Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

К сороковой космологической декаде почти все протоны во Вселенной распадутся, а вырожденные звездные остатки исчезнут. На смену этим, на первый взгляд, твердым и неразрушимым звездным остаткам придет рассеянное море излучения, состоящего, главным образом, из протонов и нейтрино с небольшой примесью позитронов и электронов. Вселенная приобретет новый характер. Изредка на этой гигантской арене поразительного запустения встречаются уединенные области крайне искривленного пространства-времени, так называемые черные дыры. По завершении эпохи распада черные дыры, содержащие от одной до нескольких миллиардов солнечных масс, упорно стремятся попасть в следующую эпоху.

Глава 4

Эпоха черных дыр

40 < η < 100

Черные дыры наследуют Вселенную, деформируют пространство-время, испаряют свою массу-энергию и погибают во взрыве.

Девяностая космологическая декада, на краю скопления черных дыр:

Боб был в замешательстве. Его расплывчатое тело, содержащее более миллиона солнечных масс, захлестнул пугающий калейдоскоп ощущений. Несмотря на свои почти 1079 лет, он никогда не испытывал ничего, что хотя бы отдаленно напоминало эту внутреннюю бурю. Деформирующая волна достигла почти невыносимого максимума, а потом внезапно спала, оставив после себя ощущение тошноты — чувство, которое можно было бы описать как морскую болезнь, если бы в эту пору еще существовали понятия воды и океанов. Позитроны и электроны в его мозге медленно двигались по спирали вычисления, и мало-помалу он осознал, что столь сильный дискомфорт был вызван вспышкой гравитационного излучения. Две черные дыры слились где-то вдалеке, создавая гигантский гравитационный потенциал. Черные дыры оставались одной из немногих опасностей для представителей его вида, поэтому Боб почувствовал облегчение от мысли о том, что это столкновение двух небесных объектов произошло очень и очень далеко.

Бобу, конечно, рассказывали о предельной важности черных дыр. Их зловещее сияние омывало Вселенную разреженным морем излучения и служило источником энергии, позволявшим существование практически всего, в том числе и самой жизни. Он знал, что без необходимой энергии, извлекаемой из испарения черных дыр, Вселенная была бы мертвой и скучной.

И хотя волнения Боба носили чисто практический характер, среди представителей его вида были и такие, кто пытался понять свойства Вселенной в первые 1040 лет ее существования, «в эти почти невообразимо краткие мгновения после Большого взрыва». Особенно модной была совершенно нелепая гипотеза, утверждавшая, будто высокосложные структуры могли основываться на взаимодействии электронов с протонами и нейтронами. Существование протонов и нейтронов, экзотических частиц с коротким временем жизни, которые уже давным-давно распались, с энтузиазмом приняли самые смелые современные физики, и в то же время нарекли «безумной спекуляцией» те, кто был «сшит» из более консервативной материи.

Когда распадаются протоны, Вселенная теряет пыль, белых карликов, замерзшую Землю и вещество, которое мы встречаем каждый день. После исчезновения протонов структура Вселенной претерпевает значительные изменения. Самыми важными сохранившимися объектами являются черные дыры, которые по завершении эпохи распада остаются в целости и сохранности. Черные дыры — это звездоподобные объекты, хотя и обладающие некоторыми очень необычными свойствами. Пережив белых карликов, они наследуют ту роль, которую в наше время выполняют обычные звезды. Когда Вселенная достигает сороковой космологической декады, черные дыры «берут в свои руки» верховную власть. Они дают свет, тепло и динамику, позволяющие Вселенной оставаться интересным местом.

Черные дыры разбросаны по невероятно разреженному морю элементарных частиц. Представьте себе просеивание через большие объемы этого почти идеального вакуума. Время от времени попадается электрон — отрицательно заряженная частица, вращающаяся по орбите вокруг ядра современных атомов и текущая по проводам электрической цепи. В результате длительных поисков было обнаружено, что каждому сохранившемуся электрону соответствует антиматериальный партнер — позитрон. Каждый позитрон несет единичный положительный заряд, так что Вселенная в целом остается электрически нейтральной. В результате дальнейших поисков обнаруживаются невидимые обитатели межзвездных пустот: аксионы, различные ароматы нейтрино и т. п.

Вселенная в эпоху черных дыр погружена в море низкоэнергетических фотонов — света, длины волн которого слишком велики, чтобы их мог различить глаз человека. Свет, улавливаемый нашими глазами, состоит из фотонов, длины волн которых составляют около половины микрона (половина одной тысячной миллиметра). Длина волны типичного излучения в сороковую космологическую декаду гораздо больше — почти километр. Чтобы иметь способность «видеть» в эпоху черных дыр, нужно иметь глаза размером с материки.

Определение черных дыр

Что такое черная дыра? Традиционное определение могло бы звучать так: черная дыра — это объект, искажающий пространственно-временной континуум настолько сильно, что даже свет не может покинуть поверхность этого объекта. В этой главе мы исследуем смысл данного определения подробно, хотя основную идею, лежащую в основе феноменальной гравитации черной дыры, понять совсем несложно.

Наверное, трудно найти человека, который не видел бы зернистые кадры высадки экипажа «Аполлона» на поверхность Луны. Астронавты легко прыгают в объемных космических скафандрах. В их прыжках на прямых ногах проявляется одно загадочное качество, которое легко объяснимо: сила притяжения на Луне в шесть раз меньше земной. Мяч, брошенный вверх с заданной скоростью, поднимется над поверхностью Луны выше, чем над поверхностью Земли. Аналогично, чтобы вырваться из гравитационных объятий Луны, потребуется меньшая энергия.

Скорость, которую нужно развить, чтобы преодолеть гравитационное притяжение некоторого тела, называют второй космической скоростью. Например, чтобы оторваться от поверхности Земли (в отсутствие трения воздуха), нужно развить скорость, равную 25 000 миль в час (11 километров в секунду). Огромные ракеты-носители «Сатурн V» обеспечили эту необходимую скорость, для того чтобы попасть на Луну. Вместе с тем, чтобы покинуть Луну и вернуться на Землю, оказалось достаточно сравнительно скромных ракет на лунных модулях. Вторая космическая скорость для Луны невелика, потому что Луна имеет меньшую плотность и меньшую массу, чем Земля. Если два объекта имеют одинаковый размер, но разные массы, вторая космическая скорость будет больше для более тяжелого объекта. Например, если представить объект, имеющий массу Солнца и диаметр Земли, вторая космическая скорость для этого плотного видоизмененного мира составила бы 6 500 километров в секунду — в 588 раз больше второй космической скорости для Земли. Если увеличивать массу, сохраняя неизменным диаметр, увеличивается и вторая космическая скорость, в силу чего оторваться от поверхности становится гораздо сложнее. В конце концов, после того как в сферу размером с Землю будет втиснуто две тысячи солнечных масс, вторая космическая скорость превысит скорость света (300000 километров в секунду). Если вторая космическая скорость превышает скорость света, то ничто, даже сам свет, не может оторваться от такой поверхности. Наша гипотетическая плотная сфера становится черной дырой. И название это исключительно уместно: объект, не излучающий света, кажется внешней Вселенной абсолютно черным.

Несмотря на то, что ничто не движется настолько быстро, чтобы покинуть поверхность черной дыры, черная дыра не есть космическая утроба, которой суждено поглощать все, что находится рядом. Гравитационное притяжение любого объекта, и черные дыры здесь не исключение, ослабевает по мере удаления от этого объекта. На достаточном расстоянии притяжение черной дыры неотличимо от притяжения обычной звезды сравнимой массы. Вдалеке от черной дыры локальная вторая космическая скорость всегда меньше скорости света, поэтому частицы или космические корабли могут свободно прилетать и улетать. По мере приближения к черной дыре вторая космическая скорость неуклонно растет. На расстоянии четко определенного радиуса вторая космическая скорость, наконец, превышает скорость света. Эта точка невозвращения отмечает место положения фактической поверхности черной дыры и называется радиусом Шварцшильда, в честь немецкого физика Карла Шварцшильда, который одним из первых принял общую теорию относительности Эйнштейна. Вскоре после выведения радиуса, который сейчас носит его имя, Шварцшильд скончался от болезни, которой заразился на русском фронте во время Первой мировой войны.