Связь между массивными объектами, гравитацией, кривизной и движением частиц иногда описывают с помощью аналогии, относительно которой я испытываю смешанные чувства. Идея состоит в том, чтобы представлять пространство горизонтальным резиновым листом вроде батута. Когда нет деформирующих его масс, лист остается плоским. Но поместите на лист тяжелый груз, например шар для боулинга, и его вес вызовет деформацию. Теперь добавьте значительно меньшую массу, подойдет любой небольшой шарик, и вы увидите, как он скатывается к тяжелому шару для боулинга. Шарику можно также придать касательную скорость, так чтобы он обращался вокруг большей массы, подобно Земле вокруг Солнца. Прогиб поверхности не дает меньшему шарику укатиться прочь, в точности как солнечное тяготение удерживает Землю.
Но кое-что в этой аналогии вводит в заблуждение. Во-первых, искривление резинового листа происходит только в пространстве, а не в пространстве-времени, поэтому не удается объяснить странное воздействие масс на находящиеся рядом часы (мы рассмотрим эти эффекты в следующей главе). Еще хуже то, что эта модель использует гравитацию для объяснения гравитации. Ведь это притяжение настоящей Земли заставляет шар для боулинга продавливать резиновую поверхность. Так что технически модель резинового листа совершенно неверна.
Тем не менее эта аналогия отчасти передает дух общей теории относительности. Пространство-время деформируемо, и большие массы могут его искривлять. Кривизна, порожденная массивными объектами, влияет на движение небольших. А продавленный резиновый лист во многом напоминает характерную математическую диаграмму, о которой я вскоре буду рассказывать. Пользуйтесь этой аналогией, когда она полезна, но помните, что это - всего лишь аналогия.
Черные дыры
Возьмите яблоко и сделайте тонкий срез, проходящий через его центр. Яблоко трехмерно, но полученный срез двумерен. Если сложить в стопку все двумерные срезы, полученные при тонкой нарезке, то можно реконструировать яблоко. Можно сказать, что каждый тонкий срез вложен в стопку срезов более высокой размерности.
Пространство-время четырехмерно, но, нарезая его, можно выделить трехмерные пространственные срезы. Можно воображать себе это как стопку срезов, каждый из которых представляет трехмерное пространство в один определенный момент времени. Визуализировать три измерения намного проще, чем четыре. Такие картинки, сложенные из срезов, называются диаграммами вложения и помогают составить интуитивное представление о неевклидовой геометрии.
Рассмотрим геометрию, порожденную массой Солнца. Забудем на мгновение о времени и сконцентрируемся на визуализации искривленного пространства в окрестностях Солнца. Диаграмма вложения выглядит как небольшая впадина на резиновом листе с центром там, где находится Солнце, более или менее похожая на батут с лежащим на нем шаром для боулинга.
Искажения вблизи Солнца должны становиться более заметными, если ту же массу сконцентрировать в меньшем объеме.
Геометрия вблизи белого карлика или нейтронной звезды искажена еще сильнее, но все еще остается гладкой.
Как мы уже выяснили ранее, если коллапсирующая звезда станет настолько маленькой, что поместится внутри своего шварцшильдовского радиуса (три километра для Солнца), то, подобно головастикам, попавшимся в сток, ее частицы будет необратимо затягивать внутрь, и они продолжат коллапс, пока не образуют сингулярность - точку с бесконечной кривизной.
Чем не являются черные дыры
Я предвижу, что этот раздел вызовет поток гневных писем от читателей, которые знакомы с черными дырами только по диснеевскому фильму "Черная дыра". Я не хочу портить удовольствие, Бог свидетель, черные дыры - удивительнейшие объекты, но они не ворота в небеса, в ад, в другие вселенные и даже не туннели, ведущие обратно в нашу Вселенную. Зная, насколько все честно в любви, войне и научной фантастике, я не возражаю, чтобы киношники путешествовали через них в страну грез. Но понимание природы черных дыр требует больших знаний, чем дает просмотр фильмов категории В.
Основное фантастическое допущение фильма "Черная дыра" в действительности восходит к работе Эйнштейна и его коллеги Натана Розана, позднее популяризированной Джоном Уилером. Эйнштейн и Розен рассматривали возможность того, что внутренние области черной дыры могут быть связаны с очень отдаленными местами посредством так называемых кротовых нор. Идея состояла в том, что разделенные миллиардами световых лет черные дыры могут быть связаны на уровне их горизонтов, образуя во Вселенной фантастический туннель. Для такой черной дыры диаграмма вложения после пересечения горизонта не оканчивается заостренной сингулярностью, а открывается в новую обширную область пространства-времени.
Войти в такой тоннель с одной стороны и выйти с другой - это все равно что войти в метро в Нью-Йорке и, проехав не более пары миль, появиться в Пекине или даже на Марсе. Идея уилеровских кротовых нор действительно основывалась на решении уравнений общей теории относительности.
Тоннель Эйнштейна - Розена
Таково происхождение "городской легенды" о том, что черные дыры - это тоннели в другие миры. В этой идее содержится две ошибки. Во-первых, уилеровские кротовые норы могут оставаться открытыми лишь очень короткое время, а затем схлопываются. Кротовые норы открываются и закрываются столь быстро, что пройти сквозь них совершенно невозможно. Это как если бы короткий тоннель до Пекина обвалился прежде, чем кто-либо успел по нему пройти. Некоторые физики поговаривают о том, что квантовая механика может каким-то образом стабилизировать кротовую нору, но никаких доказательств этому нет.
Но мало того, Эйнштейн и Розен изучали "вечную черную дыру", то есть имеющую не только бесконечное будущее, но и бесконечное прошлое Однако даже Вселенная имеет конечный возраст. Реальные черные дыры всегда, разумеется, возникают при коллапсе звезд (или других массивных объектов), то есть после Большого взрыва. Когда уравнения Эйнштейна применили к процессу образования черных дыр, то связанные с ними кротовые норы просто не возникали. Диаграмма вложения выглядела, как на с. 71.
Теперь, когда я испортил вам настроение, вы, надеюсь, возьмете в прокате упомянутый фильм и получите удовольствие.