Ключевое слово в физике черных дыр – это гравитация, гравитационное поле. Вот именно с гравитации мы и начнем. В первых главах мы кратко расскажем о гравитации и Общей теории относительности, а затем перейдем к черным дырам и другим увлекательным вещам, которые может создавать гравитация. В том числе речь будет идти о тоннелях в пространстве-времени – о кротовых норах. Мы не приводим доказательств и детальных обоснований большинства утверждений, а стараемся лишь отмечать, что из описываемого является твердо установленным фактом, а что – гипотезой или пробной теорией. Также по ходу рассказа мы кратко напомним простейшие сведения об устройстве нашего мира, чтобы стало понятнее, какое место в нем занимают черные дыры.
Главное, что нужно знать о черных дырах, можно выразить буквально в нескольких фразах. Черная дыра – это массивный объект, не имеющий твердой поверхности, но окруженный условной сферической границей, называемой горизонтом событий. Гравитационное поле вблизи горизонта настолько велико, что никакой предмет, не может вылететь из черной дыры наружу, если он в нее упал. Из-под горизонта выбраться нельзя. Даже свет не может покинуть черную дыру, потому этот объект и был назван «черным». Не отпуская от себя свет, он должен выглядеть со стороны как черное пятно. Черные дыры с массами, в несколько раз превосходящими массу Солнца, образуются при сжатии и взрывах звезд после выгорания в них ядерного топлива. Обычно это сопровождается вспышками сверхновых. Другие варианты образования черных дыр – это сжатие массивных облаков газа или звездных скоплений в центрах галактик, либо слияние множества мелких черных дыр в одну большую. В этом случае образуются сверхмассивные черные дыры с массами, в миллионы и миллиарды раз больше, чем масса Солнца. Масса черной дыры может быть сконцентрирована в ее центре – в центральной точке, называемой сингулярностью. В этом случае между горизонтом и сингулярностью находятся пустые пространства или выходы в другие вселенные. Это означает, что внутри черной дыры много свободного места. И весьма возможно, что там обосновались и счастливо живут продвинутые цивилизации.
Мы пользуемся многими вещами, не зная, как они устроены внутри, из чего сделаны и как функционируют. Например, можно целыми днями смотреть телевизор, уметь переключать каналы, и для этого не обязательно разбираться в электронике и хорошо представлять себе внутреннее устройство телевизора, если только мы не специалисты из ремонтной мастерской или конструкторы электронной техники. Примерно так же мы можем пользоваться многими функциями данного нам мира, быть его «юзерами», не зная его устройства. Но некоторых людей это не удовлетворяет, и они стремятся понять мир, разобраться в его конструкции и даже улучшить.
Для понимания черных дыр нам тоже придется побыть немного в роли специалистов-физиков, заглянуть внутрь и в суть физических вещей. Начать рассказ о черных дырах придется издалека. Сначала мы опишем сцену, на которой выступают наши главные герои – черные дыры, и постепенно перейдем к самим черным дырам. Этой сценой является наша Вселенная – космос, в которой действуют законы физики. А из физических законов нам, прежде всего, понадобятся законы теории относительности.
Теория относительности
При скоростях движения тел, сравнимых со скоростью света, и в сильных гравитационных полях, существующих вблизи черных дыр, обычная земная физика и законы Ньютона становится неприменимыми. В этом случае необходимо использовать эйнштейновскую теорию относительности.
Специальная теория относительности
Сначала в 1905 г. А. Эйнштейн создал Специальную теорию относительности, которая не затрагивала гравитацию. А через 10 лет в 1915 г. он сформулировал в окончательном виде теорию гравитационного поля, которая называется Общей теорией относительности. Эти теории заслуживают того, чтобы их названия писались с большой буквы (хотя обычно пишут с малой). Расскажем сначала о Специальной теории относительности.
Самое главное, о чем говорит Специальная теория относительности, это относительность одновременности и относительность интервалов времени. Время течет по-разному для движущихся друг относительно друга наблюдателей. Если для одного из них два каких-то события происходят одновременно, то для второго они не одновременные. Одно событие случается раньше, а второе позже. Конечно, чтобы различие по времени было заметно, движение должно происходить с достаточно большой скоростью, сравнимой со скоростью света. В случае привычных нам скоростей, с которыми движутся автомобили, самолеты и даже спутники Земли, эти эффекты замедления времени очень малы, и их можно заметить только с помощью точнейших приборов. На обычных часах разницу мы не увидим. А вот для космических путешествий далекого будущего эти эффекты замедления времени