Помоги проекту - поделись книгой:
— Что случилось, черт побери!? — запрашиваете вы ЗАРЮ по лазерной связи.
— Тише, тише! — успокаивает она, — Вы рассчитали орбиту, используя описание законов гравитации Ньютона. Но ньютоновское описание — только приближение к настоящим законам гравитации, которые управляют Вселенной[29]. Это приближение прекрасно действует вдали от горизонта, но плохо поблизости от него. Гораздо более точным является описание Эйнштейна на основе общей теории относительности, которое с огромной точностью согласуется с истинными законами гравитации вблизи горизонта и предсказывает, что около него гравитационное тяготение становится сильнее, чем по закону Ньютона. Чтобы оставаться на круговой орбите, на которой усиленная гравитация уравновешивается центробежной силой, вы должны увеличить вашу центробежную силу, а это означает, что должна увеличиться ваша орбитальная скорость вокруг дыры. После прохождения орбиты в три окружности горизонта, вы должны перевернуть капсулу и не тормозить, а ускорять вращение. Потому после пересечения тройной орбиты гравитация пересилила вашу центробежную силу и швырнула вас к центру.
«Будь проклята эта ЗАРЯ!» — ругаетесь вы про себя. «Она всегда отвечает на мои вопросы, но никогда не сообщит о критической ситуации заранее. Она никогда не предупредит меня, когда я собираюсь действовать неверно!» Вы знаете, конечно, причину. Человеческая жизнь потеряла бы свою «изюминку» и разнообразие, если бы компьютерам разрешалось предостерегать от совершения ошибок. В 2032 г. Всемирный Совет принял закон об обязательной установке во все компьютеры блока Гобсона, запрещающего такие предупреждения, вы разворачиваете капсулу и начинаете осторожно чередовать: ускорение, снижение по спирали, свободный дрейф, ускорение, снижение по спирали, дрейф, ускорение, снижение, дрейф…, что приводит к уменьшению окружности орбиты с трех окружностей горизонта до 2,5; 2,0; 1,6; 1,55; 1,51; 1,505; 1,501;…
Какое разочарование! Чем больше раз вы разгоняетесь и чем быстрее ваше результирующее движение по круговой орбите, тем меньше становится ваша орбита; но когда скорость дрейфа приближается к скорости света, орбита приближается к окружности, равной 1,5 окружности горизонта. Поскольку вы не можете двигаться быстрее света, нет никакой надежды, что этим способом можно подойти ближе к горизонту.
Вы опять обращаетесь к ЗАРЕ за помощью, и она в очередной раз успокаивает вас и объясняет: внутри окружности в 1,5 горизонта вообще нет круговых орбит. Гравитационное тяготение там такое сильное, что его не может уравновесить никакая центробежная сила, даже если это вращение со скоростью света. Если вы хотите подойти ближе, говорит ЗАРЯ, вы должны сойти с круговой орбиты и начать падать на горизонт, притормаживая, чтобы предотвратить катастрофическое падение. Сила двигателей вашей капсулы будет компенсировать силы гравитации дыры, пока вы будете медленно спускаться и затем висеть над горизонтом, как астронавты с помощью ракетных двигателей парили над поверхностью Луны.
Теперь, узнав о некоторых предосторожностях, вы спрашиваете ЗАРЮ совета по поводу последствий такой сильной тяги ракетных двигателей. Вы объясняете, что вы хотите парить на такой высоте, которая соответствует 1,0001 окружности горизонта, где проявляется большинство эффектов, наблюдаемых на горизонте, но откуда вы можете потом уйти. Если я буду поддерживать там капсулу двигателями с постоянной тягой, какой величине ускорения она будет соответствовать? «150 миллионов земных ускорений», — мягко отвечает ЗАРЯ.
С чувством глубокого разочарования вы разгоняетесь и по спирали уходите в люк вашего звездного корабля.
После долгого сна и последующего пятичасового расчета по формулам общей теории относительности применительно к черным дырам, трехчасового штудирования Атласа черных дыр Шехтера и часовой консультации с командой вы формулируете план следующей части путешествия.
Потом команда передаст Всемирному географическому обществу, оптимистически предполагая, что оно все еще существует, отчет о ваших экспериментах со Стрельцом. В конце сообщения излагается ваш новый план.
Расчеты показали, что чем больше дыра, тем меньшая тяга требуется ракете для удерживания ее на окружности в 1,0001 горизонта. Для болезненной, но терпимой тяги в 10 земных g масса дыры должна быть в 15 триллионов (15х1012) солнечных масс. Самая близкая из таких дыр называется Гаргантюа, находится она на расстоянии 100000 (105) световых лет от нашей галактики (Млечный Путь) и в 100 миллионах (108) световых лет от кластера галактик Девы, вокруг которого вращается Млечный Путь. Фактически она находится вблизи квазара 3C273, в 2 миллиардах (2х109) световых лет от Млечного Пути, что составляет 10 % расстояния до края наблюдаемой части Вселенной.
План, который передала ваша команда, состоит в путешествии к Гаргантюа. При использовании обычного ускорения в 1 g в первой половине пути и такого же замедления для второй половины ваше путешествие займет 2 миллиарда лет по земному времени, но благодаря зависящему от скорости сокращению времени только 42 года по часам звездолета. Если члены Всемирного географического общества не хотят 4 миллиарда лет находиться в состоянии глубокого анабиоза (2 миллиарда лет уйдет на достижение вашим звездолетом окрестностей Гаргантюа и 2 миллиарда на то, чтобы сообщение от него достигло Земли), они не смогут получить ваше следующее сообщение.
Через сорок два года по часам звездолета вы замедляетесь в окрестности Гаргантюа. Над вашей головой висит квазар 3C273 с двумя бьющими из центра блестящими голубыми струями[30]; под ним находится черная бездна — Гаргантюа. Выйдя на орбиту вокруг Гаргантюа и проведя обычные измерения, вы убеждаетесь, что действительно его масса равна 15 триллионам солнечных масс и что вращается он очень медленно. Из этих данных вы вычисляете, что длина окружности его горизонта составляет 29 световых лет. Наконец, рассчитываете, что это дыра, окрестность которой вы сможете исследовать, испытывая допустимые приливные силы и ускорения! Вы настолько уверены в безопасности, что решаете опустить к горизонту вместо капсулы весь звездолет.
Однако прежде чем начать спуск, вы приказываете команде сделать фотографии гигантского квазара над вами, триллионов звезд, окружающих Гаргантюа, и миллиардов галактик, мерцающих на небе. Они также фотографируют черный диск Гаргантюа под вами, который по размеру примерно соответствует диску Солнца на Земле. На первый взгляд, кажется, что он загораживает свет всех звезд и галактик, расположенных позади. Но приглядевшись, вы обнаруживаете, что гравитационное поле дыры действует как линза[31], отклоняя свет звезд и галактик вблизи края горизонта и фокусируя его в тонкое яркое кольцо по краю черного диска. На этом кольце вы видите несколько изображений от каждой загороженной звезды: одно изображение образуется световыми лучами, которые отклонились вблизи левого края дыры, другое — лучами, отклоненными от правого края, третье — лучами, которые, прежде чем направиться в вашу сторону, сделали полный оборот вокруг дыры, четвертое — лучами, которые дважды обежали дыру, и т. д. В результате получилась очень сложная кольцеобразная структура, которую сфотографировала для детального будущего изучения ваша команда.
Фотографирование закончено, вы приказываете Карес начать спуск звездолета. Но вам придется набраться терпения: дыра настолько велика, что спуск с последовательными ускорениями и замедлениями с 1 g для достижения цели — орбиты в 1,0001 окружности горизонта, потребует 13 лет по времени звездолета.
Пока происходит спуск, команда регистрирует с помощью аппаратуры изменения неба вокруг звездолета. Наиболее заметное изменение — постепенное увеличение диска черной дыры под кораблем. Вы ожидаете, что он перестанет расти, когда закроет все небо под вами как черный пол, а небо над вами остается таким же ясным, как на Земле. Но нет — черный диск продолжает расти, заворачиваясь по сторонам вашего звездолета, и закрывает постепенное все пространство за исключением яркого круглого отверстия сверху, через которое видна окружающая Вселенная (рис. П.4). Это происходит так, как будто вы попали в пещеру и удаляетесь все дальше и дальше от входа, который кажется все меньшим и меньшим светлым пятном.
П.4. Звездный корабль, зависший над горизонтом черной дыры, и траектории, по которым свет доходит до него из дальних галактик (светлые лучи). Гравитация дыры отклоняет лучи света вниз («эффект гравитационной линзы»). Этот эффект и объясняет, почему люди на корабле видят свет сконцентрированным в яркое круглое пятно над ними
В нарастающей панике вы просите помощи у «ЗАРИ»:
— Неужели Карес ошиблась при расчете траектории? Мы что, прошли через горизонт? Мы обречены?
— Тише, тише! — успокаивает она. — Мы в безопасности, мы все еще выше горизонта. Темнота закрыла большую часть неба только из-за мощного эффекта линзы, обусловленного гравитацией дыры. Посмотри туда, где мой указатель, почти точно над вами — там находится галактика 3С295. Прежде чем вы начали опускаться, она была в горизонтальном положении, 90° от зенита. Но теперь, вблизи горизонта Гаргантюа, гравитация дыры настолько сильно воздействует на почти горизонтальные лучи света, идущие от 3С295, что они, изгибаясь, превращаются в почти вертикальные. В результате кажется, что ЗС295 находится вверху.
Теперь вы продолжаете спуск более уверенно. На мониторе показывается пройденное звездолетом по направлению к центру дыры расстояние и длина окружности вашей орбиты вокруг дыры. На ранних стадиях спуска на каждый километр пройденного радиуса длина окружности уменьшалась на 6,283185307… километров. Отношение уменьшения длины окружности
Еле ворочая руками, преодолевая болезненное 10 g ускорение, команда разворачивает телескопические камеры и начинает долгое и детальное фотографирование. За исключением слабого излучения вокруг, вызванного столкновениями атомов падающего газа, единственными электромагнитными волнами, которые можно сфотографировать, являются те, что приходят из яркого пятна над вами. Пятно уменьшилось всего до 3 градуса в диаметре, что в 6 раз больше диаметра диска Солнца, каким мы его видим на Земле. Но в это пятно стянуто изображение всех звезд, которые вращаются вокруг Гаргантюа и всех галактик Вселенной. Точно в центре находятся галактики, которые действительно находятся прямо над вами. На расстоянии в пятьдесят пять процентов от центра пятна до его края находятся изображения галактик, которые, как ЗС295, если бы не эффект линзы, были бы видны на горизонте, в 90° от зенита. На расстоянии в 35 процентов до края пятна находятся изображения галактик, которые, как вы знаете, в действительности находятся на противоположной стороне дыры, прямо под вами. В 30 процентах от края пятна находится второе изображение каждой галактики, а еще в 2 процентах от края — третье!
Также необычно то, что цвета всех звезд и галактик кажутся неправильными. Галактика, о которой вы точно знаете, что она имеет зеленый цвет, светится теперь в мягком рентгеновском диапазоне: гравитация Гаргантюа, направляя к вам излучение галактики, делает его более высокоэнергетичным, уменьшая длину волны с 5x10-7 метра (зеленый) до 5х10-9 метра (рентгеновские лучи). Подобным же образом внешний диск квазара 3C273, который как вы знаете, излучает инфракрасный свет с длиной волны 5х10-5 метра, выглядит теперь зеленым с длиной волны 5х10-7 метра.
После тщательной регистрации всех особенностей пятна, вы обращаете внимание на свой звездолет. Вы подозреваете, что здесь, так близко к горизонту дыры, законы физики будут как-то изменяться, и эти изменения могут влиять и на вашу физиологию. Но нет. Вы смотрите на вашего первого помощника, Карес — она выглядит нормально. Второй помощник Брет тоже в норме. Вы дотрагиваетесь до них и не чувствуете изменений. Вы пьете стакан воды и, если не считать эффектов, связанных с большим десятикратным ускорением свободного падения, вода проходит нормально. Карес включает аргоновый лазер, появляется, как обычно, зеленый луч. Брет посылает импульсы рубинового лазера и измеряет время, которое требуется световому импульсу для прохождения пути от лазера до зеркала и обратно. Из этих измерений он вычисляет скорость света. Результат в точности такой же, что и в лаборатории на Земле: 299792 километров в секунду.
На звездолете все в порядке, все абсолютно так же, как если бы корабль покоился на поверхности массивной планеты с гравитацией в 10 g. Если бы не причудливое пятно прямо над вами и все поглощающая пустота вокруг, вы бы не узнали, что находитесь очень близко к горизонту черной дыры, а не в безопасности на поверхности планеты. Ну, или почти не узнали. Дыра искривляет пространство-время внутри вашего звездолета так же, как и снаружи, и с помощью достаточно точных измерений вы можете определить эту кривизну, например, измерить силу приливного растяжения между вашей головой и ногами. Но поскольку кривизна исключительно важна в масштабе горизонта длиной в 300 триллионов километров, ее влияние в масштабе вашего однокилометрового звездолета ничтожно. Приливная сила, порождаемая кривизной, между верхом и низом звездолета равна одной сотой от триллионной части земной гравитации (10-14 g), а между головой и ногами еще в тысячу раз ее меньше!
Чтобы продолжить изучение этого замечательно нормального состояния, Брет выпускает из корабля капсулу с аппаратурой для измерения скорости света, состоящей из импульсного лазера и зеркала. Пока капсула движется к горизонту, этот прибор измеряет скорость, с которой световые импульсы проходят от лазера в носовой части капсулы до ее хвостовой части и обратно. Компьютер в капсуле передает по лазерному лучу на корабль: «299792 километров в секунду; 299792, 299792, 299792…». Цвет входящего лазерного пучка смещается от зеленого к красному, затем к инфракрасному, потом к микроволнам и радиоволнам, по мере того как капсула приближается к горизонту, а сообщение по-прежнему то же самое: «299792, 299792, 299792…». Затем лазерный луч исчезает. Капсула прошла горизонт, но ни разу за время падения не наблюдалось никаких изменений в скорости света внутри ее, не было также никаких изменений в законах физики, которые управляют работой электронных систем капсулы.
Эти экспериментальные результаты приносят вам большое удовлетворение. В начале XX века Альберт Эйнштейн провозгласил, исходя, в основном, из философских соображений, что локальные законы физики (законы в малых пространствах, там где можно пренебречь искривлением пространства-времени) должны быть те же самые, что и в остальной Вселенной. Это утверждение является фундаментальным принципом физики —
Вы и ваша команда устали от борьбы с 10-кратной гравитацией и начинаете подготовку к заключительной части путешествия, возвращению к нашей галактике, к Млечному Пути. Команда, конечно, пошлет отчет о ваших исследованиях Гаргантюа в начале обратного пути, но, поскольку звездолет сам будет двигаться почти со скоростью света, сообщение достигнет Млечного Пути, обогнав корабль менее чем на год по часам Земли.
Пока ваш звездолет уходит от Гаргантюа, команда проделывает аккуратные телескопические исследования квазара 3C273, расположенного над вами[34] (рис. П.5). Его струи — тонкие всплески горячего газа, вырывающиеся из ядра квазара, — огромны: 3 миллиона световых лет длиной. Наведя телескопы на ядро, команда видит источник мощи этих струй: плотный, горячий бублик из газа размером менее, чем в один световой год, с черной дырой в центре. Бублик, который астрофизики называют «диск аккреции», вращается вокруг черной звезды. Измеряя период его вращения, вы получаете массу дыры:
П.5. Квазар 3C273. Черная дыра в два миллиарда солнечных масс, окруженная бубликом газа («диск аккреции») и двумя гигантскими струями, выстреливающими вдоль ее оси вращения.
2х109 солнечных масс, в 7500 раз меньше, чем Гаргантюа, но гораздо больше массы любой черной дыры в Млечном Пути. Поток газа, затягиваемый гравитацией дыры, устремляется из бублика к горизонту. Когда газ приближается к поверхности горизонта, он ведет себя иначе, чем вы видели на других дырах, он образует завихрение вокруг дыры как в торнадо. Эта дыра должно быть быстро вращается! Ось волчка легко идентифицировать: это ось, вокруг которой образуются газовые вихри. Две струи, как вы замечаете, выстреливают как раз вдоль оси волчка. Они образуются как раз над северным и южным полюсами горизонта и берут энергию из вращательного движения дыры и бублика[35], похоже на то, как смерч засасывают с земли пыль.
Разница между Гаргантюа и 3C273 кажется удивительной: почему Гаргантюа, с его в тысячу раз большими массой и размером, не обладает таким круглым бубликом газа и гигантскими струями квазара? После телескопических исследований Брет находит ответ: раз в несколько месяцев звезда на орбите центральной дыры 3C273 подходит близко к горизонту и разрывается приливными силами дыры. Остатки звезды, массой примерно в 1 солнечную, разбрызгиваются в окрестности черной дыры. Постепенно внутреннее трение загоняет разбрызгивающийся газ внутрь бублика. Этот свежий газ компенсирует газ, которым бублик постоянно снабжает дыру и струи. Таким образом, бублик и струи поддерживают свои запасы газа и продолжают ярко светить.
Брет объясняет, что звезды могут близко подойти и к Гаргантюа. Но поскольку Гаргантюа намного больше 3C273, его приливные силы над горизонтом слишком слабы, чтобы разорвать звезду. Гаргантюа проглатывает звезды целиком, не разбрызгивая их внутренности в окружающий бублик. А без бублика Гаргантюа не может создать струи и другие особенности квазара.
Пока звездолет продолжает вырываться из гравитационных объятий Гаргантюа, вы обдумываете план возврата домой. К тому времени, как корабль достигнет Млечного Пути, Земля станет на 4 миллиарда лет старше по сравнению со временем, когда вы ее покинули. Перемены в человеческом обществе должны быть такими разительными, что вам уже не хочется возвращаться. Вместо этого вы и ваша команда решаете колонизировать пространство вокруг вращающейся черной дыры.
Вы полагаете, что так же как энергия вращения дыры в 3C273 питает струи квазара, энергия вращения меньшей дыры может быть использована как источник энергии для человеческой цивилизации.
Вам не хотелось бы прибыть к какой-нибудь выбранной дыре и обнаружить, что другие существа уже построили вокруг нее свою цивилизацию. Поэтому вместо того чтобы направить звездолет к уже существующей быстро вращающейся дыре, вы направляетесь к таким звездным скоплениям, в которых быстро вращающиеся дыры должны появиться вскоре после вашего прибытия.
В туманности Ориона в Млечном Пути как раз, когда вы покидали Землю, существовала
Из-за того что две родительские дыры не вращаются, ни одна из них не может служить источником энергии для вашего поселения. Однако новорожденная, быстро вращающаяся дыра подходит для этого идеально!
После 42-летнего путешествия ваш звездолет, наконец, замедляется в туманности Ориона, где, как предсказала ЗАРЯ, должны быть две черные дыры. Вот они, там, где и было предсказано! Измеряя орбитальное движение межзвездных атомов при падении на дыры, вы подтверждаете, что их горизонты не вращаются, и что вес каждой из них составляет 24 солнечных массы, согласно предсказанию ЗАРИ.
Каждый горизонт имеет длину окружности в 440 километров, а расстояние между ними равно 50000 километров. Черные дыры обращаются вокруг друг друга один раз за 13 секунд. Подставив эти числа в формулы общей теории относительности для излучения гравитационных волн, вы получаете, что эти две дыры сольются в одну через 7 дней. Вам как раз хватит времени, чтобы команда приготовила аппаратуру для регистрации всех деталей происходящего. Следя за яркими кольцами сфокусированного звездного света, который окружает черные диски черных дыр, команда может легко следить за их движением.
Вам хочется быть поближе к событию, чтобы все хорошо видеть, но достаточно далеко, чтобы быть на безопасном расстоянии от приливных сил дыр. Вы решаете, что орбита звездолета, в десять раз большая орбиты, по которой дыры обращаются вокруг друг друга, будет хорошим выбором — диаметр этой орбиты равен 300000 километров, а длина окружности равна 940000 километров. Карес совершает маневр и выводит звездолет на заданную орбиту, команда начинает видеонаблюдение.
В течение последующих шести дней две дыры постепенно сближаются друг с другом и ускоряют свое орбитальное движение. За день перед слиянием расстояние между ними сократилось от 30000 километров до 18000, а их орбитальный период упал с 13 до 6,3 секунды. За час до слияния они находятся на расстоянии 8400 километров друг от друга, а их орбитальный период равен 1,9 секунды. До слияния остается одна минута: расстояние между ними стало равно 3000 километров, а период уменьшился до 0,41 секунды. Десять секунд до слияния: расстояние 1900 километров, период 0,21 секунды.
Затем в последние десять секунд ваш корабль и ваши тела вдруг начинают вибрировать. Сначала слабо, а потом все сильнее и сильнее. Как будто гигантская пара рук схватила вас за голову и ноги и поочередно сдавливает и растягивает вас все сильнее и сильнее, быстрее и быстрее. А потом еще более неожиданно, чем все это начиналось, тряска прекращается. Все успокаивается.
— Что это было? — шепчете вы ЗАРЕ дрожащим голосом.
— Тише, тише! — успокаивает она, — Это была ондуляционная приливная сила гравитационных волн, появившихся при слиянии дыр. Вы привыкли к таким слабым гравитационным волнам, что их могут зарегистрировать только очень чувствительные приборы, но здесь, вблизи сингулярности, они были необычайно сильны, настолько, что если бы наш звездолет попал на в 30 раз меньшую орбиту, его бы разорвало этими волнами. Но сейчас мы в безопасности. Слияние завершилось, волны ушли дальше во Вселенную, неся далеким астрономам описание симфонии слияния[36].
Направляя один из корабельных телескопов на источник гравитации под вами, вы обнаруживаете, что ЗАРЯ, как всегда, права: слияние закончилось. Там, где раньше было две дыры, теперь осталась только одна и, насколько вы можете судить по завихрению падающих атомов, она быстро вращается. Эта дыра будет идеальным генератором энергии для вашей команды и тысяч поколений потомков.
Измеряя орбиту звездного корабля, Карес получает, что масса оставшейся дыры составляет 45 солнечных масс. Поскольку родительские дыры имели массу 48 солнечных масс, 3 солнечные массы должны были превратиться в энергию и унестись гравитационными волнами. Неудивительно, что вас так тряхнуло!
Пока вы настраиваете остальные телескопы на черную дыру, неожиданно мимо звездолета, щедро разбрасывая во всем направлениях сверкающие искры, проносится маленький объект и затем взрывается, оставив пробоину в борту вашего корабля. Ваша хорошо тренированная команда и роботы спешат к своим боевым местам, а вы судорожно обшариваете пространство в поисках атакующего вражеского корабля. Тогда, отвечая на призыв о помощи, ЗАРЯ успокаивает всех по громкоговорящей системе корабля:
— Тише, тише! На нас никто не нападает, это была ненормальная первичная черная дыра, которая испарялась, а потом схлопнулась[37].
— Что-что?! — кричите вы.
— Первичная черная дыра, испарявшаяся, а затем уничтоженная своим схлопыванием, — повторяет ЗАРЯ.
Вы требуете объяснений.
— Что это значит,
Как всегда терпеливо ЗАРЯ начинает просвещать вас:
— Большие объекты, такие как люди, звезды и черные дыры, образованные схлопыванием звезды, управляются
— Но не стоит беспокоиться о последующих схлопываниях, — продолжает ЗАРЯ, — такие события случаются исключительно редко, поскольку крошечные черные дыры чрезвычайно редки. Единственный момент, когда такие крошечные дыры могли появиться, был во Вселенной во время Большого взрыва, пятнадцать миллиардов лет тому назад. Именно поэтому их называют
Успокоенный, вы приказываете своей команде приступить к ремонту звездолета, а сами с помощниками настраиваете телескопы для изучения быстро вращающейся под вами черной дыры в 45 солнечных масс.
Вращение дыры очевидно не только благодаря завихрению падающих атомов, но и из-за формы черного пятна, окруженного ярким ободком, который виден на небе под вами: черное пятно выглядит как расплющенная тыква, у экватора она выпячивается, а на полюсах уплощена. Утолщение и уплощение создаются благодаря центробежной силе вращения черной дыры[40]. Но утолщение не симметрично: с правого края, который удаляется во вращении от вас, выпячивание диска выглядит больше, чем с левого. ЗАРЯ объясняет, что это происходит потому, что горизонт ловит лучи звездного света гораздо лучше, если они направляются к вам вдоль правой стороны, против направления вращения, чем с левой стороны, где они идут по направлению вращения.
Измерив форму пятна и сравнив результат с формулами общей теории относительности, Брет находит, что угловой момент вращения дыры составляет 96 процентов максимального для дыры такой массы. И зная этот угловой момент и массу дыры в 45 солнечных, вы вычисляете другие свойства дыры, включая скорость вращения ее горизонта — 270 раз в секунду и длину окружности ее экватора — 533 километра.
Вращение дыры интригует. Никогда ранее вам не доводилось так близко наблюдать вращающуюся черную дыру. С угрызениями совести вы вызываете робота-добровольца для исследования окрестности горизонта и передачи на корабль полученных экспериментальных данных. Вы обстоятельно инструктируете робота по имени Колоб: «Спуститесь на десять метров над горизонтом, запустите свои двигатели, чтобы удержаться, располагаясь прямо под звездолетом. Используйте двигатели, чтобы противостоять как гравитационному тяготению, так и завихрению пространства».
Жадный до приключений Колоб покидает звездолет и, устремившись вниз, сначала осторожно запускает свои двигатели, а затем все больше их разгоняет, чтобы преодолеть завихрение пространства, и остаться прямо под кораблем. Сначала Колоб не встречает никаких проблем. Но когда он достигает окружности длиной в 833 километров, на 56 процентов больше горизонта, его лазерный луч приносит послание: «Я не могу преодолеть завихрение, я не могу, я не могу!» И как камень, захваченный смерчем, он затягивается в круговое обращение вокруг дыры[41].
«Не волнуйтесь, — передаете вы. — Старайтесь, как можете, сопротивляться завихрению и продолжайте спускаться, пока вы не будете в 10 метрах над горизонтом».
Колоб подчиняется. По мере своего спуска он захватывается во все более быстрое вращение. В конце концов, когда он заканчивает свой спуск и зависает в десяти метрах над горизонтом, он кружится вокруг дыры, почти привязанный к горизонту со скоростью 270 оборотов в секунду. Как бы он не пытался противостоять этому движению, он не может. Завихрение пространства не дает ему остановиться.
«Развернись в противоположном направлении, — приказываете вы. — Если не получается кружиться медленнее, чем 270 раз в секунду, попробуем кружиться быстрее».
Колоб честно пытается. Он разгоняется, оставаясь в 10 метрах над горизонтом, пытаясь увеличить скорость обращения. Но хотя он ощущает обычное ускорение своих двигателей, вы видите, что его движение не меняется. Он по-прежнему обращается со скоростью 270 оборотов в секунду. А потом прежде чем вы успеваете передать новые инструкции, топливо у него кончается, и он начинает камнем падать вниз. Его лазерный луч связи пробегает весь электромагнитный спектр от зеленого до красного, инфракрасного, радиоволн и пропадает, хотя никакого изменения в круговом движении не заметно. Он ушел вниз, в дыру, падая на жестокую сингулярность, которую вы никогда не увидите.
После трех недель траура, экспериментов и телескопических исследований команда начинает готовиться к будущему. Доставив материал с далеких планет, вы строите балочное кольцо вокруг дыры. Кольцо имеет длину окружности в 5 миллионов километров, толщину в 552 километра и ширину в 4000 километров. Оно вращается с нужной скоростью — два оборота в час, так чтобы уравновесить центробежные силы гравитационной силой в центральном слое кольца, на расстоянии 276 километров от его внутренней и внешней поверхности. Размеры выбраны очень тщательно, так, чтобы те люди, которые предпочитают жить в условиях гравитации, равной гравитации на Земле, могли построить свои дома вблизи внутренней или наружной стороны кольца, в то время как те, кто предпочитает более слабое тяготение, могли бы жить ближе к его центру. Эта разница в гравитации возникает частично благодаря центробежной силе вращающегося кольца, а частично благодаря приливным силам дыры или, говоря на языке Эйнштейна, из-за искривления пространства-времени.
Электрическая энергия, которая нагревает и освещает это кольцо, извлекается из черной дыры: двадцать процентов массы дыры находится в форме энергии, которая запасена в вихре пространства вблизи горизонта с наружной стороны[42]. Эта энергия в 100000 раз больше энергии, которую в виде тепла и света испустило Солнце за весь период своего существования. И поскольку эта энергия находится за пределами горизонта, она может быть извлечена. Неважно, что извлечение энергии в мире кольца имеет максимальную эффективность только 50 %, все равно этот источник обеспечивает в 5000 раз больше энергии, чем Солнце.
П.6. Город на балочном кольце вокруг вращающейся черной дыры, и электромагнитная система, с помощью которой город извлекает энергию из вращения дыры
Энергетический генератор работает по тому же принципу, что и некоторые квазары[43]. Ваша команда провела через горизонт дыры магнитное поле и удерживает его на дыре, несмотря на неустойчивость с помощью гигантских сверхпроводящих катушек (рис. П.6). При вращении горизонта он вовлекает как в смерче в вихревое движение окружающее пространство, которое, в свою очередь, взаимодействует с пронизывающим его магнитным полем и образует гигантский генератор электрической энергии. Силовые линии магнитного поля работают как линии передачи энергии. Электрический ток выходит из экватора дыры (в виде потока электронов) вверх и вдоль линий магнитного поля направляется к миру кольца. Затем он вытекает из кольца вдоль другого набора силовых линий магнитного поля и опускается вниз на северный и южный полюса дыры (в виде нисходящего потока позитронов). Подбирая силу магнитного поля, население мира может регулировать поток мощности: создавая слабое поле и потребляя мало энергии в ранние годы нового мира и увеличивая поля и расход энергии позже. Постепенно, по мере извлечения энергии, дыра замедляет свое вращение, но, чтобы исчерпать гигантские запасы энергии дыры, потребуется вечность.
Ваша команда и бесчисленные поколения ее потомков могут назвать этот искусственный мир «домом» и использовать его как базу для будущих исследований Вселенной. Но все же это не для вас. Вы тоскуете по Земле и по друзьям, которые остались там, по друзьям, которые должны уже были умереть 4 миллиарда лет тому назад. Ваша тоска настолько глубока, что вы решаетесь рискнуть последней четвертью своего нормального 200-летнего срока жизни и, преодолевая опасности, предпринять, возможно, безрассудную попытку вернуться в идиллическую эпоху вашей юности.
Путешествовать во времени в будущее, как показало ваше путешествие среди черных дыр, довольно просто. Но это не относится к путешествию в прошлое. В действительности, такое путешествие может быть абсолютно запрещено с точки зрения законов фундаментальной физики. Однако ЗАРЯ, вспомнив теоретизирования, относящиеся еще к XX веку, рассказала вам, что путешествие вспять все же возможно с помощью гипотетической свертки пространства, называемой
Все что проходит через одно входное устье, попадает в очень короткую трубку (
П.7. Два входных устья гипотетической червоточины. Войдя в любое из них, вы выйдете из другого, пролетев через короткую трубку (горловину червоточины), которая проходит не в нашей Вселенной, а в гиперпространстве
Законы квантовой гравитации требуют — утверждает ЗАРЯ, — чтобы существовали чрезвычайно крошечные червоточины такого типа[45]. Эти квантовые червоточины должны быть такими крошечными, размером всего 10-33 сантиметра, а время их существования настолько быстротечно — 10-43 секунды, что их невозможно использовать для путешествия во времени. Они должны внезапно появляться и исчезать в нашем мире совершенно случайным и непредсказуемым образом — здесь, там, везде. Совершенно случайно зародившаяся червоточина может иметь одно входное устье вблизи сегодняшнего дня этого мира кольца, а другое — вблизи Земли 4 миллиарда лет тому назад, когда вы отправились в путешествие. ЗАРЯ предлагает попробовать поймать такую червоточину в момент ее появления, растянуть ее, как дети надувают шары, и подержать открытой, пока вы пройдете через нее домой, в пору своей юности.
Но ЗАРЯ предупреждает вас о большой опасности. Физики спорили, хотя это и не было никогда доказано, что в момент расширения, когда червоточина превращается в машину времени, она должна самоуничтожиться в гигантской вспышке. Таким образом, Вселенная должна защищаться от парадоксов путешествий во времени, например, от парадокса человека, вернувшегося в прошлое и убившего свою мать до момента своего зачатия, предотвращая, таким образом, саму возможность убить свою мать[46].
Если предположение физиков неверно, то ЗАРЯ сможет достаточно расширить и удержать в течение нескольких секунд устье червоточины, чтобы вы смогли пройти через нее. Ожидая поблизости, пока она расширяет устье червоточины, и затем войдя в ее горловину, вы за долю секунды вашего собственного времени прибудете домой на Землю в эпоху вашей юности 4 миллиарда лет тому назад. Но если машина времени самоуничтожится, вы погибнете вместе с ней. Использовать ли этот шанс — решать вам…
* * *
Сказка, которую я вам рассказал, похожа на научную фантастику. Действительно, частично это так: я никоим образом не могу вам гарантировать, что около звезды Вега существует черная дыра в 10 солнечных масс, или в центре Млечного Пути — дыра в миллион солнечных масс, или то, что вообще где-то во Вселенной есть дыра в 15 триллионов солнечных масс. Все это чисто умозрительные, но возможные фантазии. Не могу также гарантировать, что человечеству когда-либо удастся разработать технику межгалактических или даже межзвездных путешествий, или сконструировать кольцевые миры, расположенные на балочных конструкциях вокруг дыры. Все это тоже умозрительная фантастика.
С другой стороны, я могу гарантировать с большой, но не абсолютной уверенностью, что черные дыры существуют в нашей Вселенной и имеют именно те свойства, которые я описал в своей сказке. Если вы зависнете в разгоняющемся звездном корабле как раз над горизонтом дыры в 15 триллионов солнечных масс, я могу гарантировать, что законы физики будут такими же, что и на Земле, и когда вы взглянете на небеса вокруг себя, вы увидите всю Вселенную, которая светится как сверкающий маленький световой диск. Я гарантирую, что если вы пошлете робота-испытателя вниз к горизонту вращающейся звезды, как бы он не разгонялся, он никогда не сможет двигаться вперед или назад с иной скоростью, чем скорость вращения самой дыры (270 вращений в секунду в моем примере). Я гарантирую, что быстро вращающаяся звезда запасает 29 процентов своей массы в виде энергии вращения, и если найдется умник, он сможет извлечь эту энергию и использовать ее.
Как же я могу уверенно гарантировать все это? Прежде всего я никогда не видел черной дыры. Их не видел никто. Астрономы нашли только косвенные доказательства существования черных дыр[47], но нет никаких данных наблюдения их детальных свойств, о которых сообщалось выше. Как же я могу быть столь смелым, чтобы так много всего гарантировать? По одной простой причине. Так же как законы физики предсказывают вид океанских приливов на Земле, время и высоту каждого сильного и каждого слабого прилива, так же эти законы, если мы их правильно понимаем, предсказывают свойства черных дыр, причем предсказывают однозначно. Из ньютоновского описания законов физики с помощью математических расчетов можно получать последовательность земных приливов для 1999 или 2010 г., подобным же образом из общей теории относительности Эйнштейна можно получить с помощью математических расчетов все, что касается свойств черных дыр на горизонте и снаружи его.
А почему я верю, что описание фундаментальных законов физики с помощью общей теории относительности Эйнштейна является очень точным? В конце концов, мы ведь знаем, что ньютоновское описание вблизи черной дыры не является точным.
Успешные описания фундаментальных законов уже содержат в себе вполне определенные указания на те случаи, когда они перестают работать[48]. Ньютоновское описание само говорит нам, что, вероятно, оно не работает вблизи черной дыры (хотя то, что это следует из ньютоновского описания, мы поняли только в XX веке). Подобным же образом общая теория относительности Эйнштейна содержит уверенность в самой себе для областей вне черной дыры, на горизонте дыры и внутри дыры на всем расстоянии почти (но не совсем) до сингулярности в ее центре. Это одно обстоятельство, которое придает мне уверенность в предсказаниях общей теории относительности. Другим фактом является то, что хотя предсказания общей теории относительности о черных дырах пока еще не были непосредственно проверены, было множество высокоточных проверок проявлений других ее особенностей на Земле, в Солнечной системе и в двойных системах, содержащих компактные экзотические звезды, называемые пульсарами. Общая теория относительности прошла через все испытания с развевающимися знаменами.
В течение последних тридцати лет я участвовал в изысканиях теоретической физики, которые и дали наше современное представление о черных дырах, а также в исследованиях по проверке предсказаний астрономическими наблюдениями. И пусть мой личный вклад был скромен, но вместе с моими коллегами физиками и астрономами я наслаждался атмосферой поиска и изумлялся зарождающемуся новому пониманию. Эта книга — попытка передать это мое чувство восхищения и изумления читателям, которые не являются специалистами в физике и астрономии.
1
РЕАЛЬНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ
Поделиться книгой: