Содержание
Парадоксы времени: лазейки в мироздании найдены
https://ria.ru/20181005/1529986521.html
Парадоксы времени: лазейки в мироздании найдены
Парадоксы времени: лазейки в мироздании найдены — РИА Новости, 05.10.2018
Парадоксы времени: лазейки в мироздании найдены
Общепринятой теории времени или даже описания, которое устраивало бы всех, до сих пор нет. Тем не менее ученые придумали множество машин времени — ведь ни один… РИА Новости, 05.10.2018
2018-10-05T08:00
2018-10-05T08:00
2018-10-05T08:13
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/152990/76/1529907682_0:5:1036:588_1920x0_80_0_0_92ecfe2d7a26d80fba04d03e605c9dcf.jpg
казань
москва
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2018
РИА Новости
1
5
4.
7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
1920
1080
true
1920
1440
true
https://cdnn21.img.ria.ru/images/152990/76/1529907682_128:0:912:588_1920x0_80_0_0_2e0c5f5d0903a8d7f476ed9c8373b571.jpg
1920
1920
true
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
internet-group@rian.
ru
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
казань, москва, альберт эйнштейн, виталий гинзбург, физический институт ран, астрокосмический центр фиан
Наука, Казань, Москва, Альберт Эйнштейн, Виталий Гинзбург, Физический институт РАН, Астрокосмический центр ФИАН
МОСКВА, 5 окт — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Общепринятой теории времени или даже описания, которое устраивало бы всех, до сих пор нет. Тем не менее ученые придумали множество машин времени — ведь ни один физический закон этого не запрещает. Сможем ли мы когда-нибудь манипулировать этой странной категорией мироздания — в материале РИА Новости.
18 августа 2018, 08:00
Случай или сверхъестественные силы? Кто создал Вселенную
Стрела времени
Мы не воспринимаем время ни одним из органов чувств, однако знаем о нем интуитивно и даже умеем в определенных границах предсказывать, что вскоре случится.
В нашем представлении время идет, бежит, течет. Мы говорим о текущем моменте, прошлом и будущем. Два разных события могут быть связаны между собой как причина и следствие: одно порождает другое. Никогда наоборот. В этом состоит суть принципа причинности, или необратимости времени.
Нобелевский лауреат академик Виталий Гинзбург включил необратимость (стрелу времени) в список трех великих проблем физики.
В классической механике необратимость обусловлена тем, что тела состоят из множества атомов, молекул, стремящихся к хаотичному состоянию (увеличивается энтропия). Простейший пример — сливки в чае. Их можно размешать, но нельзя собрать обратно в точно такую же каплю, хотя молекулы вещества и их число вроде бы остались теми же.
Другое дело — квантовый мир, где объекты — элементарные частицы, поля. Там стрелы времени не существует, процессы обратимы, но только до тех пор, пока мы не пытаемся их измерить, наблюдать. Частицы пребывают во всех возможных состояниях одновременно (физики предпочитают говорить о волновой функции).
Но в момент измерения нашими приборами они «выбирают» одно из состояний (или мы выбираем).
Возникают законные вопросы: время — это объективный феномен, существующий независимо от сознания, как озеро, дом, Солнце? Или это свойство сознания, и без нас его нет?
«Время — худшее, о чем только можно спросить современного физика. Полный разлад в том, что каждая из наук видит время лишь с одной, своей стороны. Приходится поэтому говорить о геометрическом, термодинамическом, квантово-механическом времени. Даже понять, почему разные определения времени имеют какое-то отношение друг к другу, — проблема», — говорит доктор физико-математических наук Сергей Баранов, ведущий научный сотрудник лаборатории взаимодействия излучения с веществом ФИАН.
13 июня 2018, 11:27Наука
Обсерватория LIGO могла найти не черные дыры, а «кротовые норы»
Парадокс близнецов и часов
В советскую эпоху среди любителей сенсаций были популярны рассказы о временных аномалиях, куда попадали люди, морские суда, авиалайнеры.
В Сети вы найдете свидетельства очевидцев, «путешествовавших во времени» внутри сильного смерча.
По мнению Сергея Баранова, если исключить сознательный обман, «аномалии времени» объясняются ошибками восприятия, поломками электроники под влиянием атмосферных явлений или промышленных факторов.
21 сентября 2018, 15:55
Астрономы узнали, с какой скоростью материя падает на черную дыру
«Водители, проезжающие вблизи радаров военного назначения, отмечают сбои в системе GPS, но вряд ли это имеет отношение к телепортации», — приводит пример ученый.
С реальными парадоксами времени физики сталкиваются в экспериментах, но все они объяснимы. Например, в специальной теории относительности известен «парадокс близнецов»: один из братьев-двойняшек, исследующий космос на быстрой ракете, по возвращении обнаруживает, что оставшийся на Земле близнец состарился сильнее. Никакой мистики. Просто в четырехмерном пространстве-времени для движущегося тела время течет медленнее.
Замедление времени фиксируется на ускорителях при распаде нестабильных частиц. Атомные часы на борту орбитальных спутников, наоборот, за сутки убегают на несколько микросекунд вперед. Здесь играет роль гравитация, которая, усиливаясь с высотой, слегка растягивает уровни энергии электронов и ядер.
© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина, Depositphotos / rastudioПарадокс близнецов
© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина, Depositphotos / rastudio
Кротовые норы как телепорт
Теория относительности предсказывает существование во Вселенной черных дыр — объектов с огромной массой, искривляющих пространство. Стороннему наблюдателю кажется, что впереди — край света, за которым ничего нет. Это называется горизонтом событий. За ним замедляется время, внутри черной дыры любую материю разрывают приливные силы. В черную дыру можно только упасть. Назад пути нет.
В этом смысле «кротовая нора» (или «червоточина») открывает больше перспектив. Два входа соединены коротким тоннелем.
Они могут находиться в удаленных частях нашей Вселенной или быть в разных вселенных. Как утверждает физик Митио Каку в книге «Физика невозможного», «червоточины» позволяют путешествовать во времени и пространстве.
29 мая 2018, 08:00
«Цифровую душу можно отправить в космос». Физик рассказал о близком будущем
Проблема в том, что «кротовые норы» нестабильны и под действием тяготения схлопываются. Космолог Игорь Новиков из Астрономического центра ФИАН полагает: если «червоточину» наполнить экзотическим веществом с отрицательной плотностью энергией (создать антигравитацию), она станет проходима.
«Экзотическое вещество — это квантовое состояние материи, известное только в теории. Мы не знаем, есть ли большие количества такого вещества, можно ли его получить искусственно. Нет никаких законов, запрещающих его существование, в том числе в природе», — уточняет космолог.
Современные научные представления допускают, что в центрах галактик, включая наш Млечный Путь, место черных дыр занимают «кротовые норы».
Разобраться в этом помогут будущие проекты, такие как российский «Миллиметрон» — космическая станция в точке Лагранжа, образующая вместе с наземными радиотелескопами гигантский интерферометр, способный различить объекты на относительно небольшом расстоянии друг от друга. Ее запуск запланирован на 2023 год.
«Главное отличие «кротовой норы» от черной дыры в том, что входы обладают магнитным монопольным полем. Кроме того, из кротовой норы вещество способно вытекать, а в черную дыру — только втекать. В «кротовую нору» можно смотреть, как в коридор. Если она ведет в другую вселенную, видно, что там происходит», — объясняет Новиков.
© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина, DepositphotosВремениподобная кротовая нора
© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина, Depositphotos
Машина времени
Согласно обычной теории гравитации, «кротовые норы» должны быть очень маленькими, с планковским радиусом горловины — порядка 10-33 сантиметров. Но «червоточину» можно увеличить.
Для этого в теорию следует ввести дополнительный параметр, полагает Аркадий Попов, старший научный сотрудник Института физики Казанского федерального университета.
«Есть еще вариант увеличения радиуса. Нужно учесть температуру вакуума квантованных полей — экзотического вещества, которое создает «кротовую нору» в пространстве-времени. Это мы сейчас обсчитываем», — говорит ученый РИА Новости.
14 февраля 2018, 08:00
Быстрее света: на что способна квантовая телепортация
По его словам, телепортация через «кротовые норы» не запрещена.
«Может оказаться, что путь через нее гораздо короче, чем по внешнему пространству. Тогда наблюдатели со стороны будут считать, что вы очень быстро переместились — телепортировались», — добавляет Попов.
С помощью «кротовой норы» пытались создать и машину времени. Например, один конец можно вывести в район черной дыры, а другой — далеко, где время течет по-другому. Но тогда возникают всяческие нарушения теории.
«Это означает, что машины времени, скорее всего, запрещены, о чем, кстати, говорил Стивен Хокинг», — напоминает физик.
ДЫРЫ В ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ. Куда течет река времени
ДЫРЫ В ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ
Когда я начал серьезно изучать общую теорию относительности, это был конец 50-х годов, еще никто толком не знал, что такое черные дыры. Даже названия такого не было ни в специальной научной, ни в популярной литературе. Контраст разительный по сравнению с сегодняшним днем, когда про черные дыры буквально все по крайней мере слышали или читали. Черные дыры — это порождение гигантских сил тяготения. Они возникают, когда в ходе сильного сжатия большой массы материи возрастающее гравитационное поле ее становится настолько сильным, что не выпускает даже свет. Быстрее света в природе ничто двигаться не может, значит, из черной дыры не может вообще ничто выходить. В нее можно только упасть под действием огромных сил тяготения, но выхода оттуда нет.
Я впервые столкнулся с описанием очень сильных полей тяготения в монографии Л.
Ландау и Е. Лифшица, о которой я уже упоминал. Ее я изучал, будучи студентом, под руководством А. Зельманова. В этой книге кратко, но предельно ясно говорилось о свойствах тяготения сильно сжатой сферической массы. Решение уравнений Эйнштейна для такого случая было найдено астрономом К. Шварцшильдом, и поэтому такое поле тяготения называют швардшильдовским.
Я помню, что меня тогда не очень заинтересовал этот раздел. Но я сделал для себя некоторые вычисления (в качестве упражнений), пользуясь формулами, которые были в книге, и используя знания, почерпнутые при общении с А. Зельмановым. Надо подчеркнуть, что вычисления в теории Эйнштейна очень сложны, и часто за «лесом» длиннющих формул трудно понять, что означают окончательные результаты. Азам этой науки — ясному пониманию смысла математических выводов — и учил меня А. Зельманов. Замечу, что в сложнейших современных теориях, наверное, самое трудное — это понимание физической сути того, что получается в результате вычислений.
И я весьма благодарен моему руководителю, научившему меня основам этого трудного искусства — понимания.
Итак, я вычислил, с какой силой притягивает центральная масса какое-либо тело, находящееся на ее поверхности. Результат оказался примечательным. Если радиус массы велик, то ответ совпадал с классическим законом Ньютона. Но когда принималось, что та же масса сжата до все меньшего и меньшего радиуса, постепенно проявлялись отклонения от закона Ньютона — сила притяжения получалась пусть незначительно, но несколько большей. При совершенно фантастических же сжатиях отклонения были заметнее. Но самое интересное, что для каждой массы существует свой определенный радиус, при сжатии до которого сила тяготения стремилась к бесконечности! Такой радиус в теории был назван гравитационным радиусом. Гравитационный радиус тем больше, чем больше масса тела. Но даже для астрономических масс он очень мал: для массы Земли это всего один сантиметр, для массы Солнца три километра!
У меня, конечно, возник вопрос: а что произойдет, если масса будет иметь радиус меньше гравитационного? В этом случае, казалось на первый взгляд, сила притяжения должна быть больше бесконечной.
Но это же явный абсурд! Конечно, я пошел к учителю, который сказал, что считается, будто таких тел быть не может, хотя сам он обоснованного ответа не встречал. Потом я узнал, что не только А. Зельманов, но и никто в мире этой задачей не занимался. Вопрос стоял как-то в стороне от магистральной линии развития науки. Столь плотных тел астрономы тогда не знали. Рассуждения на эту тему считались беспочвенными, да почти никто из них тогда и не знал общей теории относительности. Астрономы считали, что эта наука им совсем ни к чему, поскольку она применима к сверхсильным полям тяготения, а в то время такие поля во Вселенной были неизвестны. Мне же эта проблема запомнилась, и когда я поступил в аспирантуру к А. Зельманову, то начал серьезно ее изучать.
Сначала мне казалось, что действительно тело не может сжаться до размеров меньше гравитационного радиуса. Но вскоре понял, что ошибаюсь, и позже скажу, в чем была причина ошибки.
Еще в 1939 году американские физики Р. Оппенгеймер (тот самый, кто потом делал американскую атомную бомбу) и X.
Снайдер дали точное математическое описание того, что будет происходить с массой, сжимающейся под действием собственного тяготения до все меньших размеров. Если сферическая масса, уменьшаясь, сожмется до размеров, равных или меньших, чем гравитационный радиус, то потом никакое внутреннее давление вещества, никакие внешние силы не смогут остановить дальнейшее сжатие. Действительно, ведь если бы при размерах, равных гравитационному радиусу, сжатие остановилось бы, то силы тяготения на поверхности массы были бы бесконечно велики и ничто с ними не могло бы бороться, они тут же заставят массу сжиматься дальше. Но при стремительном сжатии — падении вещества к центру — силы тяготения не чувствуются.
Всем известно, что при свободном падении наступает состояние невесомости и любое тело, не встречая опоры, теряет вес. То же происходит и со сжимающейся массой: на ее поверхности сила тяготения — вес — не ощущается. После достижения размеров гравитационного радиуса остановить сжатие массы нельзя.
Она неудержимо стремится к центру. Такой процесс физики называют гравитационным коллапсом, а результатом является возникновение черной дыры. Именно внутри сферы с радиусом, равным гравитационному, тяготение столь велико, что не выпускает даже свет. Эту область Дж. Уилер назвал в 1968 году черной дырой.
Название оказалось крайне удачным и было моментально подхвачено всеми специалистами. Границу черной дыры называют горизонтом событий. Название это понятно, ибо из-под этой границы не выходят к внешнему наблюдателю никакие сигналы, которые могли бы сообщить сведения о происходящих внутри событиях. О том, что происходит внутри черной дыры, внешний наблюдатель никогда ничего не узнает.
Итак, вблизи черной дыры необычно велики силы тяготения, но это еще не все. Мы помним, что в сильном поле тяготения меняются геометрические свойства пространства и замедляется течение времени.
Около горизонта событий кривизна пространства становится очень сильной. Чтобы представить себе характер этого искривления, поступим следующим образом.
Заменим в наших рассуждениях трехмерное пространство двумерной плоскостью (третье измерение уберем) — нам будет легче изобразить ее искривление. Посмотрим теперь на рисунок 4. Пустое пространство изображается плоскостью (а). Если мы теперь поместим в это пространство тяготеющий шар, то вокруг него пространство слегка искривится — прогнется. Представим себе, что шар сжимается и его поле тяготения увеличивается. Это показано на рис. 4 (б), где перпендикулярно пространству отложена координата времени, как его измеряет наблюдатель на поверхности шара. С ростом тяготения увеличивается искривление пространства. Наконец, возникает черная дыра, когда поверхность шара сожмется до размеров, меньше горизонта событий, и «прогиб» пространства сделает стенки в прогибе вертикальными. Ясно, что вблизи черной дыры на столь искривленной поверхности геометрия будет совсем не похожа на евклидову геометрию на плоскости. Мы видим, что с точки зрения геометрии пространства черная дыра действительно напоминает дыру в пространстве.
Обратимся теперь к темпу течения времени. Чем ближе к горизонту событий, тем медленнее течет время с точки зрения внешнего наблюдателя. На границе черной дыры его бег и вовсе замирает. Такую ситуацию можно сравнить с течением воды у берега реки, где ток воды замирает. Это образное сравнение принадлежит немецкому профессору Д. Либшеру, вместе с которым мы недавно описывали черную дыру.
Но совсем иная картина представляется наблюдателю, который в космическом корабле отправляется в черную дыру. Огромное поле тяготения на ее границе разгоняет падающий корабль до скорости, равной скорости света. И тем не менее далекому наблюдателю кажется, что падение корабля затормаживается и полностью замирает на границе черной дыры. Ведь здесь, с его точки зрения, замирает само время.
С приближением скорости падения к скорости света время на корабле также замедляет свой бег, как и на любом быстро летящем теле. И вот это замедление побеждает (компенсирует) замирание падения корабля.
Растягивающаяся до бесконечности картина приближения корабля к границе черной дыры из-за все большего и большего растягивания секунд на падающем корабле измеряется конечным числом этих все удлиняющихся (с точки зрения внешнего наблюдателя) секунд. По часам падающего наблюдателя или по его пульсу до пересечения границы черной дыры протекло вполне конечное число секунд. Бесконечно долгое падение корабля по часам далекого наблюдателя уместилось в очень короткое время падающего наблюдателя. Бесконечное для одного стало конечным для другого.
Вот уж поистине фантастическое изменение представлений о течении времени. То, что мы говорили о наблюдателе на космическом корабле, относится и к воображаемому наблюдателю на поверхности сжимающегося шара, когда образуется черная дыра.
Теперь читателю, наверное, понятна моя первоначальная ошибочная убежденность, что в черную дыру нельзя попасть. Я смотрел на ход этого процесса по времени (по часам) внешнего наблюдателя и видел, что он бесконечно долгий, а надо было смотреть по времени падающего наблюдателя.
По этому времени падение внутрь дыры происходит за конечное время и даже очень быстро.
Наблюдатель, упавший в черную дыру, никогда не сможет оттуда выбраться, как бы ни были мощны двигатели его корабля. Он не сможет послать оттуда и никаких сигналов, никаких сообщений. Ведь даже свет — самый быстрый вестник в природе — оттуда не выходит. Для внешнего наблюдателя само падение корабля растягивается по его часам до бесконечности. Значит, то, что будет происходить с падающим наблюдателем и его кораблем внутри черной дыры, протекает уже вне времени внешнего наблюдателя (после его бесконечности по времени). В этом смысле черные дыры представляют собой дыры во времени Вселенной.
Конечно, сразу оговоримся, что это вовсе не означает, что внутри черной дыры время не течет. Там время течет, но это другое время, текущее иначе, чем время внешнего наблюдателя.
Когда обучение в аспирантуре близилось к концу, я написал работу об этом другом времени, и она до сих пор является одной из моих самых любимых.
Суть сделанного мной открытия состояла в том, что если переходить из внешнего пространства внутрь черной дыры, то в формулах, описывающих геометрию четырехмерного пространства-времени, координата времени просто заменяется на радиальную пространственную координату, и наоборот. Или, иначе говоря, время превращается в радиальное пространственное расстояние, а это расстояние-то и есть время!
Некоторое представление о том, что происходит, читатель может составить, глядя на рисунок 4 (б). Пространство, изгибаясь при образовании черной дыры, имеет на ее границе уже вертикальное направление (самая верхняя поверхность на рисунке 4(6)), а по вертикали мы откладываем время, что и значит, что пространство (радиальное направление) превращается во время. Удивительные вещи предсказывает теория Эйнштейна!
Когда я написал соответствующие уравнения (итог занимал всего одну строчку), то, как всегда, немедленно отправился к А. Зельманову. Он, взглянув на то, что я принес, мгновенно все понял. Через несколько секунд он сказал: «Немедленно посылайте в печать».
Я был поражен. Это была величайшая похвала, ведь обычно он заставлял все обдумывать и перепроверять месяцами, если не дольше, а свои статьи оттачивал годами. Так началось мое исследование черных дыр.
В конце 50-х годов проблемой внутренности черных дыр занялись молодые физики за рубежом — Д. Финкельштейн и М. Крускал, а затем и другие. Но на ранней стадии моей работы я об этом не знал. Продолжая исследование, мне удалось найти, как именно будут двигаться свободно летящие тела внутри горизонта событий. Эту область, где не может быть покоя, где все обязано падать к центру, я назвал Т-областью. Название подчеркивало обязательную зависимость от времени Т. Так часто подобные области называют и сейчас.
Ученые обычно с особенной любовью относятся к придуманным ими названиям и испытывают своего рода ревность, если кто-то забывает, что название введено ими. На первый взгляд это выглядит странным. Ведь ясно, что доказать что-то существенное в теории трудно, и, казалось бы, каждый, кому это удалось, а результат стал общепризнанным, должен испытывать большее удовлетворение от этого, чем от удачно придуманного и привившегося названия.
Но на самом деле ситуация часто обратная, и я с этим не раз сталкивался. Наверное, тут подсознательно влияет на человека тог факт, что хороших работ в теории бывает достаточно много, а удачных, общепринятых названий всего несколько. Вот что пишет, например, английский математик Дж. Литвуд: «Обозначения L и R (left — левый, right — правый. — И. Н.), которые с благодарностью восприняло целое поколение студентов, были введены мною. В первом издании «Pure Mathematics» (Курс чистой математики. Г. Харди, — И. Н.) классы обозначались через Т и U. Более поздние издания содержат много ссылок на меня, но когда я намекнул Харди, что ему следует отметить и эту мою заслугу (что не было сделано), он отказался выполнить мою просьбу на том основании, что упоминать такие мелочи было бы оскорбительным для меня». (Это известная отговорка угнетателей: то, чего жертва хочет, не служит ее истинным интересам.)
Со мной произошел почти аналогичный случай. В одной из статей я много раз ссылался на известного советского астронома И.
Шкловского, у которого учился, а затем работал, и с которым у нас были очень теплые отношения. В этой статье я упоминал об излучении, оставшемся во Вселенной с древних времен (мы о нем еще будем говорить в этой книге). Это излучение в зарубежной литературе (да и в части нашей) называли неуклюже — «микроволновое фоновое излучение». И. Шкловский назвал его реликтовым. Яркое название понравилось многим. Я его всегда использую. И. Шкловский, прочитав упомянутую мою статью, позвал меня и с большой обидой стал спрашивать, почему я не написал, что название придумано им. В свое оправдание (и совершенно искренне) я бормотал, что название используется уже давно и в десятках статей, что это будет несолидно для его авторитета во всем мире, если по таким пустякам на него ссылаться (буквально те же аргументы, что Харди приводил Литвуду). Но И. Шкловский настойчиво убеждал меня, что «это не пустяки!».
И я думаю, что он был прав. Яркое, эмоциональное название помогает обращать внимание на проблему, привлекает к ней и молодежь, и сложившихся ученых, да и стимулирует тех, кто уже над ней работает.
Это своего рода реклама, а специалисты по рекламе хорошо знают, насколько важно запоминающееся название. Придумав название «черные дыры», Дж. Уилер способствовал популяризации проблемы гравитационного коллапса и среди профессионалов и среди всех, интересующихся загадками науки.
Скажем теперь несколько слов о том, как можно создать черную дыру. На первый взгляд, задача эта несложная. Надо взять какую-либо массу и сжать ее до размеров гравитационного радиуса. Это, конечно, верно. Однако дело чрезвычайно осложнено тем, что величина гравитационного радиуса ничтожно мала даже для больших масс. Так, если взять массу небольшой горы, то ее пришлось бы сжать до размера атомного ядра! Разумеется, не может быть и речи об искусственном создании черных дыр в современных лабораториях или в лабораториях обозримого будущего.
Даже если бы мы взяли массу Земли, то ее пришлось бы сжать до (по радиусу) 1 сантиметра, а массу Солнца — до 3 километров.
Но, оказывается, природа сама позаботилась о создании черных дыр, правда, достаточно большой массы.
Такие черные дыры могут возникать в конце жизни достаточно массивных звезд.
Мы не будем здесь сколько-нибудь подробно говорить об эволюции звезд и о том, что их ждет в конце жизненного пути. Для нас достаточно будет сказать, что если звезда в самом конце активной эволюции, уже после исчерпания ядерного горючего, имеет массу, скажем, в десять масс Солнца и более, то весьма вероятно, что силы собственного тяготения сожмут ее до размеров гравитационного радиуса и превратят в черную дыру. Более того, первые черные дыры во Вселенной, возникшие из звезд, вероятно, уже открыты астрономией. О методах их поисков и открытий мы несколько подробнее скажем далее. Наконец, весьма вероятно, что сверхмассивные черные дыры с массой от ста тысяч до миллиарда и более масс Солнца возникают в центрах гигантских звездных систем-галактик. Возможно также, что во Вселенной есть черные дыры и другой природы.
Когда астрофизики всерьез заинтересовались черными дырами в 60-х годах, перед физиками-теоретиками были поставлены новые сложные задачи.
Р. Оппенгеймер и X. Снайдер описали возникновение черных дыр при сжатии точно сферической массы. Но в природе никогда не бывает абсолютно точно сферических тел. А что произойдет, если сжимающееся тело несферично?
Я заинтересовался этим вопросом после окончания аспирантуры, когда пришел работать к академику Я. Зельдовичу. Здесь вместе с моим сверстником и другом А. Дорошкевичем и нашим руководителем мы взялись за решение проблемы. Когда работа была закончена, ее результат оказался совсем неожиданным. Вычисления показывали, что при сжатии несимметричного тела (но без вращения) возникает черная дыра, которая быстро должна стать совершенно сферической. Любые отклонения от сферичности в гравитационном поле должны при образовании черной дыры излучиться, унестись гравитационными волнами. Возникшая граница черной дыры — горизонт событий — оказывается только сферической!
Я рассказал об этом результате на Международной конференции по гравитации летом 1965 года. Это была первая моя зарубежная поездка, первое по-настоящему серьезное обсуждение проблем с иностранными специалистами и первое представление научных результатов недавно созданной Я.
Зельдовичем группы перед международной общественностью. Дебют был успешным. Мне стало ясно, что благодаря огромной физической интуиции нашего руководителя, его настойчивости и увлекающему всех учеников громадному трудолюбию, основанному на прямо детской влюбленности в тайны природы, наша группа занимает лидирующее положение в новой области науки — «релятивистской астрофизике» (словом «релятивистская» определяли иногда теорию Эйнштейна).
После доклада меня окружила толпа, желающая узнать подробности вычислений. Среди этих энтузиастов я сразу обратил внимание на высокого худощавого, рыжеватого юношу, типичного американца. Заметил его я еще за пару дней перед этим — он был вообще первым для меня иностранцем, краткое научное сообщение которого я слышал в Лондоне. Насколько я помню, он говорил тогда о гравитационном поле цилиндра. Его сообщение меня живо заинтересовало каким-то трудно уловимым на первый взгляд, но совершенно определенным сходством в методе рассуждений его и моем. После моего доклада Кип Торн (так звали юношу) помог мне объясняться с желавшими обсудить доклад, ибо тогда мой английский язык был более чем далек от совершенства.
Мы потом продолжили наше обсуждение. Общность научных интересов и, что не менее важно, общность его и моего видения мира (то, что называют у нас родством душ) быстро стала очевидной для меня. Вскоре мы стали настоящими друзьями. Несмотря на географическую разобщенность (разница во времени между Калифорнией в США, где живет Торн, и Москвой одиннадцать часов) и несмотря на (иногда) годы без личных встреч, эта большая дружба продолжается и поныне. Из готовящейся к печати книги К. Торна «Кривое пространство и деформированное время» (Нортон, Нью-Йорк, 1990) я узнал, что сходные впечатления о наших встречах остались и у него.
Часто наши оценки жизненных явлений оказываются похожими, наши симпатии вызывают одни и те же женщины, и уже как-то само собой получалось, что иногда мы одновременно начинали работать над одинаковыми проблемами. Во время моего последнего посещения лаборатории К. Торна в Калифорнийском Технологическом институте (он является там профессором, членом Академии наук США) я выступил у него на семинаре и критически отозвался о доказательстве теоремы в одной недавней работе (выполненной другими авторами).
Только я раскрыл рот, чтобы высказать свои аргументы, как Кип (он тоже читал эту работу) сказал: «Игорь, я знаю, что ты сейчас произнесешь». Я был поражен, мы сравнили свои аргументы, и они в действительности точно совпали. Еще не придя в себя, я растерянно спросил — откуда все же происходит такая идентичность в мыслях. К. Торн, улыбаясь, ответил: «У нас общий «фон», чуть ли не четверть века знакомства и доскональное знание работ друг друга». (Кип являлся редактором переводов наших с Я. Зельдовичем книг, изданных в США, а я редактировал его книги, переведенные у нас в стране.)
Через три года после конференции в Лондоне Кип приехал в нашу страну на Международную конференцию по гравитации в Тбилиси. Он сообщил мне, что, несмотря на огромный интерес, вызванный нашей работой о коллапсе несферического тела, не все специалисты за рубежом согласны с ее важнейшим выводом о том, что черная дыра образуется и при сжатии несферического тела. Среди скептиков был крупный теоретик В.
Израэль. К. Торн сказал, что сомнение вызывает сделанное нами предположение о том, что при сжатии тела до размеров гравитационного радиуса небольшие отклонения от сферичности не могут стать сколь угодно большими. Физическая интуиция, прививаемая нам Я. Зельдовичем, подсказывала, что такое предположение совершенно очевидно. Но математики требовали доказательств, и я занялся этой работой.
Через год, когда К. Торн вновь побывал в СССР и, проработав у нас в группе полтора месяца, уезжал домой, я смог уже дать ему мою работу с необходимым доказательством. Оно, насколько я знаю, убедило всех.
В этой работе я показал, что если сферическое тело имеет на поверхности небольшую «рябь» и сжимается до размеров гравитационного радиуса, то «рябь» хотя и возрастает немного в ходе гравитационного сжатия, но все же остается малой, вовсе не стремясь «раздуться» до больших размеров. Обоснования именно этого факта — что «рябь» остается малой, и не хватало в нашей первой работе. Я придумал математическое доказательство, которое было очень простым и казалось мне почти тривиальным.
К моему удивлению, наши коллеги за рубежом сочли его неожиданным. Наверное, мне удалось сравнительно просто провести доказательство, потому что я был знаком с работами о математических способах построения так называемых «общих решений» в теории Эйнштейна. Эти построения развивались советскими физиками (впоследствии академиками) Е. Лифшицем и И. Халатниковым. Я также знал работы советского математика А. Петрова, и мне оставалось модифицировать и развить все эти идеи в применении к анализируемой проблеме.
Приведенный пример еще раз показывает, насколько важным является знакомство со смежными областями науки.
В конце 60-х годов, о которых сейчас идет речь, поездки советских физиков в США и американских к нам были куда менее частые, чем сегодня. И каждая поездка тогда была событием, о котором подробно рассказывалось на научных семинарах. Из поездок мы возвращались с новой информацией о том, что делают наши коллеги. Но не менее важно, что мы узнавали и то, как это делается, изучали новый стиль работы, методы, часто сильно отличавшиеся от наших.
Ничто не может более пагубно сказываться на научных исследованиях, чем изолированность, оторванность от мировой науки, невозможность широко и часто общаться с коллегами. Неспециалисту иногда даже трудно понять, насколько сильно стимулируется работа постоянными дискуссиями, обменом мнениями, просто окружением людей, представляющих другие научные школы, другие методы и направления, конечно, если это исследователи с переднего края науки.
В феврале 1967 года я вернулся в Москву из первой поездки в США на так называемый Техасский симпозиум (название «Техасский» связано с местом проведения первого симпозиума) по релятивистской астрофизике, проводившийся в Нью-Йорке. Это был второй симпозиум такого рода, и он отражал резкое изменение ситуации в теоретической и наблюдательной астрофизике.
Многие специалисты осознали, что в природе должны существовать небесные тела, кардинально отличающиеся от всего того, что знали до сих пор астрономы. Они должны быть непохожи ни на обычные звезды, ни на планеты, ни на рассеянный газ.
Эти гипотетические тела имеют огромные гравитационные поля, которые описываются общей теорией относительности. Отсюда и их название — релятивистские объекты, и название самого симпозиума. Речь шла о неоткрытых тогда нейтронных звездах и черных дырах.
Наша делегация АН СССР состояла всего из трех человек — В. Гинзбурга, И. Шкловского и меня. Общее же количество участников достигало нескольких сотен человек. Несмотря на наши отчаянные усилия получить наибольшую информацию и поговорить с максимумом коллег, мы физически не могли охватить всего интересного. Хотя с тех пор прошло более двадцати лет и многое изменилось, но и сейчас, к сожалению, происходят величайшие безобразия, когда наши делегации астрономов и физиков на международных форумах в десятки (а иногда в сотни!) раз менее многочисленны, чем делегации не только США, но и значительно меньших (и менее развитых) стран. Такая якобы «экономия средств» наносит огромный вред не только науке вообще, так как наши физики и астрономы по многим вопросам занимают ведущие позиции, но и дальнейшему развитию исследований у нас в стране, да и всему нашему общему делу.
После симпозиума мы были приглашены в разные научные центры. Я, в частности, побывал в Принстоне, в Институте высших исследований, где провел последние десятилетия своей жизни А. Эйнштейн. Мы были вместе с К. Торном гостями Дж. Уилера и жили у него в доме (К. Торн — ученик Дж. Уилера). Возможность постоянного тесного общения с этими физиками разных поколений показала, насколько серьезно отношение на Западе к проблеме поиска релятивистских небесных тел.
Надо подчеркнуть, что пионерами в организации поисков релятивистских объектов во Вселенной были в 1965 году Я. Зельдович и О. Гусейнов — молодой (тогда!) азербайджанский астрофизик, работавший в нашей группе. Трудности поисков таких небесных тел заключаются в следующем.
Теории были известны два вида релятивистских тел — нейтронные звезды и черные дыры. Нейтронные звезды имеют размер всего в десять километров, и поэтому, даже если их поверхность сильно нагрета, они излучают очень мало света. Черные дыры, как тогда считали, вообще не излучают свет.
Значит, и те и другие должны быть вовсе невидимы с больших расстояний, отделяющих нас от этих небесных тел.
Как же их обнаружить?
Советские физики В. Брагинский и А. Полнарел как-то пошутили по этому поводу, что обсуждение проблемы выглядело аналогично разговору Короля и Алисы в сказке Л. Кэрролла «Алиса в Зазеркалье».
«— Взгляни-ка на дорогу! Кого ты там видишь?
— Никого, — сказала Алиса.
— Мне бы такое зрение! — заметил Король с завистью. — Увидеть Никого! Да еще на таком расстоянии!»
Но Я. Зельдович и О. Гусейнов обратили внимание на то, что невидимые релятивистские объекты должны обладать огромным гравитационным полем. Именно это поле и может помочь обнаружить их. По мнению советских ученых, релятивистские тела надо искать в составе двойных звездных систем, когда тяготение невидимого тела влияет на движение близлежащей звезды. По особенностям в движении видимой звезды и можно судить о наличии невидимого напарника.
После знакомства К.
Торна с работой физиков нашей группы он увлекся идеей обнаружения релятивистских тел во Вселенной. Это служит примером, когда наши исследования подтолкнули американских физиков. К. Торн вместе с В. Тримбл составили список звезд, вблизи которых было заподозрено существование невидимых объектов с сильным тяготением. Увы! Подробное изучение звезд их списка, как и звезд, предложенных другими авторами, не привело к открытию релятивистских небесных тел.
Нейтронные звезды были открыты случайно в 1967 году английскими радиоастрономами по их характерному радиоизлучению.
Открытие черных дыр затянулось. В 1966 году мы с Я. Зельдовичем, а в 1967 году И. Шкловский отметили, что черные дыры (и нейтронные звезды) могут быть мощнейшими источниками рентгеновского излучения. Это случится, если совсем близко от черной дыры находится нормальная звезда. Тогда тяготение черной дыры заставит газ из атмосферы нормальной звезды-компаньона перетекать к ней, закручиваться вокруг нее в компактный газовый диск.
Слои газа в диске из-за трения друг о друга нагреваются до десятков миллионов градусов и, прежде чем упасть в черную дыру, испускают рентгеновские лучи.
Такое рентгеновское излучение делает черную дыру видимой.
В 1972 году были впервые обнаружены рентгеновские источники в составе двойных звездных систем. Часть из них оказалась нейтронными звездами. А другие, как считает большинство специалистов, — черные дыры.
Незадолго до этих событий я познакомился с англичанином С. Хоукингом, впоследствии ставшим одним из самых выдающихся физиков-теоретиков нашего века и, безусловно, самым крупным специалистом по черным дырам. Мы встретились в 1970 году. В городе Брайтоне, находящемся на южном побережье Англии, проходила Генеральная ассамблея Международного астрономического союза. Молодой английский астроном М. Лонгейер, долгое время стажировавшийся в Москве под руководством Я. Зельдовича, пригласил нескольких советских делегатов посетить Институт астрономии в городе Кембридже и знаменитую радиоастрономическую обсерваторию.
Именно на этой обсерватории молодой студенткой-исследовательницей Дж. Белл и ее руководителем А. Хьюшием за три года до этого были открыты нейтронные звезды по их пульсирующему радиоизлучению.
С нескрываемым удивлением я разглядывал своеобразный радиотелескоп, на котором было сделано открытие. Он представлял собой небольшое поле с вбитыми кольями, на которые натянуты горизонтальные ряды проволоки, являющиеся радиоантеннами. В значительной мере телескоп был сделан руками студентов. Эта необычная «машина» позволила открыть небесные тела, где поле тяготения настолько велико, что, для того чтобы вырваться из него, необходима скорость, почти равная скорости света.
Нейтронные звезды оказались своеобразным полигоном для исследования многих удивительных явлений. Так, например, у них настолько сильное магнитное поле, что в каждом кубическом сантиметре у поверхности содержится энергия, эквивалентная ста граммам массы! Такая плотность в сто раз больше, чем плотность воды, и превышает плотность любого минерала или химического элемента в естественных условиях.
И все это только магнитное поле, которое мы привыкли воспринимать как нечто почти эфемерное.
Из-за сильного поля тяготения на поверхности нейтронной звезды время течет в полтора раза медленнее, чем у нас. А в центре такой звезды замедление времени составляет уже более двух с половиной раз.
Еще по дороге в Кембридж мы договорились с М. Лонгейером, что я навещу дома С. Хоукинга. Дома — потому что он был уже тогда тяжело болен атрофирующим латеральным склерозом. Эта болезнь поражает центральную нервную систему, ведет к постепенной атрофии мышц и через несколько лет — к смерти. С. Хоукинг заболел, когда ему было немногим более двадцати лет и он должен был заканчивать свою диссертацию. (В Англии, как и в большинстве зарубежных стран, защищается только одна диссертация на звание доктора философии, а не две — кандидатская и докторская, — как у нас.) Легко понять, что он был травмирован известием о прогрессирующей болезни, не видел смысла заканчивать диссертацию, забросил науку и начал пить.
К счастью, прогрессирующее ухудшение здоровья замедлилось, и судьба улыбнулась ему: он встретил очаровательную девушку — Джейн и обручился с ней. Событие стало поворотом в жизни. Впоследствии он вспоминал: «Для того чтобы жениться, я должен был найти работу, а для того, чтобы получить работу, я должен был закончить диссертацию. Впервые в жизни я начал серьезно трудиться. К своему удивлению, я обнаружил, что это мне нравится».
К моему приезду в Кембридж С. Хоукинг уже был известен своими исследованиями о начале расширения Вселенной (об этом мы еще будем говорить). Он доказал, что Вселенная начала расширяться с состояния чрезвычайно большой плотности и большого поля тяготения, как говорят физики — с сингулярного состояния. И я с интересом ждал встречи с ним.
С. Хоукинг всегда поражал людей при первом знакомстве. Через несколько минут полностью забываешь, что ты находишься рядом с тяжело больным человеком, почти полностью лишенным возможности двигаться. Он весел, оживлен. У него необыкновенные лучистые глаза.
Сразу ощущаешь бесконечную глубину его интеллекта и непрерывно воспринимаешь красоту этих глаз.
Мне было трудно понимать его речь, так как говорил он с большим трудом, но М. Лонгейер, давно общавшийся с ним, помог мне в интерпретации его слов. Я рассказал С. Хоукингу, что мы делали тогда вместе с Я. Зельдовичем в Москве. Мне почему-то казалось, что математические детали не должны его интересовать, и я вскользь заметил, что опущу их в рассказе. На это он, улыбнувшись, ответил, что это самое важное. И я, и он в то время много занимались космологией. Но из разговора я почувствовал, что его настоящий интерес определенно поворачивается к черным дырам. Что касается меня, то я всегда считал, что именно в черных дырах находится ключ к постижению многих глубинных тайн природы.
К счастью, с годами болезнь С. Хоукинга стабилизировалась. Несмотря на первоначальные мрачные прогнозы врачей (и, очевидно, благодаря их заботам и силе духа самого С. Хоукинга), он продолжает жить и работать. Его интеллект, по-моему, становится все более глубоким, хотя, к сожалению, сейчас он не владеет почти никакими мускулами.
Он может передвигаться только на специальной коляске, которой управляет с помощью электроники пальцами левой руки. Он полностью потерял способность говорить и общается с помощью компьютера. Но по-прежнему не потерял чувство юмора, активен, весел, участвует в экскурсиях, в посещении театров и ресторанов, принимает у себя дома гостей, всегда окружен людьми..
И самое главное — он работает как никто другой. Научный мир поражается его глубоким идеям, которые появляются одна за другой. Все они необычны. Я наверняка не ошибусь, сказав, что общаться с ним для всех коллег — счастье.
С. Хоукинг много раз бывал у нас в стране. Последний раз такой визит был летом 1988 года. Он посетил международную конференцию в Ленинграде, посвященную 100-летнему юбилею А. Фридмана, создателя теории расширяющейся Вселенной, выступил с докладом, участвовал во многих экскурсиях, объездил город. Во время конференции я взял у него интервью для советского телевидения.
У С. Хоукинга трое детей: два сына, которым сейчас двадцать один год и девять лет, и дочь восемнадцати лет.
Интересно, что он родился восьмого января 1942 года — ровно триста лет спустя после смерти Г. Галилея (это он сам часто отмечает). О себе он говорит: «Помимо того что я был столь неудачлив, что заболел АЛС, или двигательно нейронным расстройством, я был счастлив почти во всех других отношениях. Та помощь и поддержка, которую я получил от моей жены Джейн и моих детей Роберта, Люси и Тимми, сделали возможным для меня вести довольно нормальную жизнь и осуществить успешную карьеру. Я был счастлив и в том, что выбрал теоретическую физику, так как она вся содержится в уме. Поэтому моя физическая немощь не была серьезной помехой. Мои научные коллеги все без исключения оказывали максимальную помощь».
Следующая после первого знакомства наша встреча с С. Хоукингом произошла в 1972 году. Несколько приглашенных специалистов из разных стран, в том числе С. Хоукинг и я, читали лекции по физике черных дыр на Международной школе в городе Лезуше во Французских Альпах. С. Хоукинг приехал туда со своей очаровательной женой и двумя детьми, которые были тогда совсем маленькие.
Джейн запомнила мои рассказы о пристрастии моего маленького сынишки к игрушечным автомобилям и специально привезла ему в подарок от своей семьи маленькую игрушку — автомобиль. Тогда Хоукинг еще самостоятельно читал лекции, хотя говорить ему было очень трудно. Основные тезисы он заранее диктовал помощникам, и они демонстрировали их во время лекций, а Хоукинг только давал пояснения.
Вечерами мы часто собирались вместе в уютных холлах школы. Много говорили о науке и жизни. С. Хоукинг рассказывал о том, как он в юности увлекался фигурным катанием, Было обидно видеть, как жестоко поступила судьба с этим энергичным, улыбчивым, остроумным человеком. И тем не менее по своему задору он не уступал даже экспансивному молодому профессору-итальянцу Р. Руффини, также читавшему лекции в Лезуше. Наши лекции были затем изданы в виде книги, ставшей первым полным изложением физики черных дыр, явившимся отправной точкой многочисленных дальнейших исследований.
Характерной особенностью нового подхода к проблеме черных дыр было то, что на них перестали смотреть как на нечто кладбищенское — как на «гравитационные могилы», куда материя может только упасть и исчезнуть для внешнего наблюдателя.
На самом деле черная дыра своим мощным полем тяготения взаимодействует с окружающей средой, вызывает бурные физические процессы. Как выразился Р. Руффини — черные дыры отнюдь не мертвы, они «живые». В частности, нагретый поток газа в диске, закручивающемся вокруг черной дыры, входящей в состав двойной звездной системы, должен вызвать рентгеновское излучение.
Как уже говорилось, в 1972 году были открыты первые рентгеновские источники в составе двойных звездных систем. Один из них, носящий название Лебедь X–1 (что расшифровывается так: X — рентгеновский, Лебедь — название созвездия, 1 — номер по порядку), по всем своим параметрам свидетельствовал о наличии там черной дыры с массой примерно с десяток масс Солнца.
Естественно, в Лезуше мы много обсуждали новые открытия. Шутка ли, ведь подозревалось открытие дыр в пространстве и времени. Мы разделились на оптимистов и скептиков. Оптимисты утверждали, что открытие состоялось. Скептики призывали к осторожности и тщательной проверке фактов.
Я сразу поверил в это открытие. Сейчас мне кажется, что интуиция меня не обманула, хотя с годами я стал более осторожным. Близкую к моей точку зрения занимал К. Торн (он также читал тогда лекции в Лезуше), хотя и считал, что открытие нуждается в дополнительной проверке. Через два года, когда сведений об источнике в созвездии Лебедь прибавилось, К. Торн писал: «Эти доказательства на девяносто процентов убедили меня и многих других астрономов в том, что в центре Лебедя Х-1 действительно находится черная дыра».
С. Хоукинг занимал более осторожную позицию. В 1988 году, вспоминая те годы, он писал: «Кажется, что только черная дыра может действительно естественным образом объяснить наблюдения. Несмотря на это, я заключил пари с Кипом Торном из Калифорнийского Технологического института о том, что в действительности Лебедь Х-1 не содержит черную дыру! Это явилось для меня формой страхового полиса. Я сделал много работ, посвященных черным дырам, и это все оказалось бы впустую, если бы выяснилось, что черные дыры не существуют.
Но в этом случае я имел бы утешение, выиграв пари, что дало бы мне четырехгодичную подписку на журнал «Private Eye». Если же черные дыры существуют, Кип получил бы годичную подписку на «Penthouse». Когда мы заключали пари в 1975 году, мы были на 80 процентов уверены, что Лебедь является черной дырой. Теперь я сказал бы, что у нас есть 95-процентная уверенность, но наше пари все еще ждет решения».
Пари было действительно заключено по всем правилам и даже официально опубликовано в книге. Для того чтобы читатель мог полностью оценить юмор спорщиков, следует пояснить, что оба журнала, фигурирующие в условиях пари, имеют весьма и весьма легкомысленное содержание. Но если говорить серьезно, то С. Хоукинг, наверное, дает правдоподобную оценку степени надежности открытия черной дыры. Я бы все же уточнил, что наша уверенность в открытии близка к 99 процентам. Конечно, астрономы осторожничают, потому что речь идет не просто о новых небесных телах, а о дырах в пространстве и времени.
Давайте теперь вернемся к физике этих удивительных объектов.
Мы не собираемся здесь описывать сколько-нибудь подробно их свойства. Нас в основном интересует, как течет внутри их время.
Я уже говорил, что на границе черной дыры бег времени с точки зрения внешнего наблюдателя замирает, как замедляется течение воды у берега реки.
Казалось бы, нас не должен интересовать вопрос о том, что происходит внутри дыры. Действительно, мы не можем ни заглянуть туда, ни получить оттуда какую-либо информацию. Выходит, что внутренность черной дыры отделена от нашей Вселенной непроницаемым барьером. Однако такое заключение правильно только наполовину. Граница черной дыры полупроницаема, поскольку в саму дыру можно упасть, но невозможно оттуда выбраться. А что будет с наблюдателем и его кораблем, упавшим в черную дыру? Назад, как мы знаем, они выбраться не смогут. Сила тяготения будет неумолимо тянуть их в глубь черной дыры. И какова их судьба?
Еще не так давно теоретики предполагали, что, проскочив горловину черной дыры, наблюдатель может появиться из другого отверстия этой горловины в «нашем» пространстве вдали от черной дыры, в которую он упал (рис.
5а). Или он сможет даже «вынырнуть» в пространство «другой» Вселенной (рис. 5б).
Если бы это было возможно, то наряду с черными дырами во Вселенной должны были бы существовать и белые дыры; те самые другие отверстия горловины, из которых может «вынырнуть» наблюдатель. В белую дыру нельзя упасть, из нее можно только вылететь. По- истине черные и белые дыры напоминают улицы с односторонним движением транспорта, а горловины часто называют тоннелями. Но эти улицы во времени!
Белые дыры я открыл в 1963 году чисто математическим путем, когда пытался понять, откуда может взяться гигантская энергия, выделяющаяся в квазарах — необычайно мощно излучающих ядрах некоторых галактик. Через год после опубликования этой работы эти гипотетические объекты были независимо переоткрыты Ю. Нееманом — известным израильским физиком, много сделавшим в теории элементарных частиц. Вскоре, однако, Ю. Нееман занялся совсем другими делами и заиграл видную роль в политике. Мы так с ним серьезно никогда и не обсудили проблему белых дыр.
Страстным пропагандистом возможности существования горловин, соединяющих дыры, был Дж. Уилер.
Математическая теория этих образований была разработана в 1966 году мною, а затем развивалась в США Дж. Бардиным и в Индии Ю. Шахом и П. Вайдья.
Мои исследования того времени по теории горловин понравились академику А. Сахарову, который все больше интересовался проблемой тяготения и космологией. Он в то время развивал космологические теории, имеющие общие моменты с моими исследованиями. Все эти вопросы мы обсуждали между собой и с Я. Зельдовичем. В результате опубликовали с А. Сахаровым препринт Института прикладной математики «Релятивистский коллапс и топологическая структура Вселенной» (1970 г.) со статьями по нашим исследованиям. Этой работой я очень горжусь. Вскоре А. Сахаров выступил официальным оппонентом на защите моей докторской диссертации.
Для доказательства возможности существования в природе белых дыр и горловин (или, как их еще называют, «тоннелей»), ведущих от черных дыр к белым, надо было показать, как говорят физики, устойчивость этих образований.
Это означает, что надо было исследовать, с одной стороны, не порождают ли эти образования какие-либо процессы, которые их же и разрушают. С другой стороны, надо было показать, что внешние воздействия, например, падающие в горловину через черную дыру световые лучи, не разрушают ее.
Первое сомнение в устойчивости подобной горловины высказал английский физик Р. Пенроуз. Он отметил следующее обстоятельство. Предположим, что в горловину попадает через черную дыру свет. Тяготение сообщает световым квантам все большую энергию. Кроме того, эта световая энергия сосредоточивается в очень малом объеме при попадании в горловину. Р. Пенроуз опасался, что тяготение такой спрессованной энергии разрушит горловину. Проверкой этой догадки занимались разные специалисты. В конце 70-х годов эта проблема заинтересовала и меня, хотя я и не знал о более ранней работе Р. Пенроуза. Мне удалось увлечь этой идеей еще троих молодых физиков: А. Старобинского — аспиранта Я. Зельдовича, турка Й. Гурсела и американца В.
Сандберга — учеников К. Торна. В 1978 году, оказавшись в Калифорнийском Технологическом институте (Калтехе), мы с жаром взялись за дело. Времени было в обрез, и приходилось засиживаться за работой до глубокой ночи. Вот как впоследствии вспоминал об этой работе К. Торн в книге «Кривое пространство и деформированное время»: «Калтехский консорциум составляли Йекта Гурсел, который вырос в мусульманской семье в Турции, неподалеку от советской границы, и приехал в Калтех для учебы в аспирантуре; Вернон Сандберг, выросший в мармонской семье в Салт Лейк Сити и работал в Калтехе после защиты диссертации; Игорь Новиков, мой близкий русский друг; и Алеша Старобинский, аспирант Зельдовича, приехавший в Пасадену во время его первой поездки на Запад. Какое было наслаждение наблюдать их: турка, американца и двух русских, их — мусульманина, мормона и двух атеистов, — работавших вместе рука об руку, выводящих предсказания из эйнштейновских законов.
Машина времени
Предыдущая статья
Следующая статья
Поможет ли кротовая нора вернуться в прошлое?
Автор:
Анастасия Куликова
На Всероссийском фестивале NAUKA 0+ главный научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского института метрологической службы (ВНИИМС) Кирилл Бронников рассказал о загадках космоса, черных дырах и путешествии во Вселенную будущего.
©Hans Braxmeier / Pixabay
По словам Бронникова, черные дыры и кротовые норы связаны с гравитационными силами, искривлениями времени и пространства, а также с материей. Общая теория относительности Эйнштейна доказала, что тяжелые тела могут искривлять пространство, буквально «прогибая» его под себя. А черные дыры и кротовые норы – это очень тяжелые тела.
Вообще, черная дыра – это область пространства-времени с мощнейшим гравитационным полем, притягивающим все вокруг. Стоит любому космическому объекту приблизиться к горизонту событий – и он уже никогда не сможет вернуться. Даже скорость света не в состоянии преодолеть притяжение черных дыр – собственно, эта их способность удачно обыгрывается в названии.
Никто не знает, как точно образовались черные дыры. По одной теории, в ранней Вселенной пространство было заполнено исключительно плотной материей. Но там, где эта плотность оказывалась чуть сильнее, вещество сжималось под действием собственного гравитационного поля и образовывало дыру.
Также есть версия, что черные дыры рождаются благодаря коллапсу остатков звезд: когда угасающая звезда начинает катастрофически сжиматься, происходит взрыв с огромным выбросом энергии, при этом остаток звезды продолжает сжиматься и начинает поглощать ближайшие объекты, превращаясь в большую черную дыру.
Размеры черных дыр широко варьируются, хотя вес достигает невероятных показателей. Например, черная дыра диаметром в несколько сантиметров на деле весила бы больше, чем Земля! А теперь представьте, какая масса должна быть у черной дыры, лежащей в центре нашей галактики Млечный Путь! Мы получим ответ, если возьмем массу Солнца и увеличим ее в 4 млн раз.
Что же находится внутри черной дыры? Это область сингулярности, где кривизна бесконечна, то есть понятия «пространство» и «время» там в буквальном смысле перестают работать. Силы гравитации внутри черной дыры по-разному действуют на разные части объекта, поэтому тот же воздушный шар, оказавшись в черной дыре, станет похож на веревку.
Если черная дыра вращается, то, попав во временной тоннель внутри нее, объект выйдет измененным через область белой дыры (обратная противоположность черной: из нее все только вылетает и не может вернуться обратно). А так как время внутри черной дыры не подчиняется физическим законам, проход через черную дыру станет путешествием во Вселенную будущего, из которого невозможно вернуться.
Черную дыру не увидеть телескопом. В реальных условия вокруг дыр есть горячие диски, в которых движутся притягивающиеся объекты, – излучение от них и ловится современным оборудованием.
Первое прямое наблюдение черной дыры произошло 10 апреля 2019 года. Проекту «Телескоп горизонта событий» удалось сфотографировать черную дыру в эллиптической галактике Мессье-87, находящейся в 55 млн световых лет от нас. Также установить местоположение черной дыры можно линзированием: для этого нужно проследить за солнечным светом. Если поток резко меняет свою траекторию, значит, рядом есть черная дыра, которая отклоняет свет гравитацией.
Кротовые норы – объект пространственной геометрии, имеющий свойства тоннеля. На фотографиях, сделанных учеными, видно, что кротовая нора своего рода «мост», искривляющий пространство настолько, что позволяет значительно сократить расстояние между двумя далекими точками. Именно поэтому кротовые норы могут служить машинами времени: путешествие через тоннель займет намного меньше времени. А если по этому же тоннелю вернуться обратно, получится вернуться в прошлое.
Впрочем, ни одной кротовой норы обнаружить пока не удалось. Это лишь предположения ученых. Основная трудность состоит в том, что физика кротовых нор подразумевает экзотические свойства – например, отрицательную плотность и энергию.
Происхождение кротовых нор может объяснить пространственно-временная пена на планковском масштабе. Для этого нужно представить, как мы берем точку пространства и углубляемся внутрь нее на все меньшие масштабы, доходя до размера атомов и еще дальше, до измерений квантовой физики, где пространство и время теряют свои классические свойства.
Так как там происходит квантовый хаос, из-за высокой плотности материи на раннем этапе Вселенной могли произойти слияние двух точек, образование некого тоннеля между ними. А затем при расширении самой Вселенной раздувание пространственно-временной пены могло достигнуть вполне макроскопических размеров.
Кротовые норы и черные дыры остаются слишком загадочными объектами нашей Вселенной. Существуют версии, что они – плоды усилий других сверхцивилизаций. Ученые спорят об отличиях кротовых нор от черных дыр, выдвигают различные теории о том, как можно получать бесконечную энергию от черных дыр или провести тоннель от одной точки нашей Вселенной к другой. И несмотря на то что данных об этих сложных явлениях нашего космоса недостаточно для полного понимания, мы надеемся, что когда-нибудь человечество действительно сможет строить электростанции около черных звезд и совершать поездки между галактиками по космическому «метро».
12.10.2020
«На что способна одна молекула?»
Нобелевский лауреат Уильям Мёрнер рассказал, как увидеть невидимое
13.
10.2021
На сцене – женщины
Выставка современной художницы Ксении Хауснер в ГМИИ имени Пушкина
21.10.2019
Точная копия себя
Клоны могут опередить человека по интеллекту
25.03.2020
«Когда человек несчастлив, его сразу видно»
О счастье, успехе и страданиях рассказал корреспонденту «Журналиста Online» философ Дмитрий Родзинский
Что такое теория червоточин? | Космос
Червоточины — это гипотетические мосты через пространство-время.
(Изображение предоставлено Гетти)
Теория червоточин постулирует, что теоретический проход через пространство-время может создать короткие пути для дальних путешествий по вселенной. Червоточины предсказаны общей теорией относительности. Но будьте осторожны: червоточины несут с собой опасность внезапного коллапса, высокой радиации и опасного контакта с экзотической материей.
Теория червоточин
Теория червоточин впервые появилась в 1916, хотя в то время их так не называли. Изучая решение другого физика уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, австрийский физик Людвиг Фламм понял, что возможно другое решение. Он описал «белую дыру», теоретическое обращение времени черной дыры. Входы как в черные, так и в белые дыры могут быть соединены пространственно-временным каналом.
В 1935 году Эйнштейн и физик Натан Розен использовали общую теорию относительности для развития идеи, предполагая существование «мостов» через пространство-время. Эти мосты соединяют две разные точки в пространстве-времени, теоретически создавая кратчайший путь, который может сократить время и расстояние в пути. Обратные пути стали называть мостами Эйнштейна-Розена или червоточинами.
«На данный момент все это очень гипотетично», — сказал Стивен Хсу, профессор теоретической физики в Орегонском университете, нашему дочернему сайту LiveScience .
«Никто не думает, что мы найдем червоточину в ближайшее время».
Червоточины содержат два входа, с горлом, соединяющим их, согласно статье, опубликованной в Журнале физики высоких энергий (2020). Рты, скорее всего, были бы сфероидальными. Горло может быть прямым участком, но оно также может извиваться, занимая более длинный путь, чем может потребоваться более традиционный маршрут.
Общая теория относительности Эйнштейна математически предсказывает существование червоточин, но пока ни одна из них не обнаружена. Червоточину с отрицательной массой можно обнаружить по тому, как ее гравитация влияет на проходящий мимо свет.
Некоторые решения общей теории относительности допускают существование червоточин, устье каждой из которых представляет собой черную дыру. Однако естественная черная дыра, образовавшаяся в результате коллапса умирающей звезды, сама по себе не создает червоточину.
Через червоточину
Научная фантастика полна историй о путешествиях через червоточины .
Но реальность такого путешествия более сложна, и не только потому, что мы еще не заметили его.
Первая проблема — размер. Предполагается, что первичные червоточины существуют на микроскопическом уровне, примерно 10 –33 сантиметров. Однако по мере расширения Вселенной возможно, что некоторые из них растянулись до больших размеров.
Вселенная начала расширяться сразу после Большого Взрыва. (Изображение предоставлено Гетти)
Еще одна проблема связана со стабильностью. Предсказанные червоточины Эйнштейна-Розена были бы бесполезны для путешествий, потому что они быстро разрушаются.
«Чтобы стабилизировать червоточину, вам понадобится какой-то очень экзотический тип материи, — сказал Хсу, — и неясно, существует ли такая материя во Вселенной».
Статьи по теме
Но более поздние исследования показали, что червоточина, содержащая «экзотическую» материю, может оставаться открытой и неизменной в течение более длительных периодов времени.
Экзотическая материя, которую не следует путать с темной материей или антиматерией, содержит отрицательную плотность энергии и большое отрицательное давление.
Такая материя была замечена только в поведении определенных состояний вакуума в рамках квантовой теории поля.
Если бы червоточина содержала достаточное количество экзотической материи, естественной или искусственно добавленной, ее теоретически можно было бы использовать в качестве метода отправки информации или путешественников в космосе, согласно Live Science . К сожалению, человеческие путешествия по космическим туннелям могут оказаться сложными.
«Присяжных нет, поэтому мы просто не знаем», — сказал Space.com физик Кип Торн, один из ведущих мировых авторитетов в области теории относительности, черных дыр и червоточин. «Но есть очень веские признаки того, что червоточины, через которые может путешествовать человек, запрещены законами физики. Это печально, это прискорбно, но это то направление, в котором все указывает».
Как работают червоточины?
Червоточины могут не только соединять два отдельных региона во вселенной, они также могут соединять две разные вселенные.
Точно так же некоторые ученые предположили, что если одно устье червоточины перемещается определенным образом, это может позволить путешествовать во времени.
«Вы можете отправиться в будущее или в прошлое, используя проходимые червоточины», — сказал LiveScience астрофизик Эрик Дэвис . Но это будет непросто: «Потребуются геркулесовы усилия, чтобы превратить червоточину в машину времени. Будет достаточно сложно создать червоточину».
Однако британский космолог Стивен Хокинг утверждал, что такое использование невозможно.
«Червоточина на самом деле не способ вернуться в прошлое, это короткий путь, так что то, что было далеко, становится намного ближе», — сказал Эрик Кристиан из НАСА .
Хотя добавление экзотической материи в червоточину может стабилизировать ее до такой степени, что пассажиры-люди смогут безопасно проходить через нее, все же существует вероятность того, что добавления «обычной» материи будет достаточно, чтобы дестабилизировать портал.
Современные технологии недостаточны для увеличения или стабилизации червоточин, даже если их удастся найти.
Тем не менее, ученые продолжают изучать эту концепцию как метод космических путешествий в надежде, что технологии в конечном итоге смогут их использовать.
«Вам понадобятся супер-супер-продвинутые технологии», — сказал Сюй. «Люди не будут делать этого в ближайшем будущем».
Дополнительные ресурсы
Какая из теорий Альберта Эйнштейна оказалась верной? Прочтите статью НАСА о 10 вещах, которые Эйнштейн сделал правильно (откроется в новой вкладке), чтобы узнать. Чтобы увидеть представление художника о червоточине, посмотрите этот короткий отрывок из фильма ESA «15 Years of Discovery ».
Библиография
«Червоточины, через которые можно пройти с помощью фантомной энергии». Физический обзор D (2005). https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.71.084011 (открывается в новой вкладке)
«Червоточины в пространстве-времени и их использование для межзвездных путешествий». Американский журнал физики (1987). https://aapt.scitation.org/doi/abs/10.
1119/1.15620 (открывается в новой вкладке)
«Общая теория относительности». Значение относительности (1922). https://link.springer.com/chapter/10 (откроется в новой вкладке)
«Многоротовые проходные червоточины». Журнал физики высоких энергий (2020 г.) https://www.researchgate.net/publication/347125665_Multi-mouth_Traversable_Wormholes (открывается в новой вкладке)
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Нола Тейлор Тиллман — автор статей для Space.com. Она любит все, что связано с космосом и астрономией, и наслаждается возможностью узнать больше. Она имеет степень бакалавра английского языка и астрофизики в колледже Агнес Скотт и проходила стажировку в журнале Sky & Telescope. В свободное время она обучает своих четверых детей дома. Подпишитесь на нее в Твиттере @NolaTRedd
Две сверхмассивные черные дыры, находящиеся на пути к столкновению, исказят пространство и время
Примерно в 9 миллиардах световых лет от нас две гигантские черные дыры вращаются друг вокруг друга — и довольно зловеще.
Этот танец не будет длиться вечно. Примерно через 10 000 лет пара столкнется. Они сольются в единую оглушающую бездну с силой, достаточной для того, чтобы исказить ткань пространства и времени извержением ряби.
Каждая сверхмассивная пустота настолько непостижимо огромна, что наш разум едва может осознать их вес и охват. Они в сотни миллионов раз тяжелее нашего Солнца, но довольно близко друг к другу в относительном космическом масштабе — расстояние между ними примерно в 50 раз превышает расстояние между Землей и Плутоном. Для контекста черная дыра размером всего в половину мяча для гольфа будет иметь массу, эквивалентную всей нашей планете.
В среду в The Astrophysical Journal Letters исследователи опубликовали исследование вальсирующих пропастей, назвав эту систему вторым из когда-либо обнаруженных известных кандидатов на надвигающееся слияние сверхмассивных черных дыр. И, как оказалось, зрелище черных дыр сопровождается столь же драматической хроникой открытий.
Художественная концепция двойной системы черных дыр, вращающихся вокруг друг друга.
Более массивная черная дыра испускает струю, видимая яркость которой меняется по мере того, как дуэт вращается вокруг друг друга.
Калифорнийский технологический институт/Р. Повредить
В 2008 году соавтор исследования Тони Ридхед, астроном из Калифорнийского технологического института, и его коллеги начали наблюдать на небе галактики с ядрами, содержащими активные черные дыры. Точнее, они искали пустоты с центральными струями, извергающими потоки материи с невероятными скоростями, близкими к скорости света, которые тем самым заливают вселенную люминесценцией.
Обычно такие энергетические галактические центры называют квазарами, но целью Рэдхеда было найти подкласс квазаров, называемый блазаром. Короче говоря, струи блазаров направлены прямо на Землю. В течение многих лет компания Readhead успешно отслеживала около 1000 таких огромных лучей. Затем в 2020 году обнаружилось нечто странное.
Струя черной дыры, получившая название PKS 2131-021, выделялась тем, что демонстрировала особое повторение световых вариаций, которые Рэдхед называет синусоидальным узором. Синусоидальные паттерны, по сути, выглядят как волны на диаграмме, идущие вверх и вниз. Вы можете думать о них как о холмах и долинах.
Прицелившись в эту метку, Ридхед проверил, как далеко назад уходит фигура. Проанализировав данные радиотелескопа с мощных машин, таких как Очень длинная базовая решетка Национальной радиоастрономии, команда обнаружила закономерность, восходящую к 1981 году.
там, поскольку мы не осознавали, что данные об этом объекте были до 1980 года», — говорится в заявлении Ридхэда. «Но затем Сандра взялась за этот проект в июне 2021 года», — говорит ведущий автор нового исследования Сандра О’Нил, студентка бакалавриата Калифорнийского технологического института. «Если бы не она, эта прекрасная находка лежала бы на полке».
О’Нил обнаружил, что шаблон растянулся вплоть до 70-х годов, и тогда он сохранял гораздо более сильную последовательность.
В своем заявлении О’Нил сказал: «Когда мы поняли, что пики и впадины кривой блеска, обнаруженные в последнее время, совпадают с пиками и впадинами, наблюдаемыми между 1975 и 1983 годами, мы поняли, что происходит что-то очень особенное».
Именно тогда вмешался соавтор Роджер Блэндфорд, астрофизик из Калифорнийского технологического института. Согласно Рэдхеду, Блэндфорд нарисовал модель синусоидальной волны и обнаружил, что закономерность возникает из-за движения не одного, а две черные дыры , хотя только одна из них испускает струю с флуктуирующим синусоидальным световым узором. Блэндфорд также помог понять, что сверхмассивные пустоты завершают оборот вокруг друг друга каждые два года, или через пять лет с учетом скорости расширения Вселенной. «До того, как Роджер понял это, — сказал Ридхед, — никто не предполагал, что двойная система с релятивистским джетом будет иметь такую кривую блеска».
Художественная анимация сверхмассивной черной дыры, окруженной вращающимся диском из газа и пыли.
Черная дыра испускает релятивистскую струю, летящую почти со скоростью света.
Калифорнийский технологический институт/Р. Повредить
Пожалуй, наиболее поразительно то, что обнаружение двойной системы черной дыры PKS 2131-021 может помочь в изучении гравитационных волн или ряби во Вселенной, образованной сверхсильными гравитационными силами. Существование гравитационных волн впервые обсуждалось Альбертом Эйнштейном столетие назад. Долгое время существование гравитационных волн считалось недоказуемым, поскольку рябь является следствием общей теории относительности, которая умопомрачительно изображает пространство-время в виде осязаемой, способной волноваться ткани.
Но такой скептицизм рассеялся в 2016 году. Ученые из Обсерватории лазерных интерферометров гравитационных волн, также известной как LIGO, потрясли мир, когда впервые объявили об обнаружении таких волн в результате столкновения двух черных дыр, которые, как вы можете вообразите, произвел могущественную гравитационную силу.
По сути, LIGO наконец-то подтвердила захватывающую гипотезу Эйнштейна: пространство-время — это ткань, на которой может образоваться рябь под действием гравитации, подобно тому, как брошенная в озеро монета вызывает рябь на воде.
Но хотя LIGO продолжает лидировать в изучении искривления пространства-времени, авторы исследования подчеркивают, что его детектор не может уловить рябь, вызванную сверхмассивными черными дырами, такими как две обнаруженные в PKS 2131-021. LIGO, по их словам, превосходно находит волны, создаваемые пустотами, масса которых примерно в десятки раз превышает массу нашего Солнца.
Таким образом, ученым необходимо обнаружить синусоидальные световые волны, создаваемые струями черных дыр для бездн любого большего размера. «Эта работа показывает ценность точного мониторинга этих источников в течение многих лет для выполнения научных открытий», — говорится в заявлении Блэндфорда.
И довольно метко Рэдхед сравнивает сагу об этих огромных черных дырах с «хорошим детективным романом».
Черная дыра впервые запечатлена в поразительных деталях
Астрономы наконец увидели черноту черной дыры. Собрав воедино глобальную сеть радиотелескопов, они впервые получили изображение горизонта событий — опасного края черной дыры — на фоне вихрящегося света.
«Мы видели врата ада на краю пространства и времени», — сказал астрофизик Хейно Фальке из Радбаудского университета в Неймегене, Нидерланды, на пресс-конференции в Брюсселе. «То, на что вы смотрите, — это огненное кольцо, созданное деформацией пространства-времени. Свет идет по кругу и выглядит как круг».
Первое изображение черной дыры: трехминутный путеводитель
Изображения светящейся кольцеобразной структуры показывают сверхмассивную черную дыру в центре галактики M87, которая находится на расстоянии около 16 мегапарсеков (55 миллионов световых лет) и в 6,5 миллиардов раз превышает массу Солнца. Они раскрывают более подробно, чем когда-либо прежде, горизонт событий — поверхность, за которой гравитация настолько сильна, что ничто, что пересекает ее, даже свет, никогда не может выбраться обратно.
Долгожданные результаты, сравнимые с распознаванием пончика на поверхности Луны, были обнародованы сегодня совместными усилиями Телескопа горизонта событий (EHT) на семи одновременных пресс-конференциях на четырех континентах. Результаты также были опубликованы в наборе документов 1 , 2 , 3 , 4 , 5 в Astrophysical Astrophysical.
Изображение является «огромным достижением», говорит астрофизик Роджер Блэндфорд из Стэнфордского университета в Калифорнии, который не участвовал в работе. «Когда я был студентом, я и представить себе не мог, что такое возможно, — говорит он. «Это еще одно подтверждение общей теории относительности как правильной теории сильной гравитации».
«Я был так рад, — говорит Андреа Гез, астроном из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. По ее словам, изображения дают «четкие доказательства» существования «фотонного кольца» вокруг черной дыры.
Шесть пресс-конференций по всему миру показали изображения черной дыры.
Black
— предсказания дыр
Почти столетие назад физики впервые пришли к выводу, что черные дыры должны существовать, исходя из общей теории относительности Альберта Эйнштейна, но до сих пор большинство доказательств были косвенными. EHT теперь сделал новое впечатляющее подтверждение этих предсказаний.
Как ученые отреагировали на первое в истории изображение черной дыры
Команда наблюдала две сверхмассивные черные дыры — M87 и Стрелец A*, пустоту в центре Млечного Пути — в течение пяти ночей в апреле 2017 года. Они собрали достаточное разрешение, чтобы запечатлеть далекие объекты, соединив восемь радиообсерваторий по всему миру — от Гавайев до Южного полюса — и каждый собирал больше данных, чем Большой адронный коллайдер собирает за год (см. «Глобальные усилия»). Набор данных, вероятно, будет самым большим из когда-либо собранных в ходе научного эксперимента, и на создание изображений ушло два года работы.
После объединения данных обсерваторий команда приступила к анализу в середине 2018 года. Они быстро поняли, что могут получить первое чистое изображение с M87. «Когда мы увидели первые результаты, мы сосредоточили все свое внимание на M87, потому что мы понимали, что это будет потрясающе», — говорит Фальке.
На пресс-конференции в Брюсселе астрофизик и член коллаборации Моника Москибродска из Radboud заявила, что измерения на данный момент недостаточно точны, чтобы измерить скорость вращения дыры M87 — важнейшую характеристику черной дыры. Но это указывает направление, в котором он вращается, то есть по часовой стрелке в небе, сказала она. Дальнейшие исследования также могут помочь исследователям понять, как черная дыра производит свои гигантские струи.
Команды теперь также обратят внимание на данные Стрельца А*. Поскольку Стрелец A* почти в 1000 раз меньше, чем черная дыра M87, вещество вращается вокруг нее много раз в течение каждого сеанса наблюдений, создавая скорее быстро меняющийся сигнал, чем постоянный, говорит Лучано Резолла, астрофизик-теоретик из Франкфуртского университета им.
Гёте в Германии. и член команды EHT. Это делает данные более сложными для интерпретации, но также потенциально более информативными.
НИК СПЕНСЕР/ Природа ; Эйвери Бродерик/Университет Ватерлоо (ИЗОБРАЖЕНИЯ внизу)
Горизонт событий — отличительная черта черных дыр. Находящемуся поблизости наблюдателю горизонт событий должен казаться сферической поверхностью, скрывающей его внутреннюю часть от поля зрения. Поскольку свет может пересекать поверхность только в одном направлении — внутрь, — шар должен выглядеть полностью черным (см. «Сила тьмы»).
Горизонт событий черной дыры должен казаться в пять раз больше, чем он есть на самом деле, потому что дыра искажает окружающее пространство и искривляет пути света. Эффект, открытый физиком Джеймсом Бардином из Вашингтонского университета в Сиэтле в 1973, похоже на то, как ложка выглядит больше, если ее окунуть в стакан с водой. Более того, Бардин показал, что черная дыра будет отбрасывать еще большую «тень». Это связано с тем, что на определенном расстоянии от горизонта событий большинство световых лучей изгибаются настолько сильно, что эффективно вращаются вокруг черной дыры.
Телескоп размером с Землю
Радиоастрономы подсчитали, что для реального разрешения деталей в масштабе горизонта событий им потребуется телескоп размером с Землю (разрешение телескопа также пропорционально его размеру). К счастью, в этом может помочь метод, называемый интерферометрией. Он включает в себя несколько телескопов, расположенных далеко друг от друга и направленных одновременно на один и тот же объект. По сути, телескопы работают так, как если бы они были осколками одной большой тарелки.
Как охотиться за черной дырой с помощью телескопа размером с Землю
Различные команды по всему миру усовершенствовали свои методы и модернизировали некоторые крупные обсерватории, чтобы их можно было добавить в сеть. В частности, группа во главе с Шепом Доулманом, который сейчас работает в Гарвардском университете в Кембридже, штат Массачусетс, адаптировала 10-метровый телескоп Южного полюса и большую миллиметровую/субмиллиметровую решетку Atacama стоимостью 1,4 миллиарда долларов США (ALMA) в Чили для выполнения этой работы.
В 2014 году Falcke, Doeleman и группы со всего мира объединили свои усилия для создания коллаборации EHT. Свою первую кампанию по наблюдению за Землей они провели в 2017 году. Они наблюдали Стрельца A* и M87 в течение двухнедельного окна в апреле, когда в местах расположения обсерваторий, скорее всего, будет хорошая погода одновременно.
Необработанные данные, исчисляемые петабайтами, были собраны на жестких дисках и доставлены по воздуху, морю и суше для компиляции в Институте радиоастрономии им. Макса Планка в Бонне, Германия, и в обсерватории Стога сена Массачусетского технологического института в Вестфорде.
В прошлом году, когда данные еще обрабатывались, Фальке сказал Nature , что он ожидает, что эксперимент соберет массу информации о структуре черных дыр, но еще не красивую картину. По его словам, в лучшем случае это будет напоминать «уродливый арахис». «Или, может быть, первое изображение будет состоять из нескольких пятен. Он может даже не напоминать арахис».