Черные дыры с одинаковыми массой, моментом импульса и зарядом быстро становятся совершенно одинаковыми, неотличимыми друг от друга. Уиллер описал подобное единообразие фразой «Черные дыры не имеют волос», а доказательство этого факта получило название теоремы «об отсутствии волос». Встреча в Лез-Уше показала, что происходит, когда за решение больших проблем принимаются великие умы. Вот как вспоминает этот период Мартин Рис: «Понять сущность черных дыр пытались три большие группы: в Москве, Кембридже и Принстоне. И я всегда чувствовал среди них единомыслие». И действительно, во времена изоляции Востока и Запада их совместные встречи двигали науку вперед.

Кип Торн и Стивен Хокинг посещали в Москве Зельдовича, сравнивая данные по аккреционным дискам, гравитационному коллапсу и сингулярностям. Такую же важность имели короткие и сложные поездки советских физиков на запад. Вот как вспоминал о Техасском симпозиуме 1967 года, на этот раз проводившемся в Нью-Йорке, Игорь Новиков: «Несмотря на наши отчаянные усилия собрать как можно больше информации и поговорить с как можно большим числом коллег, мы физически не могли обсудить все интересующие нас темы». Годы спустя, на встрече в Лез-Уше в 1972 году Новиков и Торн станут соавторами статьи, посвященной аккреционным дискам.

За десять лет отношение к общей теории относительности Эйнштейна изменилось. Техасский симпозиум стал регулярным мероприятием, собирая сотни астрофизиков, многие из которых считали себя релятивистами. Как сказал Роджер Пенроуз: «Я видел, как черные дыры превращаются из математической абстракции в объект, в существование которого люди действительно верят». Поколение, родившееся в золотой век общей теории относительности, занимало ведущие позиции в лучших университетах. В Великобритании Мартин Рис и Стивен Хокинг возглавили кафедры в Кембридже, Роджер Пенроуз — в Оксфорде. В Соединенных Штатах студенты Уиллера стали сотрудниками Калтеха, Мэриленда и других престижных университетов, как и ученики Зельдовича в Советском Союзе. И все это благодаря работе над общей теорией относительности. Судя по всему, теория Эйнштейна впечатляющим образом стала частью большой физики.