Стивен Хокинг. Непобедимый разум - [27]
Рис. 5.4. Коллапс звезды и появление черной дыры.
После того как вторая космическая скорость для данной звезды превысит скорость света, уже не будет смысла спрашивать, продолжает ли она съеживаться: даже если нет, она уже стала черной дырой. Вспомните наш пример с уменьшением Земли: на прежнем расстоянии от центра и притяжение оставалось прежним. Будет ли звезда и дальше уменьшаться в размерах до точки с бесконечной плотностью или остановится как раз в тот момент, когда вторая космическая сравняется со скоростью света, гравитация на этом расстоянии от центра будет постоянной, и вторая космическая всегда будет равна скорости света. Свет этой звезды не сможет покинуть ее, а лучи, достигающие ее от дальних звезд, не просто искривятся: они обмотаются вокруг черной дыры несколькими витками, прежде чем вырваться или упасть на нее (рис. 5.5). Войдя в черную дыру, свет уже не выйдет из нее: для этого пришлось бы превысить скорость света, что невозможно. Полное затемнение. Ни света, ни отражения, ни какого-либо излучения (ни радиоволн, ни микроволн, ни рентгеновских лучей и т.д.). Ни слух, ни зрение, ни космический зонд – ничто туда не проникает. И впрямь черная дыра!
Тот периметр, на котором вторая космическая сравнялась со скоростью света, становится границей черной дыры, точкой невозвращения, “горизонтом событий”. В конце 1960-х Хокинг и Пенроуз предложили считать черную дыру областью вселенной или “рядом событий”, откуда ничто не может вырваться наружу. Это определение прижилось. Черная дыра, границей которой служит горизонт событий, обнаруживается, лишь когда в пространстве-времени прослеживаются пути космических лучей, которые останавливаются на краю этой сферической границы, не проникая вовнутрь, но и не в силах уйти от нее. Гравитация на таком расстоянии от центра черной дыры достаточно сильна, чтобы не отпустить эти лучи, но недостаточно сильна, чтобы притянуть их ближе. Как же выглядит эта сфера? Словно огромный, мерцающий в космосе шар? Нет. Если фотоны не могут оторваться от орбиты, они не достигают наших глаз. Чтобы мы увидели объект, нужно, чтобы от него до нас долетели фотоны.
Рис. 5.5. На схеме (а) частицы движутся из космоса к звезде. Пути частиц 1, 2 и 3 искривляются с приближением к звезде: чем ближе к звезде, тем сильнее искривление. Частицы 4 и 5 падают на поверхность звезды. В схеме (b) частицы 1, 2 и 3 отклоняются в точности как прежде, поскольку пространство-время за пределами звезды ничем не отличается от пространства-времени за пределами черной дыры той же массы. (Вспомните пример со сжатием Земли.) Частица 4 вращается вокруг черной дыры и исчезает. Она может совершить множество оборотов. Частица 5 падает в черную дыру.
Классическая теория учит, что черная дыра открывает лишь три свои тайны: свою массу, свой электрический заряд (если он есть) и угловой момент, то есть скорость вращения (если она вращается). Джон Уилер, рисовавший мелом на доске картинки в помощь своим студентам, изображал, как в черную дыру, смахивающую на туннель, проваливаются телевизор, цветок, стул, “известные частицы”, гравитационные и электромагнитные волны, угловой момент, масса, “еще не открытые частицы”, а с другого конца туннеля выходят лишь масса, заряд и угловое движение. Одной из задач Хокинга в начале 1970-х[95] стала разработка доказательства забавного утверждения Уилера: “У черных дыр нет волос”.
Размеры черной дыры определяются ее массой. Чтобы вычислить радиус черной дыры (расстояние от ее центра, на котором формируется горизонт событий), возьмите ее солярную массу (она примерно такая же, как была у звезды, превратившейся в черную дыру, если только часть массы не была потеряна при коллапсе) и умножьте это число на три – получите расстояние в километрах. Черная дыра с солярной массой, равной десяти, то есть вдесятеро превышающей массу нашего Солнца, формирует горизонт событий с радиусом в тридцать километров. Понятно, что с изменением массы меняется и радиус, меняются размеры черной дыры. Об этой возможности мы поговорим позже.
Задернув занавес на горизонте событий, звезда погружается в полную изоляцию, поскольку излучаемый ею свет, ее образ, который можно было бы наблюдать из другой точки вселенной, не выпускается за эту границу. Пенроуз хотел понять, продолжится ли коллапс звезды и что будет происходить с ней дальше. Он убедился, что в результате описанного выше коллапса вся материя звезды оказывается внутри ее поверхности, в плену нарастающей силы тяжести, и даже если съеживание не происходит вполне гладко, с сохранением идеальной сферической поверхности, коллапс звезды продолжается. В конце концов поверхность достигает нулевого размера, а материя все так же остается внутри. Огромная звезда с десятикратной солярной массой оказывается пленницей не только горизонта событий радиусом в 30 километров, но более того – нулевого радиуса, нулевого объема. Математики и физики называют такой объект сингулярной точкой. В сингулярной точке плотность материи бесконечна, бесконечно искривление пространства-времени, и лучи света не просто наматываются вокруг – они наматываются с бесконечной плотностью.
