Текст книги "Вселенная. Руководство по эксплуатации"

Автор книги: Дэйв Голдберг

Соавторы: Джефф Бломквист
сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 19 страниц)

Чем сильнее струна вибрирует, тем она массивнее – не забывайте, что равенство Е = mс ²справедливо в обе стороны. Другие свойства осцилляции определяют все остальные свойства и качества частицы. Чтобы объяснить все свойства частиц, которые мы наблюдаем, Предполагается, что струны вибрируют не только в тех трех измерениях, о которых нам известно в нормальной жизни. Это не значит, что струны не существуют,– это значит, что нам нужно больше измерений.

Поймите нас правильно. Мы не можем переместиться в более высокие измерения. Для начала нас там сплющит. Многие, если не все, дополнительные пространственные измерения очень малы – гораздо меньше, чем мы сможем обнаружить в БАК. Даже если бы мы умудрились придумать, как отправиться в эти скрытые измерения, они повели бы себя примерно как вселенная Пакмана [68], и мы мгновенно вернулись бы туда, откуда начали.

Привести теорию струн в соответствие с законами физики в нашей Вселенной, опираясь только на три измерения, никак не удается. Теории возникали одна за другой, количество потенциальных измерений росло и росло, и наконец в 1995 году Эдвард Уиттен из Института передовых исследований в Принстоне предложил нынешнего фаворита. По его версии, так называемой М-теории, мы живем в здоровенной вселенной аж с 10 измерениями.

Теория струн во многих отношениях очень многообещающа. Она предоставляет нам основу для объединения в единую теорию всех четырех фундаментальных сил. Она описывает силы и частицы с разных сторон одной и той же физики. Не исключено, что она даже позволит разобраться в природе пространства и зарождении Вселенной, как мы увидим в главах б и 7 соответственно.

С другой стороны, возникают и осложнения. Во-первых, проверить теорию струн очень трудно. Поскольку масштабы так малы, у нас практически нет надежды доказать теорию струн при помощи БАК или других экспериментов, которые мы будем способны поставить в обозримом будущем. Еще одна трудность– теория струн отвечает не на все вопросы теории частиц, оставшиеся пока без ответа.

Петлевая квантовая теория гравитации

В стандартной модели есть еще один большой провал, который теория струн даже не пытается заполнить. Как примирить две великие теории XX века – квантовую механику и общую теорию относительности, нашу теорию гравитации? Эти теории говорят нам «правду» о том, что происходит на микроскопическом уровне и на уровне очень сильной гравитации соответственно. Но что происходит в обстановке вроде черной дыры или на заре времен, когда, как полагают, играть роль может и то и другое?

Задумайтесь об этом. Как мы видели в главе 2, практически все аспекты физики порабощены неопределенностью – это и фотонная энергия вакуума, и движение электронов, и пути фотонов. Квантовая механика вплетена в три негравитационные силы. Сходство между ними послужило причиной того, что электромагнитное и слабое взаимодействия посчитали единым электрослабым взаимодействием. Еще оно стало причиной того, что физики выдвинули целый ряд соперничающих между собой «Великих единых теорий», где электрослабое взаимодействие объединяется с сильным. Гравитация стоит особняком. Как ни странно, общая теория относительности не носит ни следа случайности, которая проявляется в остальных трех силах. Нам бы очень хотелось получить в свое распоряжение «теорию квантовой гравитации».

Один из самых увлекательных и многообещающих подходов к этой проблеме называется «петлевая квантовая теория гравитации». Одна из самых странных черт этой теории – что пространство само по себе квантуется. То есть если рассмотреть его на достаточно мелких масштабах, окажется, что оно не гладкое и однородное, а разбито на этакие пиксели. Обычно мы ничего такого не замечаем, поскольку масштабы, о которых мы говорим,– около 10– 35метра, так называемая планковская длина. Планковская длина настолько же меньше атома, насколько атом меньше расстояния до ближайшей звезды. Сильнее дробить пространство невозможно. Из этого следует несколько занятных выводов, с которыми мы познакомимся при разговоре о Большом взрыве в главе 7.

Одна из симпатичных черт петлевой теории квантовой гравитации – то, что она требует не больше трех привычных нам измерений плюс еще одно, время. Кроме того, она естественно подводит нас к гравитону, отчего картина физики частиц становится куда более однородной. С другой стороны, петлевая теория квантовой гравитации сама по себе не может служить Теорией Всего, Остальные законы сил нужно вводить в нее вручную – как и кварки» и прочие фундаментальные материальные частицы.

Вся эта физика вне пределов стандартной модели, вероятно, кажется вам примитивной уловкой, поводом найти себе занятие еще долго после того, как в БАК столкнутся последние частицы. Да, именно так. Но неужели вы всерьез полагаете, будто проблемы можно решать насильственным путем? Хотите или нет, но для того, чтобы раскрыть все тайны Вселенной, мало нескольких высокоэнергичных взрывов.

Приложение А. Полицейский архив. Досье на фундаментальные частицы

На протяжении всей этой книги мы старались делать все перечни как моэКно короче. «Стандартная модель» физики частиц поразительно хороша именно потому, что ее перечень частиц (хотя и довольно длинный) крайне прост. «Материя» Вселенной состоит из двух фундаментальных типов частиц – из кварков и лептонов. Каждая группа подразделяется затем на три « поколения », в каждом из которых имеется две частицы, у одной из которых заряд отрицательнее, чем у другой. Мы разбили наш список на поколения, и вы увидите, что у всех частиц много общего. Кроме того, это удобное пособие для интерпретации наших забавных картинок.

Это – заряженные лептоны. Они держат заряды в шляпах. Поскольку они заряжены, то взаимодействуют с электромагнитной силой. Кроме того, все лептоны вступают в слабое взаимодействие, и все частицы подвержены гравитации (поэтому в дальнейшем мы не будем об атом упоминать). Электрон – единственный, который мы видим в обычных условиях. Мюон распадается за миллионную долю секунды, а тау-лептон – еще быстрее.

У этих ребят нет шляп, а значит, нет и электрического заряда. Если они похожи друг на друга, в этом нет ничего удивительного. Разные типы нейтрино превращаются друг в друга без предупреждения (просто меняются галстуками) и даже вроде бы безо всякого взаимодействия. Эта «нейтринная осцилляция» (которая была подтверждена экспериментально на детекторе «КамЛАНД» возле японского города Тояма в 2003 году) означает, что нейтрино должны обладать массой. Но какой? Сказать очень трудно, но верхний предел для электронного нейтрино – меньше чем 0,3% массы электрона. Пределы для остальных двух видов нейтрино, однако, куда выше, и масса тау-нейтрино» согласно последним измерениям, может быть в целых 30 раз больше массы электрона. С другой стороны, она может быть и гораздо меньше.

Названия каждого нейтрино происходят потому, что каждое из них напрямую ассоциируется с распадом или взаимодействием электрона в случае электронного нейтрино, мюона – мю-нейтрино и тау-лептона – тау-нейтрино.

На картинке про распад нейтрона вы, наверное, заметили, что у антинейтрино есть бородка. Это – дань уважения классическому эпизоду «Звездного пути» под названием «Зеркало, зеркало» (сезон 2, серия 33), в котором злой «анти-Спок» щеголял растительностью на лице. Этим же отличаются все наши античастицы.

Все это положительно заряженные кварки. Выглядят они очень похожими за одним исключением – каждое следующее поколение становится все более пухленьким. Т-кварк – самая мясистая из известных частиц. Он прямо-таки лопается по швам. Кроме того, это самая последняя из обнаруженных частиц.

Вы были бы вправе обвинить нас в недобросовестности, если бы мы не рассказали вам о некоей загадке, таящейся в нашей таблице. Вы заметили, что u-кварк обладает массой примерно в 0,4% массы протона. Это несколько странно, поскольку протон делают из двух u-кварков и одного d-кварка, а значит, заметите вы, все кварки вместе составляют еле-еле 1-2% массы протона. Откуда же берется вся остальная масса?

Вся остальная масса берется из энергии. Кварки, как и глюоны, летают очень быстро и взаимодействуют очень сильно, и подобно тому, как массу можно превратить в энергию, энергию можно превратить в массу. Если вам показалось странным, что поле Хиггса способно «создавать» массу, считайте это всего лишь очередным случаем, когда Е = mс ²применяется в обратную сторону.

Это отрицательно заряженные кварки. Самый странный из них – странный кварк. Когда в 1947 году были открыты частицы под названием каоны» сначала показалось, что они совершенно бессмысленны. Они распадались на частицы вроде антимюо– нов и нейтрино, но были настолько массивны (около половины массы протона), что не согласовывались ни с одной из известных на то время частиц.

Лишь в 1964 году, когда Мюррей Гелл-Манн выдвинул идею кварка, стало ясно, что каоны распадаются на антистранный кварк и либо u-кварк, либо d-кварк. Странные кварки отличаются от прочих тем, что мы их открыли, еще не догадываясь, что они есть.

Это частицы-переносчики, лишенные массы,– носители трех из фундаментальных сил. Немного странно вписывать сюда дату открытия фотона – мы «наблюдаем» его постоянно. Однако интерпретация фотоэффекта, которую сделал Эйнштейн в 1905 году,– это момент, когда мы впервые поняли, что свет переносят частицы. Глюоны были обнаружены лишь около 30 лет назад.

Гравитоны, переносчики гравитационного поля, не только не обнаружены, но, согласно общей теории относительности, не очень-то и нужны. Однако есть веские причины предполагать, что гравитация должна быть похожа на остальные фундаментальные силы, а значит, у нее должен быть переносчик.

Эти пухленькие частицы отвечают за перенос слабого взаимодействия. Обратите внимание, что они очень похожи друг на друга, если не считать надписей на шляпах. Это не случайность. На самом деле W +и W -такие близкие родственники, что являются друг для друга античастицами. Один из величайших триумфов теоретической физики XX века – вычисление отношения масс Z/W, примерно 1,13. Это предсказание было сделано на основе модели Хиггса, а затем подтвердилось экспериментально с поразительной точностью.

И наш герой: Частица Хиггса. Она лишена заряда, но не обаяния. Это единственная частица в стандартной модели, которую еще не открыли, поэтому мы не знаем, какой именно массой она обладает. Скорее всего, это от 120 до 200 масс протона. Поскольку он вступает в сильное взаимодействие с массивными частицами, у него складываются запутанные и сложные отношения с t-кварком.

Можно ли построить машину времени?

Хотелось ли вам когда-нибудь покататься на динозавре? Попить чайку с королевой Викторией? Произвести сенсацию на фьючерсных торгах? А может быть, вы робот-убийца и у вас руки чешутся не допустить рождения одного-единственного супергероя, который способен остановить восстание роботов? Для всего этого вам понадобится машина времени, а они по дешевке не продаются. С нашей точки зрения, проще смастерить такую машину своими руками, и лично мы вам мешать не будем, но ваше семейство, надо полагать, в восторг не придет. Родственники сразу скажут вам, что ничего у вас не выйдет. Не исключено, что они сочтут вас чокнутым.

Но разве создать машину времени в принципе невозможно? И что такого плохого в том, чтобы быть чокнутым?

В мире есть вещи похуже умопомешательства, особенно если ты ученый и вообще профессор. Обычные профессора могут переключать напряжение с помощью катодного осциллографа, а чокнутый профессор – останавливать время ледяным лучом. Кругом полно героев, которым нужно ставить палки в колеса, и очаровательных подружек супергероев, которых так удобно похищать. Если бы мы снова поступали в университет, то, пожалуй, предпочли бы чокнутую науку обычной.

Рядовым примером чокнутой технологии на уровне научной фантастики можно считать телепортацию. Как мы уже видели в главе 2, эта популярнейшая техническая новинка из комиксов уже в нашем распоряжении. К несчастью, пока что мы способны телепортировать атомы по одному, так что, честно говоря, легче их, негодников, просто переносить вручную.

Главное, хотя технические новинки из комиксов и научной фантастики не обязательно противоречат научным данным, они чаще всего не стоят затраченных усилий. Вероятно, именно поэтому, в частности, у чокнутых профессоров столько неприятностей. Вероятно, дело еще и в том, что большинство их хитроумных приспособлений нарушают очень важные законы – и не только те, которые защищают супергерои, вертящиеся под ногами дети и их верный пес.

I. Можно ли построить вечный двигатель?

Рассмотрим старый добрый классический вечный двигатель. Это изобретение чокнутой науки представляет собой устройство, которое не растрачивает энергию, не изнашивается и работает вечно [69]. Лучшие из них делают следующий шаг и неустанно вырабатывают энергию – видимо, из ничего.

Редколлегии журналов обожают получать статьи о вечных двигателях, поскольку рецензии на них пишутся на полном автопилоте. «А вот и нет, а вот и нет,– говорят рецензенты,– по закону сохранения энергии [70]из ничего не получится ничего!» Положим, иногда они пересказывают закон сохранения энергии своими словами, но по сути они правы: локально невозможно ни создавать, ни уничтожать энергию, а энергия в замкнутой системе может преобразовываться (например, в массу и из массы), но общая сумма должна оставаться постоянной.

Не исключено, что чокнутые профессора, мечтающие о вечном движении или генераторах энергии,– поголовно идиоты. В конце концов, человек, рассказывающий о своих планах завоевать мировое господство не просто первому встречному, а именно тому, кто способен эти планы расстроить, вполне способен и проворонить всякие мелочи вроде закона сохранения энергии. Но ведь, с другой стороны, не исключено, что чокнутый профессор обнаружит лазейку в законах, красной нитью проходящих по самой ткани пространства и времени.

Иногда чокнутого профессора и не отличишь от обычного ученого. Чтобы окончательно прояснить, что именно мы пытаемся доказать, упомянем о том, как Ричард Фейнман, который тогда работал в Калифорнийском технологическом институте, придумал очень хитроумный верный двигатель – но с преднамеренным изъяном. Хотите, расскажем, как он был устроен? Конечно, хотите. Продемонстрировать его помогут наши славные ассистенты: позвольте представить вам парочку архизлодеев, у которых отрицательная научная харизма прямо– таки лезет из ушей,– доктора Дейва и его подельника Робо-Джеффа.

1.   Доктор Дейв берет лазер и направляет его на вершину утеса, где ждет Робо-Джефф с параболической тарелкой в руках.

2.   Собрав луч, Робо-Джефф превращает его свет в массу (детали опустим) при помощи великого уравнения Эйнштейна: Е = mс ².

3.  Робо-Джефф роняет массу с утеса. Как вы знаете, когда вы что-то роняете, то оно набирает энергию.

4.   Вуаля! Когда масса долетает до низа, энергии в системе больше, чем в начале. Некоторым количеством энергии злодеи заряжают лазер, а остальную используют на что-нибудь полезное – например, заряжают лазер побольше.

Беда только в том, что такой вечный двигатель не работает, и Фейнман знал об этом с самого начала.

Нет, мы не придумали способ нарушить первый закон термодинамики, а всего лишь показали всем этим устройством, что если свет исходит от источника гравитации, он должен потерять энергию. Если направить лазерный луч снизу вверх, на утес, энергия луча наверху будет меньше, чем внизу. С другой стороны, если свет падает к Земле, то набирает энергию. Это не просто произвольная спекуляция. В 1959 году Роберт Паунд и Джордж Ребка, которые тогда работали в Гарварде, сумели измерить потерю энергии фотонов, когда фотоны летели вверх вдоль стены лаборатории Джефферсона в Гарварде – всего в 22,5 метра высотой.

Измерить эту потерю непросто. В ходе эксперимента Паунда—Ребки фотоны потеряли всего одну квадрильонную. своей начальной энергии. Даже если бы мы направили лазерный луч на утес, уходивший в глубокий космос, мы бы потеряли лишь одну миллиардную его энергии. Неудивительно, что в обыденной жизни подобные явления не бросаются нам в глаза. Если бы гравитация была сильнее, она бы проявлялась гораздо заметнее, а измерить ее было бы проще.

Великолепным примером маленьких тугих тючков с гравитацией служат белые карлики. Белые карлики обладают массой примерно в миллион раз больше массы Земли, хотя размера они сравнимого, поэтому и гравитация там примерно в миллион раз сильнее. Если бы вы находились на белом карлике, то весили бы в миллион раз больше, и если бы мы были хуже воспитаны, то донимали бы вас сальными шуточками.

Но во Вселенной есть места и с более суровыми условиями, чем белые карлики. Представьте себе, что мы стоим на поверхности крайне массивной планеты, где гравитация крайне сильна, и направляем в воздух лазерный луч. Чем выше взлетает фотон, тем больше энергии он теряет.

Теперь представьте себе, что эта планета еще и крайне компактна. В таком случае свет потеряет столько энергии, что обратится вспять и вернется на поверхность планеты. Или не вернется? Если планета и правда такая плотная, что свет не может с нее выбраться» то он, прежде всего, и вверх не поднимется. Это вроде малыша, который пытается идти вверх по эскалатору, едущему вниз. Ах, лапочка, он так старается, но неминуемо спускается все ниже и ниже. Вообще-то у такой планеты и поверхности толком не будет. Она тоже схлопнется под воздействием чудовищной гравитации, и вся планета тоже схлопнется в одну точку – в сингулярность.

Создать такую сингулярность – дело трудное. Чтобы сгенерировать подобную гравитацию с помощью нашей Земли, мы должны будем сжать ее в шарик в 7,5 миллиметра в диаметре. Даже солнце, которое массивнее Земли в триста тысяч раз, придется сжать до радиуса 3,2 километра. Это меньше Манхэттена.

Такова общая идея черной дыры – это настолько компактная система, что от нее не может убежать даже свет. Горизонт событий, точка, откуда нет возврата, – это невидимая граница между отчаянным притяжением очень сильной гравитации и билетом в один конец к центру массивного чудища. Стоит чему-нибудь – звезде, одинокому носку, ключам от машины, частице – пересечь горизонт событий, и его затянет в черную дыру. Этой алчной пасти не избежать даже фотону. Раз уж свет, оказавшись за горизонтом событий, не может оттуда вырваться, больше ничто не в силах. Не забывайте: скорость света – это вселенский предел скорости.

Черная дыра – необходимейшее орудие в арсенале чокнутого профессора. Она пригодится для самых разных целей – в ней хорошо топить надоедливых протагонистов и прятать результаты неудавшихся биологических экспериментов. Но больше всего любому по-настоящему чокнутому профессору хочется найти применение тому, что гравитация вблизи черной дыры сворачивает время, и создать на этой основе машину времени.

Прежде чем мы разберемся, что такое черная дыра и с чем ее едят и можно ли (или нельзя) сделать из нее машину времени, давайте «вспомним» некоторые черты фотонов – частиц, которые, как мы обсудили в главе 2, составляют свет.

Как вы помните, если вы видели один фотон, значит, видели все. По сути дела, разница между ними только в том, что одни фотоны более энергичны, другие менее. Есть много свойств света, которые на первый взгляд кажутся разными, но на самом деле это разные проявления одного и того же. В случае света количество энергии фотона коррелирует с цветом светового луча. Эта взаимозависимость энергии и цвета простирается далеко за пределы видимого спектра.

В главе 2 мы также поговорили о том, что свет ведет себя как кусочки волн и чем выше энергии, тем короче длина волны. Самое главное в этом (в рамках настоящей дискуссии) – то, что, поскольку фотоны представляют собой маленькие волны, мы можем засечь время, которое требуется, чтобы два последовательных фронта волны прошли фиксированную точку,– этот интервал называется периодом волны. Помните, в главе 1 мы говорили о цезиевых часах? Теперь мы готовы рассказать вам, что мы на самом деле имели в виду. Если взять фотон, который испустил атом цезия, и измерить время между гребнями волны, то он будет вести себя как часы – одни из точнейших часов во Вселенной.

При большой длине волны (и низкой энергии) гребни движутся относительно медленно. Например, радиоволна колеблется примерно 100 раз за каждую миллионную долю секунды – но для субатомных частиц это вечность. У более коротких волн период тоже короче. Зная лишь эти несколько фактов и вооружившись нашим лазерным мысленным экспериментом, мы будем практически готовы самостоятельно открыть одно из великих достижений Эйнштейна – общую теорию относительности.

II. Реальны ли черные дыры или физики просто выдумали их от скуки?

Общая теория относительности рассказывает нам, как на самом деле устроена гравитация, и точно описывает мерзкое нутро предметов наподобие черных дыр. В числе прочего мы увидим, что время и пространство отнюдь не так абсолютны, как мы думали, и что возле черных дыр происходят очень странные вещи.

Представьте себе, что доктор Дейв и Робо-Джефф берут свой вечный двигатель на планету с очень сильной гравитацией. Они снова направляют лазерный луч на вершину утеса. К тому времени, как лазер достигнет вершины, он утратит некоторое количество энергии и станет немного краснее. Из-за растяжения времени период фотона, измеренный на вершине утеса, будет длиннее, чем у подножия.

Это же фотонная версия наших цезиевых часов! Давайте же найдем им применение. Скажем, доктор Дейв шлет фотонный луч на вершину утеса с периодом в одну секунду (то есть луч этот состоит из радиоволн с совсем низкой энергией). Если гравитация планеты достаточно сильна, Робо-Джефф на вершине утеса будет видеть вспышки с интервалом в две секунды.

Тут все сильно осложняется. Ёсли мы поместим наручные часы доктора Дейва у подножия утеса, то заметим, что за 50 секунд прошло 50 гребней волн. Однако Робо-Джефф на вершине утеса увидит за то же время только 25 гребней.

Как же так?

Единственное объяснение – что для доктора Дейва время течет медленнее, чем для Робо-Джеффа. Только подумайте: Робо-Джеффу покажется, что часы доктора Дейва идут медленнее в два раза, поэтому и доктор Дейв стареет вполовину медленнее. Как и при разговоре о специальной теории относительности, оговоримся, что это не оптическая иллюзия. С точки зрения Робо-Джеффа, доктор Дейв стареет медленнее, его цифровые часы тикают медленнее и сам он движется замедленно.

В целом это правда. Вблизи массивных тел часы идут медленнее, чем вдалеке. Даже на поверхности Земли время идет медленнее, чем в глубоком космосе, но всего лишь на одну миллиардную. Для сравнения: через сто лет часы в глубоком космосе и на Земле будут идти с разницей всего в три секунды. Конечно, вас не удивит, что эффект так незначителен. Если бы разница была заметнее, то ваша физическая интуиция знала бы об этом. Однако, как мы увидим, вблизи горизонта событий черной дыры этот эффект становится значительным. Далёким

наблюдателям покажется, что астронавт, который прилег отдохнуть у горизонта событий, движется бесконечно медленно [71]. .

В этой главе мы будем особенно много говорить обо всяких диковинах – о кротовых норах, машинах времени, космических струнах и прочих странностях. С черных дыр мы начали потому, что они

почти наверняка существуют в реальности. Мы думаем, что почти что видели их.

Прежде чем рассказать вам о наблюдаемых свидетельствах существования черных дыр, нам, вероятно, следует первым делом развенчать и отмести некоторые распространенные заблуждения.

1. Черные дыры – это не неостановимые адские машины, которыми их пытаются выставить. Например, если бы наше Солнце вдруг превратилось в черную дыру, не произошло бы ничего интересного… ну, не совсем. Мы бы, конечно, погибли, но лишь по той прозаической причине, что замерзли бы без солнечного света. Однако Землю эта новая черная дыра не засосала бы. Даже если размер объекта меняется, с гравитационной точки зрения он функционирует по. прежним законам. Гравитация на прежнем расстоянии от него останется прежней, и Земля будет по-прежнему вращаться по своей орбите. Гравитация вдали от черных дыр ведет себя в точности так же, как и гравитация любого другого тела с такой же массой.

2. На самом деле черные дыры не совсем черные. Да, сама черная дыра не видна, но все, что на нее падает, светится, и это видно. В рентгеновских лучах черные дыры выглядят как очень яркие объекты.

В 1974 году Стивен Хокинг выдвинул одну очень интересную теорию. Хотя из черной дыры ничего не излучается, область непосредственно рядом с ней – место очень динамичное. Постоянно возникают и аннигилируют парами частицы и античастицы (например, электроны и их антиподы – позитроны), как мы видели в главе 2. Представьте себе пару частиц – электрон, который возник сразу за горизонтом событий, и позитрон, который возник непосредственно перед ним. Электрона, само собой, никто с тех пор не увидит, а позитрон, вероятно, возник с энергией, которой хватит на то, чтобы смыться. Впоследствии позитрон может выделить энергию (например, путем аннигиляции), которую заметят где-нибудь вдалеке. Конечно, такое может случиться с любой парой, состоящей из частицы и античастицы, в том числе из двух фотонов, которые сами себе античастицы. Вывод таков: черНая дыра, предоставленная сама себе, начнет испускать энергию и излучение.

Такое впечатление, что мы получаем что-то из ничего. Откуда взялась дополнительная энергия? Из массы черной дыры. Эта модель «излучения Хокинга», как ее принято называть, предсказывает, что впоследствии все черные дыры таким образом испарят всю свою массу.

Но мы бы не советовали ждать этого момента, затаив дыхание.

Если начать с черной дыры с массой, равной массе Солнца, времени на испарение уйдет в 10 ⁵⁷раз больше возраста Вселенной.

Все, что мы только что сказали, опирается на чистой воды теорию, – на интерпретацию того, что сказал Эйнштейн об общей относительности (плюс еще немного квантовой механики для ровного счёта), и на предсказания по поводу того, на что могли бы быть похожи черные дыры. Тем не менее существуют достаточно веские свидетельства, позволяющие предположить, что черные дыры действительно существуют и бывают самых разных цветов и размеров… ну, или только размеров.

Самые маленькие черные дыры во Вселенной, вероятно, не намного массивнее нашего Солнца. Согласно нашей базовой модели эволюции звезд, звезды полусреднего веса вроде нашего Солнца используют свой водород примерно за 10 миллиардов лет. После чего они раздуваются до красного гиганта, а затем предпринимают вторую попытку – пытаются найти применение своему гелию, после чего Солнце сбрасывает газовую оболочку. Остается лишь тлеющий белый карлик.

Со звездами, которые массивнее Солнца в два-три раза или еще больше, происходит нечто совсем другое. Эти звезды завершают жизнь колоссальным взрывом, который называется «вспышка сверхновой». Большинство из них превращается в Очень тугой мячик под названием нейтронная звезда, а избранное меньшинство самых массивных становятся черными дырами. Астрономы наблюдали множество сверхновых, хотя, к счастью, поблизости от Земли таких взрывов не происходило. Это хорошо: слишком близкий взрыв привел бы, мягко говоря, к легкому недомоганию среди большинства населения Земли. Но остатков после взрыва самых массивных звезд мы никогда не видели – мы никогда впрямую не видели черной дыры.

Так почему же мы так уверены в том, что черные дыры действительно существуют? Хотя черных дыр с массой звезды мы не наблюдаем, мы видим признаки «сверхмассивных» черных дыр в центрах крупных галактик, причем самые неопровержимые – именно в нашей Галактике.

В середине 1990-х годов сразу несколько астрономов, в том числе Райнер Шедель из Института Макса Планка и Андреа Гез из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, начали наблюдать движение звезд в центре нашей Галактики. К 2002 году эти наблюдения принесли свои плоды, и плоды весьма примечательные. Астрономы отметили положение звезд менее чем в световом годе от центра (что по галактическим стандартам очень-очень близко), а затем оказалось, что с каждым годом эти звезды смещаются. Тр есть они практически наверняка вращались по орбите вокруг чего-то. Чего-то крайне компактного и крайне темного.

В последние несколько лет, когда измерения удавалось проводить все точнее и точнее, а движение звезд прослеживалось в течение все более длинных отрезков времени, становилось все яснее, что объект в центре галактики – это черная дыра массой примерно в 4 миллиона масс Солнца, по нашим стандартам – огромная, однако по сравнению с некоторыми крупнейшими черными дырами – сущий пустяк.

Многие самые отдаленные из известных нам объектов подпитываются сверхмассивными черными дырами. Хотя света черные дыры сами по себе почти не испускают, они источают огромное количество гравитационного притяжения, особенно когда к ним что-то приближается. Когда газ падает все ближе к центральной черной дыре, он ускоряется и начинает выдавать излучение – и очень много. Эти черные дыры, окруженные веществом, излучают колоссальное количество энергии и называются «квазары». Квазары испускают столько света, что их видно почти что из другого конца Вселенной. А в центре у каждого квазара – черная дыра, которая массивнее Солнца в миллиарды раз.

III . Что будет, если упадешь в черную дыру?

Весь этот разговор мы начали с одной простой целью: сделать машину времени. На первый взгляд мы далековато отклонились от темы, но нам надо было сначала поговорить о черных дырах, и в этом есть смысл. Гравитация сворачивает время, а черные дыры – щедрый источник гравитации, поэтому мы, вероятно, можем использовать черные дыры, чтобы путешествовать во времени. Хотя большинство моделей машины времени основаны не на черных дырах, они достаточно просты, чтобы мы интуитивно почувствовали, как работает искажение времени, прежде чем углубиться в гаечки, винтики и космические струны хроноинженерии.

Так что, если мы хотим построить настоящую, практичную машины времени, нам нужно не бояться испачкаться и очертя голову махнуть в одну из таких временных воронок. Для примера подумайте, что будет, если доктор Дейв и Робо-Джефф решат организовать экспедицию на Амнезию – черную дыру массой в 10 масс Солнца – под эгидой Академии злодейских исследований на Юпитере.

Доктор Дейв, самый осмотрительный (и, возможно, умный) в этой парочке, решает остаться на наблюдательном посту в Академии, а Робо-Джефф (который с очевидностью красивее подельника – на грубоватый, разбойничий, но довольно броский лад) облачается в скафандр, оснащенный радиопередатчиком и голубыми габаритными огнями.