Холодильник Эйнштейна

Этот эффект различим при солнечном затмении, когда звезды позади Солнца становятся видимыми. Днем свет этих звезд теряется в ярком свете Солнца. Во время затмения, когда Солнце заслоняет Луна, день сменяется ночью и звезды на несколько мгновений показываются на небе. Именно поэтому в 1919 году, всего через четыре года после того, как Эйнштейн представил свою теорию, группа британских ученых посетила Бразилию и Западную Африку, чтобы при затмении сфотографировать положение звезд, находящихся позади Солнца. Сравнив эти наблюдения с положением звезд, зафиксированным шестью месяцами ранее, они увидели небольшие различия. Это доказало, что лучи звездного света действительно искривились, когда прошли рядом с Солнцем полугодом ранее, но остались прямыми, когда не встретили Солнце на своем пути. Впоследствии было сделано множество наблюдений, подтверждающих, что вблизи массивных тел лучи света проходят по изогнутым траекториям.

И все же, хотя научное сообщество быстро приняло общую теорию относительности, в первой половине XX века ее изучали лишь немногие ученые, что объяснялось отчасти необходимостью масштабного переосмысления реальности, а отчасти — дьявольской сложностью содержащихся в ней математических формул. Предсказания этих формул в целом совпадали с предсказаниями гораздо более простых правил ньютоновой гравитации. Возможно, последние были “абсурдны” с философской точки зрения, но работать с ними было существенно легче.

Интерес к теории наконец усилился после Второй мировой войны, когда физики озаботились поведением чрезвычайно больших тел, которые во много раз тяжелее Солнца. Для них предсказания общей теории относительности сильно отличались от предсказаний ньютоновой гравитации, а потому изучение таких тел сулило открытие новых принципов работы Вселенной. Особенный интерес при этом представлял один аспект общей теории относительности, впервые замеченный всего через несколько недель после того, как Эйнштейн объявил о своем открытии.

В начале 1916 года немецкий физик и астроном Карл Шварцшильд, в то время служивший на русском фронте, опубликовал анализ теории Эйнштейна. В его статье было сделано тревожное предсказание, что если такое массивное тело, как звезда, сожмется до достаточно высокой плотности, то пространство вокруг него искривится, а время замедлится в такой степени, что начнут происходить странные вещи. Пространство и время окажутся искривлены бесконечно. Такая сверхмассивная звезда создаст “сингулярность”, а это значит, что математика общей теории относительности несостоятельна, поскольку не может описать, что произойдет в таком случае.

Многие физики, включая Эйнштейна, не придали значения сингулярностям, утверждая, что в реальной Вселенной они, скорее всего, не встречаются. Впоследствии причины, по которым люди отрицали их существование, отпали одна за одной, и уже в конце 1960-х и начале 1970-х годов лучшие физики мира обратили внимание на сингулярности, надеясь понять, какие секреты они таят. Пока в космосе не обнаружили ни одного такого объекта, поэтому вся работа в этой сфере остается теоретической. И все же, несмотря на отсутствие доказательств, эти сингулярности — или объекты, появившиеся в результате гравитационного коллапса, — получили выразительное прозвище: черные дыры.

Сингулярность пространства-времени

Представьте неглубокий океан воды, который простирается на бесконечное расстояние во всех направлениях. В этом океане живет лишь один вид слепых рыб, которые плавают в воде, но не чувствуют ее. Если вода, окружающая одну из рыб, течет, то рыба движется вместе с ней, но даже не догадывается об этом. Чтобы общаться друг с другом, рыбы, обладающие исключительно хорошим слухом, передают в воде звуковые сигналы на постоянной скорости. Этот водный мир обладает важной характеристикой: в нем ничто не может двигаться быстрее скорости распространения звука.

В одной части океана сливное отверстие всасывает в себя всю воду вокруг. Чем ближе вода к сливному отверстию, тем быстрее она движется. На определенном расстоянии от сливного отверстия скорость потока всасываемой воды достигает скорости звука, а затем превышает ее, причем расстояние это зависит от того, с какой силой отверстие всасывает воду.

Удобно представить, что сливное отверстие находится в центре окружности. За пределами очерченного ею круга вода течет медленнее скорости звука. Внутри него вода течет к сливному отверстию быстрее скорости звука. На границе вода течет ровно со скоростью звука. Назовем эту окружность звуковым барьером.