В сущности, ньютонова теория гравитации даёт точное соотношение между скоростью убегания и массой звёзды. Чем тяжелее планета или звезда и чем меньше её радиус, тем большая скорость убегания понадобится, чтобы преодолеть силу её гравитационного притяжения. Ещё в 1783 г. английский астроном Джон Мичелл воспользовался этими вычислениями, чтобы предположить, что супермассивная звезда может иметь скорость убегания, равную скорости света. Свет, излучаемый такой массивной звездой, не отдаляется от неё, а движется вокруг по орбите. Таким образом, стороннему наблюдателю эта звезда может показаться совершенно чёрной. Пользуясь всеми знаниями, имевшимися в XVIII в., Мичелл действительно вычислил массу такой чёрной дыры.
[18] Увы, его теорию сочли бредовой и вскоре забыли. Тем не менее сегодня мы склонны считать, что чёрные дыры существуют, так как благодаря телескопам и другим приборам увидели в небе белых карликов и нейтронные звёзды.
Объяснить, почему чёрные дыры чёрные, можно двумя способами. С точки зрения прохожего, сила, действующая между звездой и лучом света, настолько велика, что его траектория изогнута и представляет собой окружность. Можно также принять точку зрения Эйнштейна, согласно которой «кратчайшее расстояние между двумя точками — кривая». Искривление луча света до полной окружности означает, что и само пространство свёрнуто в круг. Такое возможно лишь в том случае, если чёрная дыра полностью сжала участок пространства-времени вокруг неё, поэтому луч света перемещается в гиперсфере. Этот участок пространства-времени теперь отделён от окружающего пространства-времени, а само пространство «разорвано».
Мост Эйнштейна — Розена
Релятивистское описание чёрных дыр фигурирует в работе Карла Шварцшильда. В 1916 г., всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн записал свои знаменитые уравнения, Шварцшильд сумел найти для них точное решение и вычислить гравитационное поле массивной стационарной звёзды.
Решение Шварцшильда имело несколько интересных особенностей. Во-первых, вокруг чёрной дыры находится «точка невозврата». Любой объект, приблизившийся на расстояние, меньшее, чем этот радиус, неизбежно затянет в чёрную дыру, спастись ему не удастся. Человек, которому не посчастливится оказаться в пределах радиуса Шварцшильда, будет захвачен чёрной дырой и раздавлен насмерть. В настоящее время это расстояние от чёрной дыры называется радиусом Шварцшильда, или горизонтом событий (самой удалённой видимой точкой).
Во-вторых, каждый, кто окажется в пределах радиуса Шварцшильда, обнаружит «зеркальную вселенную» по «другую сторону» пространства-времени (рис. 10.2). Эйнштейна не беспокоило существование этой причудливой зеркальной Вселенной, потому что сообщение с ней было невозможным. Любой космический зонд, отправленный в центр чёрной дыры, столкнётся с бесконечной искривлённостью; иначе говоря, гравитационное поле окажется бесконечным, а любой материальный объект будет уничтожен. Электроны оторвутся от атомов, и даже протоны и нейтроны в ядре разнесёт в разные стороны. Кроме того, чтобы проникнуть в другую вселенную, зонду понадобится лететь со скоростью, превышающей скорость света, а это невозможно. Таким образом, хотя зеркальная Вселенная математически необходима для понимания решения Шварцшильда, наблюдать её физически не удастся никогда.
В итоге известный мост Эйнштейна — Розена, соединяющий две вселенных (мост назван в честь Эйнштейна и его соавтора Натана Розена), считается математической причудой. Этот мост необходим для получения математически последовательной теории чёрных дыр, однако по мосту Эйнштейна — Розена попасть в зеркальную вселенную невозможно. Мосты Эйнштейна — Розена вскоре обнаружились и в других решениях гравитационных уравнений, таких, как решение Райснера — Нордстрёма для чёрной дыры с электрическим зарядом… Тем не менее мост Эйнштейна — Розена оставался любопытным, но забытым приложением к теории относительности.
Ситуация начала меняться с появлением труда новозеландского математика Роя Керра, который в 1963 г. нашёл ещё одно точное решение уравнений Эйнштейна. Керр полагал, что любая коллапсирующая звезда вращается. Как вращающийся фигурист, скорость которого возрастает, когда он прижимает к себе руки, звезда неизбежно будет вращаться быстрее по мере схлопывания. Таким образом, стационарное решение Шварцшильда для чёрных дыр не было самым физически релевантным решением уравнений Эйнштейна.
Предложенное Керром решение стало сенсацией в вопросах относительности. Астрофизик Субраманьян Чандрасекар однажды сказал:
Самым ошеломляющим событием за всю мою научную жизнь, т. е. более чем за сорок пять лет, стало осознание, что точное решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна, открытое новозеландским математиком Роем Керром, даёт абсолютно точное отображение бессчётного множества массивных чёрных дыр, наполняющих вселенную. Этот «трепет перед прекрасным», этот невероятный факт, что открытие, к которому привёл поиск красоты в математике, обнаружило её точную копию в Природе, убеждают меня, что красота — то, на что человеческий разум отзывается на самом глубинном, содержательном уровне
{95}.
Однако Керр обнаружил, что массивная вращающаяся звезда не сжимается в точку. Вместо этого вращающаяся звезда сплющивается, пока в конце концов не превращается в кольцо, обладающее примечательными свойствами. Если запустить зонд в чёрную дыру сбоку, он ударится об это кольцо и будет полностью уничтожен. Искривлённость пространства-времени остаётся бесконечной, если приближаться к кольцу сбоку. Если можно так выразиться, центр всё так же окружён «кольцом смерти». Но, если запустить космический зонд в кольцо сверху или снизу, ему придётся иметь дело с большой, но конечной искривлённостью; иначе говоря, гравитационная сила не будет бесконечной.
Этот весьма неожиданный вывод из решения Керра означает, что любой космический зонд, запущенный во вращающуюся чёрную дыру вдоль оси её вращения, может в принципе пережить огромное, но конечное воздействие гравитационных полей в центре и проделать весь путь до зеркальной Вселенной, избежав гибели под воздействием бесконечной искривлённости. Мост Эйнштейна — Розена действует как туннель, соединяющий две области пространства-времени; это и есть «червоточина», или «кротовина». Таким образом, чёрная дыра Керра — ворота в другую вселенную.
