Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
6 декабря 2016, вторник, 03:53
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

ТЕАТР

РЕГИОНЫ

Двигатели гравитации 3

Wikimedia Commons

Окончание первой главы книги Калеба Шарфа «Двигатели гравитации. Как черные дыры управляют галактиками, звездами и жизнью в космосе», вышедшей в издательстве «БИНОМ. Лаборатория знаний».

Второй основополагающий сдвиг в научном сознании, который фактически вернул из небытия темные звезды Мичелла, произошел благодаря молодому немецкому патентному клерку, жившему в Швейцарии. До тех пор пока Альберт Эйнштейн не опубликовал свою специальную теорию относительности в 1905 г., таинственные свойства света продолжали интриговать физиков. Эта его работа бесповоротно изменила наши представления о реальности. В тот же момент такие кусочки пазла, как постоянство скорости света, неожиданно повернулись нужными сторонами и идеально встали на свои места. Фактически прорыв, произведенный Эйнштейном, стал результатом глубокого понимания им уравнений Максвелла. Оказалось, что уравнения уже содержали правильное математическое описание природы. Нужно было только найтись человеку, который смог бы осознать это.

В специальной теории относительности Эйнштейна содержатся два фундаментальных постулата. Первый гласит, что законы физики не меняются в зависимости от системы отсчета, в которой вы находитесь, — концепция, выдвинутая еще итальянским астрономом Галилео Галилеем. Вы можете сидеть в кресле на террасе на тропическом острове, а можете быть пристегнутым к креслу ракеты, мчащейся со скоростью, составляющей десятки тысяч километров в час, но вы увидите, что в любом уголке Вселенной действуют одни и те же законы физики.

Что касается второго постулата, то такого до Эйнштейна еще никто не говорил. Он предположил, что скорость света остается постоянной независимо от скорости, с которой движется его источник. Это утверждение противоречит нашему каждодневному опыту, интуиции и ньютоновской механике. Но зато с его помощью можно покончить с мучениями Майкельсона и Морли, забыть об эфире и объяснить справедливость уравнений Максвелла. Отсюда еще становится понятно, что свет — явление совершенно фундаментальное для нашей Вселенной. В наши дни с изобретением лазеров и с использованием более сложного экспериментального оборудования скорость света можно измерять со сверхвысокой точностью — с относительной погрешностью не больше двух к десяти триллионам. Эйнштейн оказался прав. Скорость света в вакууме совершенно не меняется и не зависит от того, как движутся источник света и наблюдатель.

Из этого простого факта вытекает много удивительных физических свойств нашей Вселенной. Само время становится важнейшей составляющей любой системы координат,течение времени оказывается относительным — оно зависит от того, как движется наблюдатель относительно происходящего события. Энергия движущегося тела по сравнению с простой формулой ньютоновской физики также меняется. Эйнштейн установил, что и неподвижное тело обладает так называемой энергией покоя (E), определяемой его массой, и вывел соотношение E = mc2, ставшее впоследствии знаменитым. По мере того как тела, имеющие массу, движутся все быстрее и быстрее, их кажущаяся полная масса, или инерция, возрастает, стремясь к бесконечности при приближении скорости движения к скорости света. Эйнштейн предположил в связи с этим, что реальный объект , имеющий массу, никогда не сможет достичь скорости света или превысить ее, поскольку для этого нужно было бы к нему приложить бесконечно большую силу.

Специальная теория относительности применима для случаев, когда движение объектов друг относительно друга или относительно наблюдателя равномерно (их скорости не меняются). Но десятью годами позже, в 1915 г., Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, которая включила в рассмотрение и случаи ускоренного движения, и явление гравитации.

Если специальная теория относительности была революционной, то общая теория относительности стала полным и абсолютным пересмотром всей предыдущей физики. Одну из ключевых догадок Эйнштейна можно сформулировать так: если вам или мне пришлось бы плавать в невесомости в далеком пустом космическом пространстве, это было бы совершенно эквивалентно нашему падению в гравитационном поле массивного объекта. Это простое заключение привело его к тому, чтобы пересмотреть само понятие гравитации.

Существенным в общей теории относительности является утверждение, что масса и энергия искривляют форму пространства и времени, как будто это кусок эластичной пленки, например из резины (рис. 3). То, что мы называем гравитацией, — просто способ движения объектов в этом искривленном пространстве–времени. Даже свет, не имеющий массы, но имеющий постоянную скорость, подвержен этому воздействию. Поскольку траектория лучей света искажается, свет тоже «чувствует» это странное воздействие, в результате которого лучи изгибаются вблизи массивных объектов. Общая теория относительности Эйнштейна была одной из тех теорий прошлого века, которые сильнее всего взбудоражили сознание. Она до сих пор воспринимается как сложнейшая концептуальная проблема, но тем не менее лучше всех других имеющихся у нас теорий описывает природу Вселенной.

 

3. Диаграмма погружения. Искривление геометрии трехмерного пространства за счет массы объекта можно представить на примере двумерной пленки из резины, которая стягивается и растягивается, если на нее положить массивный предмет. В данном случае предмет — что-то вроде звезды или планеты. Без этого груза координатные линии образуют идеальную сетку с квадратными ячейками. Под этим грузом геометрия пространства искажается — пленка под массивным предметом растягивается. Кратчайшее расстояние между точками в этой области необязательно будет отрезком прямой. Подробнее и глубже мы обсудим принципы общей теории относительности в гл. 3.

Из ранних результатов Эйнштейна вытекает важнейшее следствие. Из специальной теории относительности следует, что энергия, а соответственно и длина волны света меняются при изменении скорости источника относительно наблюдателя. Если источник движется на нас, то испускаемый им свет «голубеет», т. е. его длина волны становится короче, а энергия — больше. А свет от источника, движущегося от нас, будет казаться более красным — его длина волны увеличится, а энергия уменьшится. И при всем этом скорость света остается неизменной. В повседневной жизни мы этих явлений не чувствуем, однако во Вселенной тела могут двигаться достаточно быстро, и тогда эффект становится очень заметным.

Согласно общей теории относительности, тот же эффект возникает и в искривленном пространстве–времени вблизи массивных объектов. Свет, приходящий из глубины искаженного массивным телом пространства, будет нам казаться более красным, т. е. обладающим более низкой энергией квантов. Этот эффект часто называют гравитационным красным смещением. Фотоны часть энергии тратят на то, чтобы выкарабкаться из гравитационной ямы, образованной телом, а скорость их при этом остается неизменной. Аналогично, если наблюдатель сидит глубоко в искривленном пространстве–времени — в яме около массивного тела, свет, приходящий к нему из далекой Вселенной, будет казаться более голубым, а фотоны покажутся более «энергичными», поскольку на пути к наблюдателю они сваливаются в гравитационную яму. Что еще более удивительно, искривление пространства–времени приводит к тому, что, если смотреть издалека, события разворачиваются тем медленнее, чем ближе они к телам большой массы. Эксперименты подтвердили этот эффект. Если у вас хватит терпения просидеть сорок восемь часов в воздушном шаре на высоте примерно 10 км над Землей, вы состаритесь примерно на 0,0000002 с больше, чем оставшиеся на Земле люди. Гравитация замедляет время, и это следствие точно того же явления, что и потеря энергии и связанное с этим красное смещение.

Прошло много лет после опубликования Эйнштейном работ по общей теории относительности, прежде чем были объяснены некоторые ее детали и поняты следствия. Но даже сам Эйнштейн не смог построить законченной модели того, как объект типа массивной звезды искажает ткань Вселенной вокруг себя. Однако другой физик на волне интереса к теории Эйнштейна добился с ее использованием прорыва, сыгравшего ключевую роль в решении этой проблемы.

Как бы неправдоподобно сейчас это ни звучало, сорокадвухлетний ученый Карл Шварцшильд написал свои наиболее выдающиеся работы по теории относительности и квантовой физике в конце 1915 г., находясь на смертельно опасном русском фронте во время Первой мировой войны. Родившись в Германии в еврейской семье, Шварцшильд, как и Мичелл, был эрудитом, и особую страсть он питал к астрономии. Его гениальность проявилась уже в детстве, а к тридцати годам он уже был профессором и признанным в высших академических кругах ученым. Когда началась война, Шварцшильд из патриотических побуждений записался в немецкую артиллерию, но каким-то непостижимым образом при этом продолжал на фронте заниматься наукой. В письме к Эйнштейну он привел точное математическое решение задачи об искривлении пространства–времени вокруг массивного сферического объекта. Во втором письме он привел точное решение для искривления пространства–времени внутри такого сферического объекта при условии постоянства его плотности. Через полгода после написания этих писем на фронте Шварцшильд заболел и умер, так никогда и не увидев, насколько важными оказались следствия его результатов1.

Самым важным результатом Шварцшильда была формула, которая теперь носит его имя. Радиус Шварцшильда устанавливает связь между массой объекта и ее воздействием на свет. Эта важнейшая зависимость со временем поможет доказать, что темные звезды Мичелла и Лапласа могут реально существовать в нашей Вселенной.

Когда Мичелл и Лаплас продумывали свойства этих массивных объектов, они ошибочно полагали, что свет состоит из маленьких частичек, которые должны чувствовать силу гравитации так же, как кусок камня, теннисный мячик или любой другой предмет. Согласно этой теории, мы не сможем увидеть свет, исходящий с поверхности таких звезд, поскольку сила притяжения завернет его назад к звезде. Но если вам удалось бы подлететь к темной звезде, то вы бы смогли встретить эти частицы света, пока они не упали бы обратно на поверхность звезды. Если вы подлетите еще ближе, вы увидите, как их траектории меняют свое направление на противоположное, и вся картина напоминает полет триллионов шариков, подкинутых вверх и падающих обратно на землю. Все, что требуется от вас, это подлететь достаточно близко, и тогда свет от темной звезды станет видимым.

Примечательно, что темные звезды Мичелла ворвались в наш современный мир именно сейчас. На языке Мичелла, на некотором расстоянии от достаточно массивного объекта скорость, требуемая для преодоления силы притяжения этого объекта, начинает превышать скорость света. Это останавливает свет, и объект для окружающей Вселенной становится темным. Но мы теперь знаем и из экспериментов, и из фундаментальной теории, что у света нет массы, и его скорость остается неизменной. Он просто выбирает кратчайший путь в пространстве–времени. Из формулы Шварцшильда, полученной при решении уравнений общей теории относительности, следует только, что тем не менее есть некое расстояние от центра масс объекта, за которое свет выйти не может, — оно называется радиусом Шварцшильда.

В математическом решении задачи об искажении пространства–времени вокруг сферического массивного объекта на расстояниях, равных радиусу Шварцшильда, возникает сингулярность. Математическая сингулярность — это просто точка, в которой алгебраическое выражение теряет смысл, вроде как при вычислении величины частного при делении на нуль. В случае замечательной формулы Шварцшильда такая сингулярность возникает на определенном расстоянии от массивного объекта и указывает на максимум кривизны пространства–времени. Но, возможно, самое интригующее в этом вопросе — является ли радиус Шварцшильда просто математическим трюком или он отвечает какой-то реальности? Ответ состоит в том, что, хотя сингулярность можно сгладить, правильно выбрав математические переменные, эта точка тем не менее выделена. Все траектории на расстояниях, равных радиусу Шварцшильда, заворачивают обратно, даже траектория лучей света. А для вас — сторонних наблюдателей — свет претерпевает сильнейшее красное смещение, т. е. его длина волны увеличивается до бесконечности. Неважно, как близко вы подберетесь, вы все равно никогда не увидите фотонов, вылетающих изнутри.

Эйнштейн продемонстрировал, что свет — это эталон, с помощью которого можно измерять космические характеристики, и он вплетен в саму ткань наблюдаемой Вселенной. Он определяет способ, которым мы изучаем Вселенную, и способ взаимодействия материи и энергии. Сфера Шварцшильда — это нечто большее, чем поверхность, за которую свет не может вырваться. С точки зрения внешнего наблюдателя, это место, где время кажется остановившимся. Если вы установите часы в этом месте и будете наблюдать за ними с безопасного расстояния, вам будет казаться, что они остановились. Строго говоря, они вообще скроются из вида, поскольку красный сдвиг излучения, идущего от них к вам, настолько велик, что его частота и энергия обращаются в нуль. Все, что случается внутри этой сферы, — любое событие — наблюдатель, находящийся снаружи во Вселенной, никогда не увидит. По этой причине радиус Шварцшильда называют еще горизонтом событий (рис. 4).

 

4. Горизонт событий. Другое представление искажения пространства вокруг массивного объекта. В этом случае плотная масса искривляет пространство–время до экстремального состояния. Донышко получившейся воронки и есть горизонт событий. Внешний мир не получает никакой информации из области ниже этого уровня, поскольку даже свет не может вырваться из таких глубин воронки.

Напрашивался очевидный вопрос (и он возникал вновь и вновь даже спустя десятилетия после этих открытий) — могут ли существовать такие места в реальном космосе? Математическое выражение для радиуса Шварцшильда каждого сферического объекта представляется очень простой функцией от его массы. Загвоздка в том, что реальная величина этого радиуса очень мала. Например, для Земли с ее массой около шести триллионов триллионов килограммов (6 · 1024 кг) ее радиус Шварцшильда составляет всего 9 мм — меньше сантиметра от центра Земли.

Это только часть проблемы. Вы должны будете ужать всю массивную Землю в шарик радиусом 9 мм, чтобы создать у нее горизонт событий. Понятно, что при существующем радиусе Земли нет такой точки, в которой бы пространство–время настолько искривились, чтобы помешать излучению света. Наше огромное Солнце имеет массу примерно в 332 000 раз больше массы Земли и радиус около 700 000 км. Солнце нужно сжать более чем в 200 000 раз, чтобы оно поместилось внутри своего радиуса Шварцшильда, равного 3 км. Только тогда пространство–время исказится настолько, что свет не сможет его покинуть.

Хотя в общей теории относительности приводится более полное описание природы гравитации, а также получены строгие и исчерпывающие свидетельства принципиальной возможности существования темных объектов, людям было трудно поверить, что подобные нелепости действительно могут реализоваться где-то во Вселенной.

Забавно, что сам Эйнштейн был среди тех, кто оспаривал реальность таких объектов. Вместе с крупным английским физиком Артуром Эддингтоном и другими учеными он считал, что невозможно создать реальный объект, у которого бы выполнялись условия существования горизонта событий. Неизвестны были и физические процессы, которые могли бы привести к созданию столь плотного тела. Дело еще осложнялось странностью самого понятия горизонта событий. В этой точке время должно останавливаться. С точки зрения внешнего наблюдателя, это могло бы помешать любому реальному телу когда-либо проникнуть внутрь этой границы. Оно бы застыло там навсегда.

Существуют разные варианты формулировок аргументов против существования темных объектов. Эйнштейн использовал пример облака из небольших тел, вращающихся друг вокруг друга подобно звездам, летящим по орбитам в искривленном пространстве–времени, или в общем гравитационном поле, образованном всеми их массами. Чем компактнее облако, включающее орбиты этих тел, тем быстрее и быстрее они должны вращаться, чтобы не стать жертвой гравитации и не свалиться в центр их масс. Если сделать облако размером с радиус Шварцшильда, то эти маленькие объекты должны будут вращаться со скоростью больше скорости света, что, как доказал Эйнштейн, невозможно.

В течение следующих десятилетий замечательная группа величайших ученых ХХ в. постепенно пробилась через частокол труднейших и требующих огромных усилий для своего решения физических проблем, и, наконец, получение ответа стало возможным. Выяснилось, что во Вселенной существуют и другие экстремальные области, встречающиеся гораздо чаще, чем кто-либо подозревал. Все это стало ступеньками к нахождению ответа.

В это время разворачивалась еще одна революция, начавшаяся в ранние 1930-е гг., когда закладывались основы квантовой механики, физики атомных и субатомных масштабов, и возникла идея дуализма волновых и корпускулярных свойств материи. Если общая теория относительности опрокинула наши устоявшиеся представления о природе сущего, квантовая механика их еще больше запутала, и теперь уже мало кто мог, а скорее вообще никто не мог до конца всё это понять.

В развитии этой новой физики ключевую роль сыграли многие ученые — от самого Эйнштейна до Макса Планка, Нильса Бора, Вернера Гейзенберга и многих других. В 1927 г. Гейзенберг первым сформулировал наиболее странную и сложную с точки зрения философии концепцию — принцип неопределенности. В соответствии с этим принципом в основе описания физического мира лежит тот факт, что в микроскопических масштабах природе присуща неопределенность. Например, невозможно одновременно точно измерить и положение тела, и его импульс (импульс есть масса, умноженная на скорость). Это означает, что если положение какого-либо объекта типа электрона, радиус которого имеет порядок фемтометров (10–15 м), измерено точно, то его импульс будет неопределенным. А поскольку сам акт измерения всегда предполагает взаимодействие (например, в процессе измерений электрон попадает в маленькую ловушку), от неопределенности никуда не деться. Благодаря этой свойственной миру неопределенности открываются возможности для спекуляций по поводу всяких необычных явлений вроде параллельной реальности или виртуальных частиц, возникающих из ниоткуда и исчезающих в никуда. Однако, посмотрев на проблему с позиций математики, мы увидим, что квантовая теория просто хорошо описывает окружающий нас мир. Она точно описывает поведение атомов, электронов и атомных ядер, а также свет и электромагнитные явления.

В то время как эта таинственная реальность субатомного мира начала приоткрываться, в астрофизике звезд тоже произошли кардинальные открытия. Постепенно, начиная с 1900-х гг., становилось ясно, что звезды и звездоподобные космические тела — это не стационарные, а постоянно развивающиеся объекты самых разнообразных цветов и размеров. Но в каком-то смысле они представляют собой и разные стадии жизненного цикла единого процесса. И единственным известным источником энергии, поддерживающим жизнедеятельность звезд, мог быть ядерный синтез, в процессе которого вещество превращается в энергию, и теперь это можно было описать с помощью специальной теории относительности и квантовой механики.

К концу 1950-х гг. основные кусочки пазла, на котором изображена общая космическая картина, были расставлены по местам. Мы уже знали, что звезды — это объекты, в которых соревнуются между собой гравитация и внутреннее давление смеси электронов и атомных ядер (плазма) и даже самого света. Гравитация стремится сжать, или «схлопнуть», объект. А направленное наружу давление пытается удержать материю от коллапса. Такое соревнование приводит к тому, что в ядрах звезд температура достигает десятков миллионов градусов. Эти условия достаточно экстремальны, чтобы ядра атомов соединились, образуя более тяжелые элементы (ядерный синтез), и высвободили энергию. Это ключевой процесс, без которого любые формы жизни, например наша, никогда бы не возникли.

Большая часть видимой материи во Вселенной все еще состоит из водорода и гелия. Эти первородные элементы — остатки горячей молодой Вселенной, образовавшейся после Большого взрыва. Весь углерод, азот, кислород и все другие тяжелые элементы во Вселенной образовались позже. За эти процессы ответственны звезды. Они служат «космической скороваркой», в которой ядра водорода и гелия сливаются, образуя все более и более тяжелые атомные ядра и снабжая Вселенную новыми элементами.

Рецепты приготовления блюд сложны, но известно, что чем массивнее звезда, тем более тяжелые элементы в конечном счете она может синтезировать. И еще: чем больше масса звезды, тем быстрее она сжигает легкие элементы, служащие топливом. Если звезда, подобная нашему Солнцу, может варить блюда из атомных ядер в течение примерно десяти миллиардов лет, то в 20 раз более массивная звезда может сжечь свое топливо всего за несколько миллионов лет. В десять раз менее массивная, чем Солнце, звезда может спокойно гореть триллион лет или дольше.

Ключевой аспект этих открытий — конечная судьба звезд. Звезда, лишенная основного источника энергии в своем ядре, — это объект, в котором гравитация может раз и навсегда победить в борьбе с давлением. Это тоже сложная проблема, но природа предоставила нам некоторые подсказки. В течение первых десятилетий XX в. пошел поток все более изощренных и многообещающих наблюдений за окружающей нас Вселенной, в частности астрономы открыли и описали удаленные астрофизические объекты, явно не похожие на наше Солнце или известные нам ближайшие звезды. Среди них звезды, называемые белыми карликами. Несмотря на то что они очень тусклые, цветовой состав их излучения такой, какой можно было бы ожидать от больших, очень горячих и ярких звезд. В 1920-х гг. астрономы поняли, что в действительности — это маленькие объекты, много меньше обычных звезд, но во много-много раз превосходящие их по плотности. Теперь мы знаем — их плотность такова, что кубический сантиметр такого вещества (примерно размер кончика вашего мизинца) может весить миллионы граммов. Представьте себе, что кубик такого вещества со стороной четыре метра будет весить столько, сколько все люди на Земле.

Астрофизики, изучающие звезды, считают, что эти объекты — остатки или оболочки сгоревших звезд, подобных Солнцу. Однако объяснение того, как такой плотный объект (хотя и размером много больше его шварцшильдовского радиуса) может существовать в стабильном состоянии, это гораздо более хитрая задача. Для уравновешивания сил гравитации, стремящихся схлопнуть такой компактный объект, как белый карлик, уже недостаточно тех сил нормального давления, какие поддерживают рановесие нашего Солнца, не давая ему сколлапсировать и взорваться.

Первая важная догадка осенила английского физика Ральфа Фаулера — энергичного, атлетически сложенного ученого из Кембриджа. Жадно набросившись на работу, Фаулер перелопатил целые разделы математики, а позже — физики и химии. В 1920-х гг. он ловко применил для решения этой задачи аппарат только что родившейся квантовой механики. Из ее уравнений вытекало, что если вещество переходит в более плотное состояние, начинает играть заметную роль новый тип давления, которое в обычных условиях, как, например, на поверхности Земли, едва заметно. По мере сжатия вещества белого карлика, его атомы сближаются, в результате чего разрушаются их электронные оболочки. Согласно квантовой механике, электроны должны оставаться разделенными и ограничены в своем движении размерами крошечных электронных волн. При уменьшении объема, доступного для движения электронов, их волновые свойства проявляются все явственнее, а импульсы увеличиваются согласно принципу неопределенности. Это приводит к тому, что давление квантового электронного газа (его называют вырожденным) намного превосходит давление обычных частиц классического газа. В белых карликах именно давление квантового электронного газа противодействует гравитации2. Фаулер понял, что квантовое давление даже не зависит от температуры. Фактически через достаточно большое время белый карлик мог бы охладиться до абсолютного нуля, а давление вырожденного электронного газа все еще могло бы удерживать его от разрушения! Но есть ли предел у массы карлика? Насколько массивным может быть белый карлик, еще не сколлапсировавший под действием собственной гравитации?

Понадобился гений молодого физика по имени Субраманьян Чандрасекар, обучавшегося в Мадрасе, на юге Индии, чтобы решить проблему. Его способности позволили эффективно совместить различные знания из области теории относительности, квантовой механики и гравитации.

В любом стабильном объекте с плотностью белого карлика пространство, занимаемое электронным газом, сжато до очень маленьких объемов, и электроны разгоняются до чрезвычайно высоких скоростей, обычно превышающих 50% скорости света. Чем массивнее белый карлик, тем меньше пространства остается электронам, тем выше их скорости и тем отчетливее проявляются их релятивистские свойства. Из этого проистекают два важных следствия. Первое: в отличие от космических объектов типа обычных звезд, чем массивнее белый карлик, тем меньше его диаметр. И второе: поскольку никому не позволено двигаться быстрее скорости света, возникает естественный предел для массы белого карлика. В конечном счете электроны уже не смогут разогнаться больше, давление вырожденного электронного газа перестанет дальше расти, и гравитация сожмет и раздавит карлика.

В 1935 г. Чандрасекар представил полную теорию, объясняющую поведение всех белых карликов. Тогда ее подвергли жесткой критике, и прошло много лет, прежде чемона была полностью признана и оценена. Кроме того, Чандрасекар вычислил максимальную массу белых карликов. Он понял, что квантово-механическое давление вырожденного электронного газа может помочь белому карлику избежать коллапса под действием своего веса, только если его масса не превысит 1,4 массы нашего Солнца.

В этой истории много и других сюжетов, но красивейшее решение проблемы Чандрасекаром сыграло ключевую роль. В нем неявно содержался ответ Эйнштейну и другим физикам, сомневавшимся в том, что реальный объект может сжаться до размеров своего радиуса Шварцшильда. В теории Чандрасекара была также заложена основа понимания жизненных циклов самих звезд, многие из которых заканчивают свое существование, становясь белыми карликами. Неудивительно, что огромную современную рентгеновскую обсерваторию, зарегистрировавшую свет, проделавший до нее через Вселенную путь в 12 млрд световых лет, окрестили в знак уважения «Чандрой».

Препарирование белых карликов было только началом. В те годы параллельно бурно развивались два процесса познания мира человечеством: с одной стороны, приоткрывалась завеса тайн над строением звезд, а с другой — пришло понимание природы субатомного мира. В XX в. беспрецедентно плотно переплелись наука и военная техника, политика и экономика, связанные с вооружением. Когда физики Запада и Востока нашей планеты соревновались в том, кто быстрее создаст разрушительную атомную бомбу, они параллельно продвинули науку об экстремальных состояниях материи. Следующий прорыв в науке о темных звездах произошел, когда стало понятно, что могут существовать состояния материи даже с большей плотностью, чем у белых карликов. Оказалось, электроны могут быть «вдавлены» в сами ядра атомов и превратить протоны в нейтроны. Это ведет фактически к превращению материи в гигантское и странное атомное ядро — нейтронную звезду. Она может быть во много-много раз более плотной и компактной, чем все объекты, встречавшиеся до сих пор. Американский физик Роберт Оппенгеймер, игравший центральную роль в создании атомной бомбы, участвовал и в создании теории, описывающей такие экзотические объекты. Как и белые карлики, нейтронные звезды имеют предельную массу. При значении массы больше двух-трех масс Солнца гравитация сокрушит даже и эти звезды.

Однако, в отличие от белых карликов, нейтронных звезд в природе никто никогда до того времени не наблюдал. Все изменилось в конце 1960-х гг. после некоторых любопытных астрономических измерений. Их кульминацией стало эффектное открытие учеными Джосилин Белл и Энтони Хьювишем удаленной нейтронной звезды, вращающейся вокруг собственной оси с частотой примерно один оборот в секунду; эту звезду отнесли к классу объектов, впоследствии названных пульсарами. Впервые такой объект был зарегистрирован в Англии комплексом гигантских радиоантенн, занимающих площадь около полутора гектаров в нескольких километрах к западу от Кембриджа. В окружении стада местных овец, увлеченно пасущихся на лужайках, уроженка Белфаста аспирантка Белл и ее научный руководитель англичанин Хьювиш изначально планировали исследовать радиоизлучение объектов в удаленных уголках Вселенной. Когда они зарегистрировали неизвестный пульсирующий сигнал, они испытали шок. Ученые задумались над природой этого объекта и поняли, что единственным возможным объяснением является то, что источник сигнала — это очень маленькое и очень быстро вращающееся тело, которое испускает радиоволны, подобные свету от маяка. Единственным астрофизическим объектом, таким маленьким, но при этом достаточно прочным, чтобы выдержать эту безумную скорость вращения, могла быть гипотетическая нейтронная звезда.

Белые карлики при сравнении с нейтронными звездами выглядят совершенными пушинками. Кубический сантиметр (примерно кубик сахара-рафинада) вещества нейтронной звезды весит столько же, сколько все люди на Земле. Белый карлик с массой Солнца может иметь радиус порядка земного, а нейтронная звезда с массой, равной двум солнечным, будет иметь радиус порядка 12 км.

В нейтронных звездах гравитации противостоит то же самое квантовое давление, что и в белых карликах, но оно теперь создается не вырожденным электронным газом, а нейтронным. Неправдоподобная компактность нейтронных звезд приводит к тому, что их радиус становится почти равным их радиусу Шварцшильда. Чтобы оторваться от поверхности такого объекта, вы должны приобрести скорость, сравнимую со скоростью света (примерно 30% скорости света, что составляет 100 000 км/с). Пространство–время вблизи нейтронной звезды так искривлено, что если вас угораздит упасть на нее с высоты одного метра, вы грохнетесь на поверхность со скоростью 2000 км/с.

И наконец, во Вселенной имеются и астрофизические объекты, которые балансируют на грани света и тьмы. Наличие таких объектов и разработка учеными более детальных и понятных моделей взрывов звездных остатков окончательно похоронили представление о том, что никакой реальный объект не может сжаться до размеров меньше его радиуса Шварцшильда. Если в этих экстравагантных астрофизических объектах накопить больше вещества, ни одна из известных сил уже не сможет противодействовать ужасному коллапсу внутрь сферы Шварцшильда и дальше во внутреннюю сингулярность — в точку, вблизи которой плотность вещества бесконечна. К концу 1960-х гг. все согласились с мнением, что такие места в космосе должны существовать, и тогда начались наблюдения за всеми необычными космическими объектами в надежде найти среди них каких-либо подходящих на такую роль кандидатов.

В 1967 г. американский физик Джон Уилер делал доклад в Нью-Йорке (в настоящее время относящемся к NASA Годдаровском институте космических исследований при Колумбийском университете). В этом невзрачном здании (где, между прочим, на первом этаже разместился ресторан с названием «Обед у Тома», прославленный певицей Сюзан Вега), харизматичный Уилер впервые использовал термин «черная дыра» для объекта, сколлапсировавшего внутрь своей сферы Шварцшильда. И это название прижилось. После пары сотен лет забвения мичелловские темные звезды в конце концов превратились в черные дыры.

С тех пор мы многое узнали об этих экстравагантных черных дырах. Раньше я сделал утверждение, что они играют ключевую роль и в эволюции Вселенной, и в появлении самой жизни. Хотя это может звучать несколько вызывающе, но оказалось, что всё в нашей Вселенной намного более взаимосвязано, чем мы полагали даже десять лет назад. И гораздо более разнообразно. Концепции, которые помогают нам постичь эту взаимосвязь, являются также наиболее важными и ключевыми идеями физики последнего столетия. Мы уже обсудили некоторые из них. Это и конечность и постоянство скорости света, и природа пространства–времени, гравитации и массы, и конечный возраст и масштаб наблюдаемой Вселенной. Я затронул еще множество проблем: природу звезд, массу Вселенной, синтез элементов из первородных водорода и гелия. Помимо этих, есть еще другие вопросы, которыми сейчас активно занимаются ученые: как Вселенная «выпекает» звезды, как формируются миры, одна и та же разновидность молекулярных структур заполняет межзвездное пространство и создает жизнь на планетах или они разные? Существует целый набор замечательных и разнообразных идей, и хорошо бы ясно понять, насколько они перспективны.

Мы уже охватили космическое пространство от колоссальной черной дыры, расположенной в древней галактике, до нашей микроскопической Земли. Но что мы знаем о размере и форме наблюдаемой Вселенной? Как она выглядит, как пахнет и какая на ощупь? Мы хотим понять, что ее формирует, что делает ее такой, какая она есть? Чтобы ориентироваться в ее «магистралях и объездных путях, горах и равнинах, уголках и закоулках», нам нужно, как мы это сделали бы, находясь в незнакомом городе, начать с составления очень хорошей карты Вселенной.

1 Точнее, Шварцшильд заболел раньше, и две свои работы написал в госпитале в России. Вскоре он был комиссован и умер уже в Германии: http://tinyurl.com/kv37pc6ьь. — Прим. пер.

2 Для примера: при увеличении плотности в 100 раз давление обычного газа возрастет в той же пропорции, а квантового электронного газа — в 2000 раз. — Прим. ред.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Facebook Google GPS IBM iPhone PRO SCIENCE видео ProScience Театр Wi-Fi альтернативная энергетика «Ангара» античность археология архитектура астероиды астрофизика Байконур бактерии библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса визуальная антропология вирусы Вольное историческое общество Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология глобальное потепление грибы грипп демография дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение зоопарк Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии коронавирус космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. открытия палеолит палеонтология память педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории происхождение человека Протон-М психология психофизиология птицы ракета растения РБК РВК регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент русский язык рыбы Сингапур смертность Солнце сон социология спутники старообрядцы стартапы статистика технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология фольклор химия христианство Центр им.Хруничева школа эволюция эволюция человека экология эпидемии этнические конфликты этология ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129343, Москва, проезд Серебрякова, д.2, корп.1, 9 этаж.
Телефоны: +7 495 980 1893, +7 495 980 1894.
Стоимость услуг Полит.ру
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.