Черные дыры и вселенная: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Введение

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 мертвой 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.

Книга предназначена для тех, кто любит глубокие научные загадки. В ней говорится об отдельных особенностях, свойствах черных дыр и Вселенной, о том, как решаются одни проблемы и возникают новые. Конечно, при этом не ставится цель рассказать все и исчерпать вопрос. Такая цель была бы невыполнима для книги нашего жанра. Скорее автору хотелось с помощью отдельных штрихов создать образ тех грандиозных проблем, которые решены или решаются релятивистской астрофизикой.

Часть I

Черные дыры

Глава 1. Что это такое?

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 предыстория черных дыр, история предсказаний их 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. Это 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 черной 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.