Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Падающий свет перестает выходить в какую бы то ни было сторону, если он отправляется к центру с прицельным расстоянием менее Центр притяжения выглядит со стороны как черный диск, улавливающий свет. Куда свет девается? На расстоянии 1/2 r_БУКО от центра лежит (неустойчивая) круговая орбита света. Мы видели чуть выше, что никакие тела на эту круговую орбиту «не впихнуть» из-за запретительного роста энергии (да и количества вращения), но для света законы, как всегда, особые; как раз свету на этой орбите хорошо (впрочем, и здесь есть свои ограничения: она неустойчивая)[113]. Но чтобы издалека отправить свет на такую орбиту, надо выбрать прицельное расстояние точно равным А весь свет, приходящий с меньшими прицельными расстояниями, не попадает даже на орбиту радиуса 1/2 r_БУКО и ни на какую другую орбиту, а просто падает на центр.

Свет может обращаться по круговой орбите

Способ исследовать происходящее подробнее – соединить гайки и фонарики, т. е. посмотреть, как распространяется свет, испущенный фонариками, которые приделаны к разбросанным повсюду гайкам. Впрочем, для распространения света не важно, свободно или не свободно падал его источник, поэтому вместо многих гаек с лампами можно отправить в полет один космический корабль с мощным двигателем, чтобы потом использовать оборудование повторно. На рис. 6.22 источник света находится относительно далеко от центра для самой правой диаграммы и тем ближе к центру, чем левее диаграмма. Диаграммы показывают, какая часть света, излученного во все стороны, пропадет в центре притяжения. Пока корабль или гайки с фонариками находятся далеко от центра (справа на рис. 6.22 – на расстоянии 15 r_БУКО от центра; ничего специального в числе 15 нет, оно фигурирует просто в качестве сравнительно большого), мы, по существу, повторяем опыт, проделанный с лучами света на рис. 6.21: лишь малая часть света, испущенного во все стороны, пропадает в центре: это узкий темный сектор на диаграмме. Но когда источник достигает БУКО, угол раствора «сектора пропавшего света» вырастает уже до 90°, а на знакомом нам расстоянии 2/3 r_БУКО (третья справа диаграмма на рис. 6.22) свет пропадает уже из сектора с углом раствора 133,4°. Свет, испущенный вдоль половины направлений, не выйдет наружу, когда космический корабль доберется (или гайка упадет) до половины радиуса БУКО (1/2 r_БУКО); именно здесь, конечно, космонавтов слепит свет от разных других источников, «подзадержавшийся» на круговых орбитах. В области ближе половины радиуса БУКО световые сигналы во внешний мир удастся послать, только если луч наведен в пределах все более узкого конуса, смотрящего прочь от притягивающего центра, – все более узкого по мере приближения к фатальному расстоянию 1/3 r_БУКО. Точно на этом расстоянии от центра посылать сигналы поздно: диаграмма, как на рис. 6.22, становится полностью черной. С этого расстояния наружу не ведут даже световые геодезические; геометрия пространства-времени такова, что их нет. Это положение дел часто выражают словами: «Гравитация настолько сильна, что ее не может преодолеть даже свет».

Рис. 6.22. В зависимости от расстояния до центра свет, испущенный вдоль некоторых направлений (показаны в виде черных секторов), падает на центр. Расстояния от источника света до центра (слева направо): 2,01 · 1/6 r_БУКО, 2,1 · 1/6 r_БУКО, 2,5 · 1/6 r_БУКО, 3 · 1/6 r_БУКО = 1/2 r_БУКО, 4 · 1/6 r_БУКО = 2/3 r_БУКО, 6 · 1/6 r_БУКО = r_БУКО и 90 · 1/6 r_БУКО = 15 r_БУКО

Горизонт «полупроницаем» – пройти через него можно только в одну сторону

Граница той области пространства-времени, из которой не ведут наружу даже световые геодезические, называется горизонтом событий или просто горизонтом[114]. (Мы встречались с рукотворным горизонтом в главе «прогулка 5», но то была разминка.) Явление, закрытое горизонтом, носит название, которое в 1967 г. популяризировал (или придумал и популяризировал) Уилер, – «черная дыра».

*****

Отрезанный ломоть пространства-времени. Мы начали с безобидных орбит вокруг Солнца, потом для большей выразительности увеличили массу Солнца в 5 млн раз и продолжили изучать орбиты. Почему же «оказалось», что это орбиты вокруг черной дыры? Короткий ответ: чтобы насладиться всеми эффектами высокой кривизны, нужно подобраться близко к телу, которое эту кривизну создает, но для обычных звезд мы уткнемся в саму звезду задолго до того, как эти эффекты проявят себя в полной мере.