Глава 4. Коллапсары
Роберта Оппенгеймера общая теория относительности не сильно интересовала. Он в нее верил, как любой здравомыслящий физик, но считал, что для современной науки она не имеет особого значения. По иронии судьбы именно Оппенгеймеру принадлежит открытие черных дыр – одного из самых странных и экзотических предсказаний этой теории.
Оппенгеймера интересовала другая продвигавшаяся в последние десять лет теория. Приобретя первый опыт и познакомившись в Европе с хорошо развитой современной физикой, он прославился как квантовый физик, в конечном счете создав на базе Калифорнийского университета в Беркли ведущую группу специалистов в этой области. До определенной степени причиной временной стагнации и блокады теории Эйнштейна стал именно подъем квантовой физики и таких ученых, как Оппенгеймер. Но в 1939 году пытаясь вместе со своим студентом Хартландом Снайдером понять, что происходит в конце жизненного цикла массивных звезд, Оппенгеймер обнаружил странное, находящееся за пределами его понимания решение общей теории относительности, на которое не обращали внимания почти двадцать лет. Он показал, что достаточно большая и плотная звезда будет исчезать из поля зрения. По его словам, через некоторое время «звезда стремится закрыться от любого взаимодействия с удаленным наблюдателем; сохраняется только ее гравитационное поле». Вокруг сжимающегося шара света и энергии как будто возникает таинственная пелена, скрывающая его от внешнего мира, а пространство-время завязывается в невозможно тугой узел. Из этой пелены не может вырваться ничто, даже свет. Вывод Оппенгеймера стал еще одним порожденным уравнениями Эйнштейна математическим курьезом, и многие сочли его слишком сложным для понимания.
Почти за четверть века до открытия Оппенгеймера и Снайдера немецкий астроном Шварцшильд послал Эйнштейну письмо с такой припиской: «Как видите, война отнеслась ко мне достаточно любезно, позволив, несмотря на близкий артиллерийский огонь, совершить прогулку в страну ваших идей». Это был декабрь 1915 года, и Шварцшильд писал с передовой Западного фронта. Сразу же после объявления Первой мировой войны в 1914 году он пошел в армию добровольцем, хотя как директор астрофизической обсерватории в Потсдаме был освобожден от призыва. Но как позднее сказал о нем Эддингтон, «Шварцшильд всегда больше тяготел к практике». Как и Фридман, Шварцшильд применял свои способности физика во время армейской службы и даже отправил в Берлинскую академию работу «Влияние ветра и плотности воздуха на траекторию полета тяжелых снарядов».
В России Шварцшильд получил последнюю копию журнала Proceedings Прусской академии наук. Там он обнаружил короткое, но захватывающее изложение новой общей теории относительности Эйнштейна. И приступил к распутыванию предложенных Эйнштейном уравнений на примере простейшей наиболее физически интересной ситуации, которую смог придумать. В отличие от Александра Фридмана и Жоржа Леметра, которые годы спустя будут рассматривать Вселенную в целом, Шварцшильд решил сосредоточиться на менее масштабном объекте: пространстве-времени вокруг сферической массы, например планеты или звезды.
Решать запутанные системы уравнений, подобные предложенным Эйнштейном, помогают упрощения. Рассматривая пространство-время вокруг звезды, Шварцшильд сфокусировался на поиске статичного, то есть не меняющегося со временем, решения. Кроме того, он хотел получить результат, который на полюсе выглядел бы так же, как на экваторе, чтобы значение имело только расстояние любой точки пространства до центра звезды.
Решение Шварцшильда было отменно простым и выражалось быстро выводимой формулой. В некоторой степени оно было даже очевидным. На большом расстоянии от центра звезды ее гравитационное поле ведет себя в соответствии со сделанными несколько веков назад предсказаниями Ньютона: гравитационное притяжение звезды зависит от ее массы и уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Правда, формула Шварцшильда оказалась немного другой. Отличие было минимальным, тем не менее его хватило для объяснения прецессии орбиты Меркурия, послужившей толчком к исследованиям Эйнштейна.
По мере приближения к звезде начинают происходить странные вещи. Небольшая, но достаточно тяжелая звезда как будто оказывается окруженной сферической поверхностью, скрывающей от взгляда всё, что за ней находится, – именно ее много лет спустя обнаружат Оппенгеймер и Снайдер. Эта поверхность пагубно влияет на все объекты, пытающиеся ее пересечь. Подлетевший слишком близко к звезде и попавший внутрь сферической границы предмет уже не в состоянии улететь прочь – это точка невозврата. Для выхода из магической сферы Шварцшильда требуется скорость, превышающая скорость света. А она, согласно теории Эйнштейна, недостижима. Шварцшильд открыл то, что более чем полвека спустя назовут черными дырами.
Он быстро записал полученные результаты и отправил их Эйнштейну с просьбой передать письмо в Прусскую академию наук. Эйнштейн в своем ответе высказал одобрение, написав: «Я не ожидал, что точное решение задачи может быть сформулировано так просто». В конце января 1916 года выкладки Шварцшильда были обнародованы.
Найденное Шварцшильдом решение так и не получило своего развития, более того, он даже не смог познакомиться с расчетами Оппенгеймера и Снайдера. Несколько месяцев спустя, находясь в России, он заболел опасным аутоиммунным заболеванием и в мае 1916 года умер.
Решение Шварцшильда быстро присвоили себе Эйнштейн и его последователи. Оно было простым, удобным в использовании и идеально подходящим для прогнозов. С его помощью можно, к примеру, смоделировать движение планет вокруг Солнца, точно предсказав прецессию орбиты Меркурия. Также точно оно предсказывало искривление световых лучей, за подтверждением которого Эддингтону потребовалось отправиться на остров Принсипи. Решение Шварцшильда хорошо служило новым релятивистам, если не обращать внимания на необъяснимое свойство странной поверхности, окружающей центр маленьких звезд определенной плотности и засасывающей всё извне.
Эта поверхность неустранимо присутствовала в уравнениях и их решении. Ее наличие следовало из общей теории относительности Эйнштейна. Но существовала ли она на самом деле?
В 1920 годах Артур Эддингтон заинтересовался вопросом формирования и развития звезд. Он хотел дать полную характеристику их структуры с помощью фундаментальных законов физики, выраженных математическими уравнениями. Он писал: «Умудряясь понять результат через математический анализ, мы получаем сведения об изменяющихся предпосылках реальных физических проблем». При подключении математики все сводится к решению уравнений, как это случилось с общей теорией относительности. В 1926 году выходит книга Эддингтона «Внутреннее строение звезд», которая для астрофизики быстро становится библией, связанной со звездами. Эддингтон был не только авторитетом в общей теории относительности, но и ведущим светилом в области изучения звезд.
Раньше звезды были загадкой. Никто не знал, каким образом они испускают такое количество энергии. Именно Эддингтон придумал правдоподобный механизм свечения звезд. Для понимания его идеи следует обратить пристальное внимание на атомы. Атом водорода состоит из двух частиц: протона (который заряжен положительно) и электрона (несущего отрицательный заряд). Протон и электрон удерживает рядом электромагнитная сила, заставляющая притягиваться друг к другу противоположные заряды. Протон примерно в две тысячи раз тяжелее электрона, поэтому именно он определяет вес атома водорода.
Атом гелия состоит из двух электронов и двух протонов. Но еще его ядро содержит две нейтральные частицы. Это нейтроны, вес которых практически совпадает с весом протонов. В простой модели атома гелия ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов, вокруг которых вращаются два электрона. Практически весь вес этого атома обеспечивается четырьмя входящими в ядро частицами, поэтому, казалось бы, атом гелия должен быть в четыре раза тяжелее атома водорода. Но на самом деле он на 0,7 % легче расчетного значения. Часть его массы куда-то исчезла. А в соответствии со специальной теорией относительности Эйнштейна уменьшение массы означает уменьшение энергии. Этим обстоятельством и воспользовался Эддингтон.
Эддингтон рассудил, что источником энергии для звезд, возможно, служит превращение водорода в гелий. В раскаленном аду в самой сердцевине звезды может происходить объединение ядер атомов водорода. В ходе радиоактивного распада часть протонов превращается в нейтроны, а из протонов и нейтронов формируются ядра гелия. При этом каждый атом высвобождает незначительное количество энергии. Однако общей энергии всех атомов хватает на то, чтобы питать звезду и излучать свет. Если большая часть Солнца состоит из водорода, до завершения его преобразования в гелий процесс горения должен продолжаться почти 9 миллиардов лет. Учитывая, что возраст Земли составляет 4,5 миллиарда лет, речь, по всей видимости, идет о сумме указанных чисел.
В своей книге для объяснения звездной астрофизики Эддингтон создал целую доктрину. Предложив источник звездной энергии, он пояснил, почему звезды не сжимаются: испуская наружу всю вырабатываемую энергию, они противостоят силе тяжести. Звезды представляют собой совершенные физические системы, которые могут быть описаны в терминах его уравнений. Однако книга «Внутреннее строение звезд» – далеко не исчерпывающий источник информации. С математическим красноречием Эддингтон смог описать жизнь звезд, но не стал касаться их смерти. Логика подсказывала ему, что в какой-то момент питающее звезду топливо заканчивается и исчезает излучение, которое не давало ей сжиматься под действием собственной гравитации. Как он пишет в своей книге: «Кажется, при истощении запаса субатомной энергии, которое в конце концов должно наступить, звезда сталкивается со значительными трудностями… Это любопытная проблема, и можно делать самые фантастические предположения о том, что происходит после этого». Разумеется, в число фантастических предположений входила и теория Эйнштейна с решением Шварцшильда, поэтому Эддингтон написал: «Сила тяжести будет столь большой, что преодолеть ее не сможет даже свет, его лучи начнут падать на поверхность звезды, как камень на землю». С точки зрения Эддингтона, это был слишком надуманный и исключительно математический результат. В книге он написал: «Когда мы доказываем результат, не понимая его – просто потому что он неожиданно появился из лабиринта математических формул, – нет оснований надеяться, что мы сможем его где-то применить».
Но если отбросить самые фантастические предположения, что могло бы происходить после выгорания топлива? Наблюдения 1914 года намекали на возможность существования кладбищ таких коллапсировавших звезд. При изучении Сириуса – самой яркой звезды нашего неба, почти в тридцать раз превосходящей яркостью Солнце, – астрономы обнаружили на ее орбите странный тусклый спутник. Названный Сириусом B, вопреки тусклому свечению, он был очень горячим и обладал примечательными свойствами: при массе, сравнимой с массой Солнца, его радиус был меньше радиуса Земли. Это означает очень большую плотность. В начале 1920-х годов этот объект получил название «белый карлик» и стал считаться одной из загадок звездного зоопарка, возможной конечной точкой жизненного цикла звезд. Ключом к пониманию природы белых карликов могла бы стать новомодная теория квантовой физики.
Квантовая физика делит природу на мельчайшие составляющие и странным образом объединяет их обратно. Причиной ее появления стало необычное явление, с которым ученые столкнулись в XIX веке. Оказалось, что соединения и химические вещества особым образом поглощают и испускают свет. Результатом этих процессов является отнюдь не непрерывный диапазон длин волн. Вещества отражают свет в виде дискретного набора волн с определенными длинами, формируя похожий на штрихкод спектр, который впоследствии Весто Слайфер и Милтон Хьюмасон использовали для открытия красного смещения. Господствовавшая в то время ньютоновская физика вкупе с теорией электричества Максвелла были не в состоянии объяснить это странное явление.
Конец ознакомительного фрагмента.