Читаем без скачивания Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса - Дэйв Голдберг

Ответ, как обычно в теории относительности, состоит в том, что все зависит от наблюдателя. Гравитация, которую мы наблюдаем вдали от черной дыры, — смесь всего вещества и энергии, которые когда-либо туда попадали. Тот факт, что все это с нашей, довольно-таки ограниченной, точки зрения даже не пересечет горизонт событий, не имеет особого значения. Иначе говоря, неважно, насколько массивна черная дыра в данный момент, поскольку нет абсолютного согласия по вопросу о том, что означает «в данный момент».

На самом деле это помогает нам решить еще одну загадку, которая, может быть, уже пришла вам в голову, а может быть, и нет. Если свет не может покинуть черную дыру, а гравитация распространяется со скоростью света, как гравитационное поле выбирается из черной дыры и сообщает нам, что мы обязаны туда упасть?

Вспомним, как объяснял относительность Уилер. Масса (и энергия) должна диктовать пространству-времени, как искривляться. Это как большой мальчик, который уселся посреди батута. Детишки поменьше катятся к середине батута не из-за того, что у большого мальчика такая масса — по крайней мере, прямой зависимости тут нет: причина в том, что батут провис, искривился к середине. На языке взрослых физиков это означает, что когда материал, падающий в черную дыру, приближается к горизонту событий, он деформирует пространство-время, каким оно видится со стороны. И именно это, а не какой-то непосредственный сигнал, и влечет Алису и все остальное к черной дыре.

Излучение и перспектива

В заключение всех этих разговоров о том, что попадает в черную дыру, мы побеседуем о том, что оттуда выходит. Возможно, вы полагаете, что ничего, и это логично. Сколько я ни изворачивался, лишь бы не объяснять, как именно действует гравитация, черные дыры получили такое название потому, что свет из них не вырывается.

С другой стороны, мы «видим» черные дыры в форме квазаров в других галактиках. Квазары — необычайно яркие объекты в центрах галактик, где сверкающие облака раскаленного газа поглощаются сверхмассивной черной дырой. И, кстати, за исключением гигантских струй, видимых в радиодиапазоне, мы не можем рассмотреть структуру этих облаков. Когда в новостях о жизни черных дыр вам показывают подробно прорисованные аккреционные диски, это кто-то мухлюет с графическим редактором MS Paint, или чем там теперь рисуют наглядные иллюстрации.

Однако даже если не брать в расчет излучение квазаров, черные дыры все равно не совсем черные. Чтобы понять, почему, вернемся к Международной космической станции. Как мы уже видели, астронавты на борту МКС уверены, и не без оснований, что пребывают в невесомости, и все предметы на борту дружно поддерживают их в этом заблуждении.

Можно взять генератор Ван де Граафа и поставить его посреди МКС. Он из тех устройств, которые часто снимали в старых фильмах ужасов: движущаяся лента генерирует сильный электрический заряд на большой металлической сфере. Кроме того, это верный признак, что вы имеете дело с чокнутым профессором.

С точки зрения наших честных астронавтов, генератор Ван де Граафа повиснет в воздухе. Казалось бы, и пусть его висит. Невесомость тем и хороша, что все в целом где оставишь, там и висит. Это простое следствие из принципа эквивалентности.

А теперь подумайте, как выглядит то же самое устройство и его заряд снаружи. Давайте я припаркую свой собственный звездолет в отдалении, так, чтобы гравитацией Земли можно было пренебречь.

С моей точки зрения астронавты, космическая станция и генератор Ван де Граафа мчатся со скоростью приблизительно 30 000 километров в час. А главное — космическая станция, астронавты и заряженный генератор постоянно меняют направление движения: они же движутся по кругу, а значит, на них, несомненно, действует ускорение.

А заряды при ускорении излучают. Например, радиопередатчик именно так и работает: заставляет пучок электронов в источнике дрожать и испускать излучение с определенной частотой. В крупных исследовательских центрах вроде Брукхейвенской Национальной лаборатории на Лонг-Айленде есть огромные магнитные кольца, где электроны бегают по красивым круглым орбитам. Устройство в Брукхейвенской лаборатории просто потрясающее. Радиус у него около 800 метров, электроны летают на скорости примерно 99,999999 % скорости света, и ускорение там гораздо сильнее, чем нежное земное тяготение. Таким образом получают так называемое синхротронное излучение и очень полезный экспериментальный источник света.

Обо всем этом я упоминаю для того, чтобы показать, что если генератор Ван де Граафа движется по кругу — даже если это круг, огибающий целую Землю, — то он обязательно испускает какое-то излучение. Но если верить принципу эквивалентности, на борту МКС любой эксперимент должен давать те же результаты, что и вообще без ускорения. Из этого следует, что астронавты не увидят никакого излучения от заряда.

Ускоряющиеся заряды в разных системах отсчета

Это серьезная путаница. Свет или есть, или нет. Он не может зависеть от точки зрения[76].

Читатель вправе сказать, что я делаю из мухи слона. Ведь какой-то один ускоряющийся заряд — это не так уж много, а гравитационное ускорение Земли совсем не велико по астрономическим понятиям. Однако в реальной вселенной речь идет отнюдь не о единичных зарядах.

Едва ли не самый неожиданный прогноз квантовой механики состоит в том, что даже пустое в нашем представлении пространство, так называемый вакуум, не вполне пусто. Оказывается, мы живем в бурлящем океане частиц и античастиц. Просто мы их обычно не замечаем, поскольку они необычайно эфемерны. Для наглядности: электрон-позитронные пары живут всего около 10-21 секунд и за это время успевают пробежать максимум чуть больше радиуса атомного ядра.

Кроме того, поскольку частицы и античастицы всегда имеют противоположный заряд, флуктуации вакуума с электрической точки зрения друг друга гасят.

И есть веская причина полагать, что эта энергия вакуума — вовсе не какая-то безумная выдумка физиков-теоретиков, призванная сделать вселенную еще диковиннее. В 1948 году Хендрик Казимир заметил, что если взять две незаряженные металлические пластины и поместить их очень близко друг к другу, они будут притягиваться друг к другу. Это называется эффектом Казимира и его можно понять только в том случае, если представить себе, что между пластинами роятся виртуальные заряженные частицы, обладающие именно теми свойствами, которые предсказывает пресловутая плотность энергии вакуума.

С другой стороны, есть и веские причины относиться к плотности энергии вакуума с большой осторожностью. В каждой конкретной области пространства создаются фотоны, которые, если помните, сами себе античастицы, со всевозможными длинами волн. Поскольку фотоны с очень маленькой длиной волны обладают очень высокой энергией, из этого естественным образом следует, что в каждый момент энергии вакуума должно быть бесконечно много буквально везде.

Если в уравнениях всплывает бесконечность, то в большинстве случаях это нас не особенно тревожит. Прямо мы энергию не измеряем, а измеряем только разницу. Так что если у нас имеется бесконечность, не страшно: она же везде одинаковая. Спокойно вычитаем ее и уповаем на то, что никто ничего не заметит.

На самом деле можно придумать и более красивый выход из положения. Физики исходят из предположения, что на масштабах меньше некоторого — планковской длины — известная нам физика перестает работать. Из этого следует, что от бесконечности можно избавиться. С другой стороны, даже если бы самая маленькая длина волны фотонов была бы масштаба планковской длины, соответствующая плотность энергии была бы примерно в 10120 раз больше, чем реальная плотность энергии во вселенной. Такое чувство, что где-то в вычислениях допущена грубая ошибка.

Поскольку гравитация должна чувствовать всю энергию во вселенной, какая только есть, эта ошибка в гугол раз — самая больная проблема физики. И забывать о ней мы не будем. Однако мы не можем совсем игнорировать существование пар виртуальных частиц, поскольку они играют очень важную роль в устройстве черных дыр.

Представьте себе, что вы сидите в ракете, которая движется в вакууме с ускорением, и кругом постоянно создаются и аннигилируют электроны и позитроны. Каждая из этих виртуальных заряженных частиц выглядит так, словно ускоряется прямо на вас. А как мы теперь знаем, ускоряющиеся частицы испускают излучение. Иначе говоря, если вы находитесь в ускоряющемся звездолете, уже само включение реактивных двигателей заставит вас увидеть излучаемый вакуумом свет. Если бы мы не проделали предварительно упражнений с МКС, вы бы, наверное, решили, что я спятил.