Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

Если в принципе можно было бы создать миниатюрные черные дыры, они могли бы использоваться в перспективе как транспорт для путешествий к звездам. Идея межзвездных полетов пробуксовывает с самого начала, поскольку наши ракеты летают благодаря химической энергии. Это неэффективное топливо может использоваться для доставки людей на орбиту Земли и грузов в Солнечную систему, но его возможности безнадежно малы для путешествия за триллионы километров даже к ближайшим звездам. Однако энергия, выделяемая микроскопической черной дырой в форме излучения Хокинга, могла бы разогнать космический корабль до скоростей, сопоставимых со скоростью света. Черная дыра, используемая в космических полетах, должна быть довольно маленькой, чтобы ее можно было создать искусственно, иметь массу, аналогичную массе корабля, и достаточно долго жить для полезного применения. Подошла бы черная дыра в полмиллиона тонн. Она имела бы размер 10^–18

м, выходную мощность 10¹⁷ Вт, продолжительность жизни 3–4 года и с учетом 10 %-ной эффективности преобразования энергии в кинетическую, разогнала бы космический корабль до 10 % скорости света за 200 дней[255]

. Черную дыру разместили бы в точке фокуса параболического отражателя для создания тяги. Такова идея. Дело всего лишь за технической реализацией!

6. Черные дыры как проверка теории гравитации

Законы тяготения Ньютона являются лишь приближением к более глубокому уровню реальности, описанному общей теорией относительности Эйнштейна. При сильной гравитации проявляется необычное поведение искривленного пространственно-временного континуума. Свет отклоняется, часы идут медленнее, при этом на интуицию рассчитывать не приходится. За столетие, прошедшее после первой публикации, теория Эйнштейна триумфально выдержала все проверки, но почти все они подразумевали условия слабой гравитации.

Черная дыра – идеальный испытательный полигон для общей теории относительности. В черной дыре происходят экстремальные искажения пространства и времени. На горизонте событий, согласно предсказанию теории, время должно останавливаться. В фотонной сфере, отстоящей от сингулярности на 50 % дальше горизонта событий, фотоны теоретически должны совершать орбитальное движение наподобие движения спутников вокруг Земли. Настолько сильную гравитацию невозможно создать ни в какой земной лаборатории. Идеально подошла бы достаточно близкая к Земле черная дыра, но до ближайших черных дыр звездной массы – сотни световых лет, а до сверхмассивных – миллионы. Астрономам приходится использовать далекие черные дыры и изобретать эксперименты, позволяющие по-новому протестировать теорию гравитации.

Гравитация от Ньютона до Эйнштейна и далее

Черные дыры можно понять только с помощью теории гравитации Эйнштейна, но необходимость в новой теории гравитации возникла не из-за них. История началась в Англии в 1665 г. К 33 годам Исаак Ньютон так и не стал фермером, и мать отправила его учиться в Кембридж. Университет был закрыт из-за чумы, Ньютону пришлось оставаться дома, где он размышлял о тяготении. Раскручивая камень, привязанный к бечевке, он заметил, что камень пытается улететь прочь от центра вращения, но бечевка создает силу противодействия. Какая сила противодействия удерживает Луну на орбите Земли и планеты на орбитах Солнца? К 1687 г. он вывел ответ: сила уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Ньютон подробно описал теорию гравитации в своем главном труде «Математические начала».

Скоро астрономы стали использовать этот закон для все более точных предсказаний – например, они рассчитали, что комета, носящая ныне имя Эдмунда Галлея, вернется в апреле 1759 г. Так и произошло, что окончательно укрепило репутацию Ньютона. Столетие спустя французский астроном Урбен Жан Жозеф Леверье решал проблему аномалии орбиты Урана – первой новой планеты, открытой с античных времен. Ученый пришел к выводу, что возмущения в орбиту вносит некое внешнее по отношению к ней тело, и предсказал его массу и местонахождение. Почти сразу после этого в Берлинской обсерватории открыли Нептун. Предсказательная сила теории Ньютона казалась безграничной[256].

Однако в этом чистом голубом небе висело маленькое облачко – орбита Меркурия. Меркурий имеет очень вытянутую орбиту, ближайшая к Солнцу точка которой – перигелий – смещается для земного наблюдателя на 5600 угловых секунд (около полутора диаметров Луны) за столетие. Самые точные расчеты Леверье показали, что известные планеты и закон Ньютона объясняют только прецессию в 5557 угловых секунд. Уверенность в теории Ньютона была так велика, что для объяснения этого крохотного расхождения было постулировано наличие внутри орбиты Меркурия не открытой пока планеты, названной Вулканом[257]. Леверье до самой смерти верил, что Вулкан будет найден, но этого не произошло. В действительности же теория Ньютона оказалась не столь совершенной.