Знание-сила, 1999 № 07-08 (865,866)

Доказывал свой вывод Эйнштейн, анализируя систему небольших частиц, движущихся по круговым орбитам. Такая система не может сжаться до радиуса Шварцшильда, поскольку на нем вещество должно двигаться со скоростью больше световой. Любопытно, что все расчеты Эйнштейн проделал на логарифмической линейке.

Доводы великого физика верны, но оказывается, что нестабильная на радиусе Шварцшильда коллапсирующая звезда может быстро проскочить его и нестабильность не имеет значения.

В центрах этих трех галактик, вероятно, содержатся сверхмассивные черные дыры. Увеличение снимка нижней галактики демонстрирует, что ее ядро – двойное.

От нейтронов – к черным дырам

Буквально в те же дни Роберт Оппенгеймер со своим студентом создали современную теорию черных дыр. Забавно, что начали они с неверной идеи. В 1932 году английский физик- экспериментатор обнаружил нейтрон, составляющую часть атомного ядра. Вскоре после этого Фриц Цвикки в Калифорнийском технологическом институте и независимо от него Лев Ландау предположили, что из нейтронов могут возникать целые звезды.

По их аргументации, при достаточно большом гравитационном давлении электроны сливаются с протонами и дают в результате нейтроны. Цвикки даже догадался, что необходимые «сверхдавления» могут возникать при взрыве сверхновых звезд. Теперь такие звезды известны, их называют пульсарами. А в те годы еще не был ясен механизм генерации энергии в звездах, поэтому одна из гипотез помешала нейтронную звезду в центр любой обычной звезды. (В наши дни, по абсолютно схожим соображениям, астрофизики полагают, что внутри каждого квазара сидит черная дыра, дающая энергию.) Истинный же источник энергетики звезд – термоядерные реакции слияния – был открыт Гансом Бете и Карлом фон Вайцзеккером как раз в 1938 году.

Оппенгеймер решил понять: какой будет аналог массового предела Чандрасекара для звезд такого типа? Ответить на этот вопрос гораздо сложнее, чем в случае белых карликов. Там работали только силы гравитации, они сдавливали вещество, а принцип Паули их «расталкивал». Нейтроны же сильно взаимодействуют друг с другом, причем тонкости этого взаимодействия тогда были совершенно не ясны и трудно было делать какие-либо численные оценки. Тем не менее Оппенгеймер с присушим ему блеском провел их и пришел к выводу, что массовый предел сравним с пределом Чандрасекара для белых карликов.

Он хотел обсудить вопрос с Эддингтоном и, зная его отрицательное отношение к коллапсу, решил изучить процесс досконально, а для этого поручил своему студенту Снайдеру разработать проблему коллапса звезды. Ясно, что студент может решить не слишком трудную задачу, и Оппенгеймер максимально упростил ее, пренебрегая всем, чем только возможно. В результате Снайдер справился с заданием при помощи простого арифмометра, но получилось у него нечто необычное: оказалось, что коллапс звезды драматически зависит от того, откуда на нес смотришь.

Два взгляда на коллапс

Начнем с наблюдателя, находящегося в покое на безопасном расстоянии от звезды. Запомним, что есть еще один, которому повезло меньше: он сидит на самой поверхности коллапсирующей звезды и посылает сигналы своему более удачливому коллеге. Частота сигналов будет все время уменьшаться, и неподвижный наблюдатель придет к выводу, что часы на поверхности кодлапсируюшей звезды замедляют свой ход.

При достижении радиуса Шварцшильда эти часы просто остановятся. Неподвижный наблюдатель вынужден будет прийти к выводу, что ничего не происходит, или звезда коллапсирует за бесконечное время. Что будет с ней потом, никто не знает, потому что какое может быть «потом» после бесконечности? Все процессы на звезде как бы замерзают при приближении к радиусу Шварцшильда.

Пока в 1967 году известный физик Джон Уилер не придумал удачный термин «черные дыры», о таких объектах в литературе говорили как о замерзших звездах. Это замерзшее состояние и есть истинное содержание сингулярности в геометрии Шварцшильда. Как отмечали Снайдер и Оппенгеймер в своей статье, «коллапсируюшая звезда стремится перекрыть все каналы общения с удаленным наблюдателем, действует лишь ее гравитационное поле». Иными словами, возникает черная дыра.

Но что же происходит с нашим вторым наблюдателем? Не забывайте, что это всего лишь мысленный эксперимент; не дай Бог даже в кошмарном сне ощутить, что происходит в том фавитаиионном аду! Для наблюдателя на звезде радиус Шварцшильда не является чем-то выделенным, он проходит через него и дальше за вполне определенное время по своим часам. Единственное, что должно настораживать, это колоссальные приливные гравитационные силы, которые давно должны были разорвать его на мелкие кусочки.