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

Нельзя не вращаться. Как мы уже говорили, черные дыры в космосе должны вращаться. Наличие оси вращения немедленно нарушает «одинаковость по всем направлениям», которая упрощала картину в случае невращающихся черных дыр. Разбрасывать гайки по окрестностям вращающейся черной дыры – занятие практически бесконечное, потому что разнообразие велико; орбиты незамкнуты, если только не случатся условия резонанса (рис. 6.27), но теперь, в отличие от невращающейся черной дыры, требуется синхронизация циклических изменений радиуса и двух углов оборота вокруг центра[120].

Рис. 6.27. Орбиты пробных тел вокруг вращающейся черной дыры. Слева: незамкнутая орбита, постепенно заметающая весь объем. Справа: периодическая орбита в случае, когда выполнены некоторые резонансные условия

Новый аттракцион предлагается тем, кого бросают во вращающуюся черную дыру строго по радиусу: падение происходит вовсе не по радиусу! Более сложное устройство кривизны определяет такие геодезические, что гайки и наблюдатели, начавшие падение по радиусу, вовлекаются во вращение в пространстве – вокруг оси вращения черной дыры и в ту же сторону. Это неблизкая нам ситуация, когда гравитация действует не только как притяжение, но еще и как «утяжение» вбок, определяемое собственным вращением того, что притягивает. Источнику кривизны не надо даже быть черной дырой (хотя, конечно, с черными дырами все всегда отчетливее). Измерение этого тончайшего эффекта для Земли, с ее слабой гравитацией и медленным вращением, удалось выполнить в 2004 г. с помощью спутника Gravity Probe B. Вовлечение во вращение вокруг центрального тела выражалось в прецессии гироскопа, которая, собственно, и фиксировалась на спутнике. Близнецы, кстати, могут использовать вовлечение во вращение, чтобы в очередной раз рассогласовать свой возраст (рис. 6.28): кривизна, как мы помним, – это свойство пространства-времени, и облет вращающегося тела в двух разных направлениях, по вращению и против вращения, влияет на ход времени по-разному. У того из близнецов, кто летит против вращения, времени до встречи пройдет меньше. В околоземном пространстве это пренебрежимые во всех смыслах сотни аттосекунд, но вращающиеся черные дыры только и ждут, чтобы их облетели с двух разных сторон.

Рис. 6.28. Вовлечение во вращение вызывает различия в ходе времени. Наблюдатель A огибает вращающееся тело против направления вращения, наблюдатель C – по направлению, а наблюдатель B не делает ни того ни другого. Показания всех часов в итоге различаются

Падающему наблюдателю, впрочем, не до этого. В отличие от своего приятеля, он поступил очень разумно, заплатив турагентству больше за возможность падения именно во вращающуюся черную дыру: приятель, сэкономивший на вращении, будет двигаться только по радиусу, а от шампанского при пересечении горизонта его будет отвлекать смена ролей пространства и времени. У вращающейся же черной дыры эффекты следуют по отдельности, а горизонтов вообще в два раза больше (есть внешний, собственно, и окутывающий черную дыру, а кроме него, еще и внутренний), так что один горизонт обходится дешевле, плюс еще до внешнего горизонта наблюдатель пересекает эргосферу. Это звучное название выбрано для еще одной математически определенной поверхности – в том смысле «математически», что ее расположение и правда известно математически, но еще и в том смысле, что проходит она в пустом пространстве и поэтому не является «физической» поверхностью чего бы то ни было. Эргосфера объемлет вращающуюся черную дыру снаружи от (внешнего) горизонта (рис. 6.29) и сходится с горизонтом только на полюсах, а в плоскости экватора отстоит от него на расстояние, сравнимое с радиусом самого горизонта в той же экваториальной плоскости. После пересечения эргосферы время приобретает свойства пространственных направлений, хотя до настоящего горизонта еще далеко. Внутри эргосферы время вытягивается «вокруг», по направлению вращения самой черной дыры, и именно поэтому все предметы, которые туда попали, не могут не вращаться: увеличение угла поворота вокруг черной дыры становится таким же неотвратимым, как наступление ближайших моментов будущего времени. При этом все еще можно как приближаться к горизонту, так и удаляться от него, и, насмотревшись на это чудо «пространственного времени», еще можно вернуться назад – так, собственно, и делают те, кто купил дешевый вариант экскурсии, в который не включено посещение горизонтов.

Рис. 6.29. Важные границы вокруг вращающейся черной дыры в разрезе. Ось вращения проходит вертикально. Форма поверхностей зависит от выбора координат, но их относительное расположение и точки соприкосновения от этого не меняются. Снаружи внутрь: эргосфера, внешний горизонт, внутренний горизонт и внутренняя эргосфера. Зазор между внешним горизонтом и эргосферой тем больше, чем сильнее раскручена черная дыра