Черные дыры

1. Черные дыры

Термин "черная дыра" появился совсем недавно. Его ввел в обиход в 1969 г. американский ученый Джон Уилер как мета-форическое выражение представления, возникшего по крайней мере 200 лет назад, когда существовали две теории света: в первой, кото-рой придерживался Ньютон, считалось, что свет состоит из частиц; согласно же второй теории, свет - это волны. Сейчас мы знаем, что на самом деле обе они правильны. В силу принципа частично-волнового дуализма квантовой механики свет может рассматривать-ся и как частицы, и как волны. В теории, в которой свет - волны, было непонятно, как будет действовать на него гравитация. Если же свет - поток частиц, то можно считать, что гравитация действует на них так же, как на пушечные ядра, ракеты и планеты. Сначала ученые думали, что частицы света перемещаются с бесконечной скоростью и поэтому гравитация не может их замедлить, но когда Рёмер установил, что скорость света конечна, стало ясно, что влияние гравитации может оказаться существенным.

Исходя из этого Джон Мичел, преподаватель из Кембриджа, в 1783 г. представил в журнал "Философские труды Лондонского Королевского общества" свою работу, в которой он указывал на то, что достаточно массивная и компактная звезда должна иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет выйти за его пределы: любой луч света, испущенный поверхностью такой звезды, не успев отойти от нее, будет втянут обратно ее гравитационным притяжением. Мичел считал, что таких звезд может быть очень много. Несмотря на то что их нельзя увидеть, так как их свет не может до нас дойти, мы тем не менее должны ощущать их грави-тационное притяжение. Подобные объекты называют сейчас черны-ми дырами, и этот термин отражает их суть: темные бездны в космическом пространстве. Через несколько лет после Мичела и Французский ученый Лаплас высказал, по-видимому, независимо от него аналогичное предположение. Небезынтересно, что Лаплас включил его лишь в первое и второе издания своей книги "Система мира", но исключил из более поздних изданий, сочтя, наверное, чер-ные дыры бредовой идеей. (К тому же в XIX в. корпускулярная теория света потеряла популярность. Стало казаться, что все явления можно объяснить с помощью волновой теории, а в ней воздействие гравитационных сил на свет вовсе не было очевидным.)

На самом деле свет нельзя рассматривать как пушечные ядра в теории тяготения Ньютона, потому что скорость света фиксиро-вана. (Пушечное ядро, вылетевшее вверх с поверхности Земли из-за гравитации будет замедляться и в конце концов остановится, а потом начнет падать. Фотон же должен продолжать дви-жение вверх с постоянной скоростью. Как же тогда ньютоновская гравитация может воздействовать на свет?) Последовательная тео-рия взаимодействия света и гравитации отсутствовала до 1915 г. когда Эйнштейн предложил общую теорию относительности. Но даже после этого прошло немало времени, пока стало наконец ясно, какие выводы следуют из теории Эйнштейна относительно мас-сивных звезд.

Чтобы понять, как возникает черная дыра, надо вспомнить о том, каков жизненный цикл звезды. Звезда образуется, когда большое количество газа (в основном водорода) начинает сжиматься сила-ми собственного гравитационного притяжения. В процессе сжатия атомы газа все чаще и чаще сталкиваются друг с другом, двига-ясь со всё большими и большими скоростями. В результате газ разогревается и в конце концов становится таким горячим, что ато-мы водорода, вместо того чтобы отскакивать друг от друга, будут сливаться, образуя гелий. Тепло, выделяющееся в этой реакции, которая напоминает управляемый взрыв водородной бомбы, и вы-зывает свечение звезды. Из-за дополнительного тепла давление газа возрастает до тех пор, пока не уравновесит гравитационное притя-жение, после чего газ перестает сжиматься. Это немного напоми-нает надутый резиновый шарик, в котором устанавливается равно-весие между давлением воздуха внутри, заставляющим шарик разду-ваться, и натяжением резины, под действием которого шарик сжи-мается. Подобно шарику, звезды будут долго оставаться в стабиль-ном состоянии, в котором выделяющимся в ядерных реакциях теп-лом уравновешивается гравитационное притяжение. Но в конце кон-цов у звезды кончится водород и другие виды ядерного топлива. Как ни парадоксально, но чем больше начальный запас топлива у звезды, тем быстрее оно истощается, потому что для компенсации гравитационного притяжения звезде надо тем сильнее разогреться, чем больше ее масса. А чем горячее звезда, тем быстрее расходует-ся ее топливо. Запаса топлива на Солнце хватит примерно на пять тысяч миллионов лет, но более тяжелые звезды израсходуют свое топливо всего за сто миллионов лет, т. е. за время, гораздо меньш^ возраста Вселенной. Израсходовав топливо, звезда начинает охлаж-даться и сжиматься, а вот что с ней происходит потом, стало понятно только в конце двадцатых годов нашего века.

В 1928 г. Субраманьян Чандрасекар, аспирант из Индии, отправился по морю в Англию, в Кембридж, чтобы пройти там курс обучения у крупнейшего специалиста в области общей теории от-носительности Артура Эддингтона. (Говорят, в начале двадцатых годов один журналист сказал Эддингтону, что он слышал, будто мире всего три человека понимают общую теорию относитель-ности. Эддингтон, помолчав, сказал: "Я думаю - кто же третий?"). во время своего путешествия из Индии Чандрасекар вычислил, какой величины должна быть звезда, чтобы, израсходовав цели-ком свое то