Страница:
5.2. Отонные космические миры
Термин «отоны» впервые введен в монографии российских астрофизиков Я.Б. Зельдовича и И.Д. Новикова «Теория тяготения и эволюция звёзд» (М.: Наука, 1971. с. 441). Он образован от сокращения «ОТО», общая теория относительности, с присоединением латинского суффикса «н», обозначающего некий особый класс материальных объектов. Но отоны – это не просто некоторые материальные образования, существование которых предполагается на основе общей теории относительности и описывается на её математическом языке. Это – целые миры с нетривиальной, не встречающейся в земном мире геометрией и топологией, причудливыми пространственно-временными свойствами. С точки зрения земного макроскопического опыта отонные миры – настоящие чудовища мироздания, поглощающие либо искажающие привычную нам макроскопическую определённость. Поэтому их так трудно открыть, доказать их существование не теоретически, а практически и эмпирически.
Слово «отоны» возникло в качестве видового наименования, объединяющего все разновидности тел с релятивистским полем тяготения, находящихся внутри так называемого «горизонта событий» или асимптотически приближающегося к нему. В этом знаменитом определении Зельдовича и Новикова содержится понятие «горизонта событий», т. е. некоторой границы, отделяющей события привычного нам макроскопического мира, от событий, скрытых от нас и как бы выпавших из этого мира благодаря мощному полю тяготения отонов и происходящему вследствие воздействия этого поля искривлению пространства – времени. Итак, горизонты событий – это особенные по своим пространственно-временным свойствам поверхности, нарушающие свободное проникновение световых и прочих ипформационных сигналов из одной области в другую. Находиться внутри «горизонта событий» – значит существовать вне макроскопического, хорошо просматриваемого при помощи оптических приборов пространства, и даже непосредственно установимых этими приборами причинно-следственных отношений. К отонам относятся, прежде всего, всевозможные «дыры» в пространстве-времени: чёрные, белые, серые. Однако в последние годы понятие отонов существенно расширилось и включило в себя самые разнообразные объекты, модели которых могут быть построены на основе ОТО: замкнутые и полузамкнутые миры, фридмоны, планкеоны, геоны, голые сингулярности и прочие загадочные формы геометрически иных миров. Принципиальное отличие отонов от всех прочих, классических астрофизических объектов, заключается в том, что, как подчёркивает белорусский философ А.П. Трофименко, для последних ОТО либо несущественна, либо даёт лишь количественные поправки. (Трофименко А.П. Вселенная и развитие. – Минск.: Наука и техника, 1982, с. 27). Применение ОТО даёт возможность «нарисовать» совершенно новое, негеоценрическое многообразие природы, а затем продолжить изучать это многообразие всевозможными физико-астрономичсскими методами.
Первыми отонами, существование которых вытекало из распространения на объективную реальность результатов теории относительности, были чёрные дыры (сокращенно – ЧД). Характерно, что некоторые представления о возможности подобных объектов зародились уже задолго до возникновения общей теории относительности и релятивистской космологии, на основе теории тяготения Ньютона. Первым, кто предсказал феномен чёрной дыры, был английский физик Джон Мичелл. Он на тринадцать лет опередил выдающегося французского космолога и философа Лапласа, независимо от него в 1796 г. обосновавшего возможность существования чрезвычайно массивных и вследствие этого невидимых объектов. Лаплас рассуждал просто и остроумно. Сила, действующая в гравитационном поле, должна неограниченно возрастать с увеличением массы источника и уменьшением расстояния до центра гравитации. Однако эта, по существу, негеоцентрическая ситуация имеет только внешнее сходство с проблемой ЧД, так как в рамках ньютоновской теории подобные объекты – это всего-навсего глубокие, пусть даже очень глубокие и «тёмные» гравитационные ямы, никак не связанные со свойствами пространства-времени.
Начало науки об отонах в виде учения о релятивистских чёрных дырах было положено в 1916 году немецким учёным Карлом Шварцшильдом. Заметим, что произошло это сразу же после формулировки Эйнштейном основных принципов ОТО и чуть раньше публикации работы Эйнштейна, положившей начало релятивистской космологии. Шварцшильд впервые получил точное решение уравнений Эйнштейна для так называемой «сферической симметрии», т. е. для некоторого математически описанного сферически-симметричного распределения вещества. В ходе решения оказалось, что при таком распределении должна возникнуть некоторая сфера с весьма специфичными свойствами. Если в области пространства-времени, ограниченной этой сферой, сосредоточится определённая масса вещества, никакой объект не может покинуть её. И не только объект, но и никакой вещественный носитель информации об объекте. Изобразительными средствами ОТО теория Шварцшильда «нарисовала» гравитационную яму бесконечной глубины, так как это на самом деле не яма, а дыра, бездонный провал в самом пространстве-времени. Искривление пространства-времени вблизи указанной сферы оказывается настолько сильным, что оно как бы прорывается, резко изменяются не только его метрические, но и топологические свойства. Представить это себе в какой-то степени наглядно можно, взяв лист бумаги и протыкая его иглой. До определённого момента лист будет искривляться, а затем – проколется или его плоскость прорвется. Место прокола – и есть некий аналог сферы Шварцшильда на плоском пространстве двухмерного листа, а края этого прокола – горизонт событий. Ни одно материальное тело, идущее по листу, не сможет двигаться дальше, попав за этот горизонт. Оно неизбежно проваливается и выпадает из пространства листа.
Черная дыра есть, прежде всего, ненаблюдаемый непосредственно объект, который сам «проглатывает» свои макроскопические связи с внешним миром. Она может образовывать сингулярности, подобные той, из которой скачкообразно «вырвалась» Метагалактика в момент своего возникновения. Она, наконец, представляет собой гравитационную ловушку, в которой могут мгновенно исчезнуть для внешних макроскопических наблюдателей различные макроскопические объекты, – даже если это объекты грандиозных масштабов.
Но как же могут образовываться подобные «чудотворные» с макроскопической точки зрения, катастрофические для плоско-созерцательного взгляда на космос гравитационные впадины? Теория звёздной эволюции, созданная трудами Л.Д. Ландау и С. Чандрасекара показала, что чёрные дыры должны образовываться в результате нормальной эволюции многих обычных, хорошо видимых нами звёзд. Всякая звезда «горит» и испускает свой таинственный блеск, пока в её недрах происходит термоядерная реакция, непрерывно поддерживаемая плазменным веществом звезды. Но вот водородное «горючее» подходит к концу, – ибо всему, даже таким грандиозным явлениям, как звёзды, рано или поздно приходит конец. Как только иссякает питающее звезду вещество, с ней происходит неминуемая катастрофа – так называемый гравитационный коллапс. Погибающую звезду – коллапсар – ожидает неудержимое сжатие под воздействием её собственного гравитационного поля. Расчёты показывают, что звезды, раз в 5 более массивные, чем наше Солнце, будут сжиматься неограниченно и обязательно превратятся в чёрные дыры. Звезда с массой Солнца при этом сократилась бы до размеров сферы с радиусом всего 3 км., в то время как сегодня радиус фотосферы Солнца составляет 0,7 млн. км. Масса же звезды остается прежней. На месте умершей звезды оказывается гравитационная могила с чрезвычайно специфическими свойствами. На близких расстояниях от этой могилы траектории всех макроскопических предметов, в том числе и света, испытывают существенные отклонения от тех, по которым они движутся вблизи других чрезвычайно плотных объектов, например, нейтронных звёзд. На расстоянии в полтора гравитационных радиуса свет может быть пойман на круговую орбиту и стать «спутником» чёрной дыры; в непосредственной же близости от шварцшильдовской сферы вообще не существует устойчивых орбит для физических тел, они не могут превратиться в спутники и неминуемо поглощаются ЧД. Кроме того, вблизи этой сферы имеет место сильное релятивистское замедление времени и бесконечное красное смещение у сигналов, испускаемых из окрестности ЧД.
Это означает, что для удалённого наблюдателя, т. е. для нас с вами, падающая на ЧД частица будет постепенно останавливаться, а все связанные с ней процессы замедляются, а затем и вовсе застывают. Подобно заколдованному мертвецу, чёрная дыра вокруг себя останавливает время, не допуская прохождения сигналов и «криков о помощи» в окружающий мир. Никакие сведения о событиях внутри «гравитационной могилы» получены быть не могут. По этой причине сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий. Мир под горизонтом существует как бы сам по себе и геоцетрическому миру недоступен.
И все же, несмотря на негеоцентрическую недосягаемость чёрных дыр, возможность их обнаружения была найдена. Именно вследствие необычных свойств чёрных дыр мы можем получить косвенные данные об их существовании. Прежде всего, ЧД есть невидимый объект, который своим мощным гравитационным полем оказывает существенное влияние на окружающее вещество. Невидимка обнаруживает своё присутствие по своему влиянию на окружающий макроскопический мир, оставляя на нём свои следы. Для обнаружения чёрных дыр астрономы ищут, прежде всего, «двойные» системы, состоящие из чёрной дыры и находящейся в её гравитационном поле звезды. Если существуют двойные звёздные системы, которые отнюдь не редкое явление в нашей Галактике, то почему бы не существовать паре «звезда – чёрная дыра»? При этом извечная предательница чёрная дыра неизбежно сыграет с попавшей с ней в пару несчастной звездой свою злую шутку. Вещество звезды будет в этом зловещем танце постоянно втягиваться в бездонное чрево дыры. При этом, раскручиваясь и разогреваясь до плазменного состояния, прежде остывавшее вещество разрушающейся звезды будет испускать согласно расчетам мощное рентгеновское излучение.
Такое предсказание было сделано ещё в 60-е годы российскими учёными Я.Б. Зельдовичем и О.X. Гусейновым. А в начале 70-х с помощью рентгеновских телескопов, установленных на спутнике «Ухуру», было открыто несколько источников рентгеновского излучения в составе двойных систем. Наиболее вероятным кандидатом в чёрные дыры признан знаменитый рентгеновский источник «Лебедь-X–I». Другим вероятным кандидатом является «Лебедь-Х-3».
Многообещающими и интенсивно изучаемыми являются также модели ЧД не только в двойных системах, но и в ядрах галактик, квазаров и т. д. Делаются попытки обнаружения ЧД по такому негеоцентрическому излучению, как гравитационные волны, хотя ввиду слабости гравитационного взаимодействия эффект «гравитационных сигналов» чрезвычайно труден для обнаружения в земных условиях. Мощное гравитационное излучение должно возникать при рождении дыр.
Чёрные дыры могут вызвать эффект «гравитационной линзы», искривляя своим сильным гравитационным полем лучи света и удваивая для земного наблюдателя изображения звёзд. Вследствие воздействия гравитационного поля ЧД могут возникать сильные концентрации звёзд в так называемой «потенциальной яме» вокруг горизонта событий.
Начало 70-х годов XX века в астрофизике было отмечено бурным всплеском глубоких исследований по проблеме пространственно-временных многообразий гравитационных полей чёрных дыр и их обнаружения. Шёл поиск новых негеоцентрических каналов информации, способных значительно усилить познавательный потенциал астрономической науки. Обнаружились глубокие связи между законами физики чёрных дыр и обычной термодинамики, основные понятия которой приобретают совершенно новое негеоцентрическое содержание. После пионерной работы английского физика-теоретика С. Хокинга открылось совершенно новое направление исследований на стыке теории гравитации и квантовой физики. Хокинг показал, что чёрные дыры не обязательно являются такими уж абсолютно чёрными, т. е. изолированными от макроскопического мира, как это думали раньше. Они могут «испаряться» и даже взрываться, а при определённых обстоятельствах даже излучать свет и потоки самых разнообразных частиц.
В 1971 г. Хокинг обосновал возможность существования мини-ЧД, т. е. чёрных дыр сравнительно небольших размеров и массы. В 1977 г. Я.Б. Зельдович выдвинул гипотезу о существовании микро-ЧД, для которых характерны квантовые масштабы и соответствующие им законы. Но и классическая, шварцшильдовская чёрная дыра время от времени показывает исследователям свой крутой норов, демонстрирует им всё более и более сногсшибательные свойства. Благодаря работам Казнера, Эддингтона, Леметра, Синга, Новикова, Крускала, Секереша выяснилось, что шварцшильдовская ЧД может таить в себе не единое пространство-время, а два различных, каждое из которых имеет свою внешнюю область и область под горизонтом событий, образуя в итоге четыре области, соединяющиеся на горизонтах, вследствие чего между ними нет двусторонней причинной связи. Налицо, таким образом, чрезвычайно сложный немакроскопический рисунок пространственно-временной конфигурации внутри чёрных дыр.
Судьба наблюдателя, провалившегося в немакроскопический мир чёрной дыры, поистине трагична. Первоначально он не обнаружит никаких особенностей в течении времени и не сможет даже отметить факт пересечения горизонта событий. Но для внешнего наблюдателя он уже пропал. Страшная гравитационная могила поглотила его, и нет таких сил, которые помогли бы вырваться из неё. Макроскопическая Вселенная тоже исчезает для него без возврата, вместо звёзд и галактик во всех направлениях вспыхивает свет. Картина эта в точности тождественна той, которую нарисовал Л.Н. Толстой в рассказе «Смерть Ивана Ильича», описывая, как безнадёжный больной ощутил свою смерть. Он будет разорван вместе со своей ракетой так называемыми приливными силами чёрной дыры, либо ощутит катастрофическое нарастание своего веса по мере приближения к центру гравитации и будет сдавлен и сжат в лепёшку своей собственной массой.
Но, несмотря на свою безнадёжную и безрадостную черноту, дыры в пространстве-времени способны пролить свет на очень важные проблемы, связанные с устройством мироздания. Благодаря чёрным дырам космологи нашли, наконец, объект, в котором может таиться скрытая масса вещества нашей Вселенной, причём не какая-то незначительная часть общей массы Метагалактики, а около 90 % этой массы. Более того, появились весьма серьезные основания для того, чтобы видеть в чёрных дырах не только «хранилища» скрытой массы нашей вселенной, более обширные, чем суммарная масса всех видимых объектов, – галактик, газовых туманностей, потоков космических лучей и т. д. Когда в 1960-е годы были построены знаменитые диаграммы Крускала и Пенроуза, позволяющие весьма наглядно и вместе с тем математически точно производить манипуляции с нетривиальными областями пространства-времени, это открыло возможности для представления геометрически иных физических миров. И вот тут-то выяснилось, что чёрные дыры внутри себя, т. е. под гравитационным радиусом, представляют собой не инертные и застывшие тела, а воплощают в себе движение в качественно иной, негеоцентрический мир. Каждая из них, если верна теория, представляет собой своего рода горловину, ведущую в иное пространство-время, иную метагалактику.
Итак, чёрные дыры были и остаются одним из самых негеоцентричных объектов современной науки о Вселенной, и вполне возможно, что каждая из них представляет собой туннель, ведущий в ещё более негеоцентрическую вселенную. Или, точнее, не туннель, а своеобразный пролом в обваливающейся кое-где сплошной стене макроскопического мира. «Из всех измышлений человеческого ума от единорогов и химер до водородной бомбы, – пишет известный астрофизик К. Торн, – наверное, самое фантастическое – это образ чёрной дыры: и, тем не менее, законы современной физики фактически требуют, чтобы чёрные дыры существовали. Возможно, только наша Галактика содержит миллионы их». (Торн К. Поиски чёрных дыр. – Успехи физических наук, 1976, т. 188, вып. 3, с. 453).
Антиподом чёрных дыр являются белые дыры. Это антиколлапсары, взрывающиеся после коллапса звёзд и образования чёрных дыр в другом, «потустороннем» нашей Метагалактике пространстве-времени. Есть ещё и серые дыры, нечто среднее между чёрными и белыми. Это – белые дыры, которым не хватило энергии для расширения во внешнее пространство, и поэтому начавшееся расширение вновь переходит в коллапс.
Поистине фантастическая картина рисуется в воображении, если проанализировать выводы теории о судьбе гравитирующей материи: две Вселенные, соединённые между собой горловиной, или, по укоренившемуся ныне образному наименованию, «кротовьей норой», взаимодействуют через эту нору, оставаясь внеположенными друг другу за пределами таких нор. При этом вещество через чёрную дыру в одной вселенной перекачивается во вторую, выходя в неё из белой дыры.
Ещё более усложнились наши представления о «дырах» в пространстве-времени, когда учёные стали рассматривать не только массу, которой характеризовался классический шварцшильдовский отон, но и электрический (либо магнитный) заряд, а также момент вращения. Все другие макроскопические параметры у ЧД отсутствуют, что было доказано рядом соответствующих теорем. Это дало основание известному американскому физику Дж. Уилеру выдвинуть свою знаменитую образную формулировку: «Чёрные дыры не имеют волос». Правда, впоследствии выяснилось, что ЧД могут иметь ряд экзотических параметров, идущих из микромира составляющего их вещества. К ним относится, например, цвет – квантовое число кварков. Но структуру пространственно-временных отношений такие параметры существенно не изменяют. Поэтому чёрные дыры сейчас усиленно изучаются с точки зрения их «безволосых» макроскопических параметров. Электрически заряженные чёрные дыры получили название ЧД Рейсснера-Нордстрема по фамилиям учёных, впервые описавших их при помощи определённого решения уравнений Эйнштейна. Вращающиеся чёрные и белые дыры были названы именем Р.П. Керра, американского математика, которому впервые в 1963 г. удалось отыскать для таких объектов решение уравнений гравитационного поля.
В настоящее время делаются попытки классифицировать чёрные дыры по этим параметрам и даже создать своеобразную «таблицу Менделеева» для таких отонов. Причудливое сочетание макроскопических и немакроскопических параметров ещё больше осложняется проблемой так называемой «голой» сингулярности. То, что сингулярность, лежавшая в начале нашей вселенной, может таиться и сегодня в столь немакроскопических объектах, как чёрные дыры, ни у кого особого удивления не вызывает. Но оказывается, что эта сингулярность вдобавок может быть и «голой», то есть иметь непосредственный контакт с нашим макроскопическим миром! В мире, насыщенном «голыми» сингулярностями, имела бы место существенная «непредсказуемость» физических явлений. Поэтому теоретики всеми силами стараются блокировать выводы теории, предсказывающей существования «голых» сингулярностей и поправить теорию таким образом, чтобы источить возможность существования подобных «нелепых» с макроскопической точки зрения свойств немакроскопических объектов – отонов. Р. Пенроуз придумал для этого гипотезу «космической цензуры», согласно которой сингулярности ЧД должны быть обязательно отграничены от макромира, т. е. отделены от него непроходимыми для физических взаимодействий горизонтами событий. Уже возникают, однако, модели гравитационного коллапса с совершенно «голыми», ничем не прикрытыми сингулярностями. Беспредельный негеоцентризм продолжает проникать в теорию космоса сквозь любую, даже космическую цензуру.
Впрочем, тот же Р. Пенроуз, рассматривая керровские вращающиеся чёрные дыры, нашёл способ извлекать из них для внешнего макроскопического мира энергию. Если некоторое тело при приближении к ЧД разделится на две части, и одна часть упадет в дыру, то вторая может уносить часть вращающейся энергии дыры. Кто бы мог подумать, что чёрная дыра, этот монстр, безвозвратно пожирающая вещество, может в принципе служить щедрым источником энергии с практически неисчерпаемыми запасами. Итак, сегодня уже созданы даже зачатки негеоцентрической энергетики! Конечно, вопрос о практической реализуемости такого механизма даже в случае открытия ЧД на близком расстоянии от Солнечной системы следует отнести к весьма далекому будущему. Но ведь и во времена опытов Кюри с радиоактивностью вопрос о её практическом использовании в качестве энергетического источника непосредственно не ставился. А сегодня негеоцентрическая энергетика атомного распада при всей её опасности для геоцентрического существа – человека – покорно служит этому существу, и может повредить ему только тогда, когда сам человек превращается в бесчеловечное, социально ограниченное существо, способное действовать во вред Земле и человечеству. Тогда и возникают разнообразные катастрофы, символом которых стала Чернобыльская АЭС.
Если существование чёрных дыр считается в настоящее время теоретически и экспериментально установленным, то с белыми дырами (БД) нет еще достаточной ясности, хотя в отличие от чёрных они не невидимы, а могут проявлять своё существование в астрономически доступном макромире, так как являются источниками разлетающейся, взрывающейся материи. Дело в том, что существованию белых дыр могла угрожать так называемая ультрафиолетовая катастрофа, которая должна была бы привести к быстрому превращению БД в ЧД. В противоположность ЧД, обладающих бесконечным красным смещением у горизонта событий, что не позволяет увидеть их проявления, белые дыры у своего горизонта должны обладать бесконечным фиолетовым смещением. Но за счёт квантового рождения частиц вблизи сингулярности белая дыра быстро лишилась бы своей энергии и погибла бы в ультрафиолетовой катастрофе, превратившись в чёрную дыру. Правда, современная теория расширенных пространственно-временных многообразий спасает БД от неизбежности ультрафиолетовой катастрофы. С точки зрения этой теории белая дыра – закономерный продукт эволюции гравитирующей материи со сложной пространственно-временной структурой.
При помощи белых дыр сейчас предполагается объяснить ряд сложных космических явлений. Возможно, именно в них кроется разрешение загадки громадных энерговыделений, открытых астрономами в окружающем нас космосе. Ведь объяснить энерговыделения квазаров, активных ядер галактик, мощных всплесков гамма-излучения не удаётся никаким другим механизмом, кроме белых дыр. Обычное объяснение, которое даётся, например, энергетическим запасам звёзд, на этом уровне уже не работает. Термоядерная реакция, которой объясняется существование постоянно излучающих звёзд, не может, согласно расчётам, создавать столь мощных энерговыделений в силу своей еще слишком большой геоцентричности. Только взрывным расширением белых дыр можно объяснить сверхэнергоносители окружающего нас космоса. И ими же легко объясняется вдобавок происхождение так называемых войдов – громадных пустот в распределении галактик, обнаруженных в 70-е годы XX века.
Но самое главное значение белых дыр для построения современной негеоцентрической картины космоса заключается в том, что они явились бы прямыми вестниками тех других миров, вселенных, метагалактик, с которыми вполне возможно, именно через них сообщается известная нам Метагалактика. Стало быть, именно изучение БД может дать нам достоверную информацию о «запредельных» для нас негеоцентрических мирах.
«Дыры» в пространстве-времени ведут нас в удивительные миры, столь же непохожие на наш макроскопический мир, как наша Земля непохожа на питающую её энергией звезду – Солнце. Вращающаяся чёрная дыра, обладающая электрическим зарядом и названная по фамилиям своих исследователей ЧД Керра-Ньюмена, поражает нас тем, что она предполагает вход в антигравитирующую вселенную, т. е. такую вселенную, в которой все тела обладают не положительной, а отрицательной массой, и, стало быть, не притягивают, а отталкивают друг друга. Сингулярность в такой ЧД представляет собой не точку, в которую по причине бсзграничной кривизны пространства-времени спрессована потенциально безграничная масса вещества, а кольцо, расположенное в экваториальной плоскости вращения. Проходя через сингулярное кольцо, объект попадает в царство антигравитации, мир, в котором все тела имеют отрицательную массу и центры не притяжения, а отталкивания. Ньютон этого мира, если бы в нём были возможны разумные существа, открыл бы закон всемирного отталкивания. Как ни парадоксален с точки зрения геоцентрического здравого смысла вопрос об отрицательных массах и отрицательной кривизне пространства-времени, он имеет под собой определённые физические основания. В современной физике нет никакого закона, запрещающего существование отрицательных масс. А что не запрещено законом, то должно быть разрешено. И как ни сопротивляется земной опыт представлению о физической реальности отрицательных масс, исследования в этом направлении продолжаются. В последние годы многие учёные предлагают привлечь теорию отрицательных масс к объяснению колоссальных энерговыделений, обнаруживаемых в космосе.
Слово «отоны» возникло в качестве видового наименования, объединяющего все разновидности тел с релятивистским полем тяготения, находящихся внутри так называемого «горизонта событий» или асимптотически приближающегося к нему. В этом знаменитом определении Зельдовича и Новикова содержится понятие «горизонта событий», т. е. некоторой границы, отделяющей события привычного нам макроскопического мира, от событий, скрытых от нас и как бы выпавших из этого мира благодаря мощному полю тяготения отонов и происходящему вследствие воздействия этого поля искривлению пространства – времени. Итак, горизонты событий – это особенные по своим пространственно-временным свойствам поверхности, нарушающие свободное проникновение световых и прочих ипформационных сигналов из одной области в другую. Находиться внутри «горизонта событий» – значит существовать вне макроскопического, хорошо просматриваемого при помощи оптических приборов пространства, и даже непосредственно установимых этими приборами причинно-следственных отношений. К отонам относятся, прежде всего, всевозможные «дыры» в пространстве-времени: чёрные, белые, серые. Однако в последние годы понятие отонов существенно расширилось и включило в себя самые разнообразные объекты, модели которых могут быть построены на основе ОТО: замкнутые и полузамкнутые миры, фридмоны, планкеоны, геоны, голые сингулярности и прочие загадочные формы геометрически иных миров. Принципиальное отличие отонов от всех прочих, классических астрофизических объектов, заключается в том, что, как подчёркивает белорусский философ А.П. Трофименко, для последних ОТО либо несущественна, либо даёт лишь количественные поправки. (Трофименко А.П. Вселенная и развитие. – Минск.: Наука и техника, 1982, с. 27). Применение ОТО даёт возможность «нарисовать» совершенно новое, негеоценрическое многообразие природы, а затем продолжить изучать это многообразие всевозможными физико-астрономичсскими методами.
Первыми отонами, существование которых вытекало из распространения на объективную реальность результатов теории относительности, были чёрные дыры (сокращенно – ЧД). Характерно, что некоторые представления о возможности подобных объектов зародились уже задолго до возникновения общей теории относительности и релятивистской космологии, на основе теории тяготения Ньютона. Первым, кто предсказал феномен чёрной дыры, был английский физик Джон Мичелл. Он на тринадцать лет опередил выдающегося французского космолога и философа Лапласа, независимо от него в 1796 г. обосновавшего возможность существования чрезвычайно массивных и вследствие этого невидимых объектов. Лаплас рассуждал просто и остроумно. Сила, действующая в гравитационном поле, должна неограниченно возрастать с увеличением массы источника и уменьшением расстояния до центра гравитации. Однако эта, по существу, негеоцентрическая ситуация имеет только внешнее сходство с проблемой ЧД, так как в рамках ньютоновской теории подобные объекты – это всего-навсего глубокие, пусть даже очень глубокие и «тёмные» гравитационные ямы, никак не связанные со свойствами пространства-времени.
Начало науки об отонах в виде учения о релятивистских чёрных дырах было положено в 1916 году немецким учёным Карлом Шварцшильдом. Заметим, что произошло это сразу же после формулировки Эйнштейном основных принципов ОТО и чуть раньше публикации работы Эйнштейна, положившей начало релятивистской космологии. Шварцшильд впервые получил точное решение уравнений Эйнштейна для так называемой «сферической симметрии», т. е. для некоторого математически описанного сферически-симметричного распределения вещества. В ходе решения оказалось, что при таком распределении должна возникнуть некоторая сфера с весьма специфичными свойствами. Если в области пространства-времени, ограниченной этой сферой, сосредоточится определённая масса вещества, никакой объект не может покинуть её. И не только объект, но и никакой вещественный носитель информации об объекте. Изобразительными средствами ОТО теория Шварцшильда «нарисовала» гравитационную яму бесконечной глубины, так как это на самом деле не яма, а дыра, бездонный провал в самом пространстве-времени. Искривление пространства-времени вблизи указанной сферы оказывается настолько сильным, что оно как бы прорывается, резко изменяются не только его метрические, но и топологические свойства. Представить это себе в какой-то степени наглядно можно, взяв лист бумаги и протыкая его иглой. До определённого момента лист будет искривляться, а затем – проколется или его плоскость прорвется. Место прокола – и есть некий аналог сферы Шварцшильда на плоском пространстве двухмерного листа, а края этого прокола – горизонт событий. Ни одно материальное тело, идущее по листу, не сможет двигаться дальше, попав за этот горизонт. Оно неизбежно проваливается и выпадает из пространства листа.
Черная дыра есть, прежде всего, ненаблюдаемый непосредственно объект, который сам «проглатывает» свои макроскопические связи с внешним миром. Она может образовывать сингулярности, подобные той, из которой скачкообразно «вырвалась» Метагалактика в момент своего возникновения. Она, наконец, представляет собой гравитационную ловушку, в которой могут мгновенно исчезнуть для внешних макроскопических наблюдателей различные макроскопические объекты, – даже если это объекты грандиозных масштабов.
Но как же могут образовываться подобные «чудотворные» с макроскопической точки зрения, катастрофические для плоско-созерцательного взгляда на космос гравитационные впадины? Теория звёздной эволюции, созданная трудами Л.Д. Ландау и С. Чандрасекара показала, что чёрные дыры должны образовываться в результате нормальной эволюции многих обычных, хорошо видимых нами звёзд. Всякая звезда «горит» и испускает свой таинственный блеск, пока в её недрах происходит термоядерная реакция, непрерывно поддерживаемая плазменным веществом звезды. Но вот водородное «горючее» подходит к концу, – ибо всему, даже таким грандиозным явлениям, как звёзды, рано или поздно приходит конец. Как только иссякает питающее звезду вещество, с ней происходит неминуемая катастрофа – так называемый гравитационный коллапс. Погибающую звезду – коллапсар – ожидает неудержимое сжатие под воздействием её собственного гравитационного поля. Расчёты показывают, что звезды, раз в 5 более массивные, чем наше Солнце, будут сжиматься неограниченно и обязательно превратятся в чёрные дыры. Звезда с массой Солнца при этом сократилась бы до размеров сферы с радиусом всего 3 км., в то время как сегодня радиус фотосферы Солнца составляет 0,7 млн. км. Масса же звезды остается прежней. На месте умершей звезды оказывается гравитационная могила с чрезвычайно специфическими свойствами. На близких расстояниях от этой могилы траектории всех макроскопических предметов, в том числе и света, испытывают существенные отклонения от тех, по которым они движутся вблизи других чрезвычайно плотных объектов, например, нейтронных звёзд. На расстоянии в полтора гравитационных радиуса свет может быть пойман на круговую орбиту и стать «спутником» чёрной дыры; в непосредственной же близости от шварцшильдовской сферы вообще не существует устойчивых орбит для физических тел, они не могут превратиться в спутники и неминуемо поглощаются ЧД. Кроме того, вблизи этой сферы имеет место сильное релятивистское замедление времени и бесконечное красное смещение у сигналов, испускаемых из окрестности ЧД.
Это означает, что для удалённого наблюдателя, т. е. для нас с вами, падающая на ЧД частица будет постепенно останавливаться, а все связанные с ней процессы замедляются, а затем и вовсе застывают. Подобно заколдованному мертвецу, чёрная дыра вокруг себя останавливает время, не допуская прохождения сигналов и «криков о помощи» в окружающий мир. Никакие сведения о событиях внутри «гравитационной могилы» получены быть не могут. По этой причине сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий. Мир под горизонтом существует как бы сам по себе и геоцетрическому миру недоступен.
И все же, несмотря на негеоцентрическую недосягаемость чёрных дыр, возможность их обнаружения была найдена. Именно вследствие необычных свойств чёрных дыр мы можем получить косвенные данные об их существовании. Прежде всего, ЧД есть невидимый объект, который своим мощным гравитационным полем оказывает существенное влияние на окружающее вещество. Невидимка обнаруживает своё присутствие по своему влиянию на окружающий макроскопический мир, оставляя на нём свои следы. Для обнаружения чёрных дыр астрономы ищут, прежде всего, «двойные» системы, состоящие из чёрной дыры и находящейся в её гравитационном поле звезды. Если существуют двойные звёздные системы, которые отнюдь не редкое явление в нашей Галактике, то почему бы не существовать паре «звезда – чёрная дыра»? При этом извечная предательница чёрная дыра неизбежно сыграет с попавшей с ней в пару несчастной звездой свою злую шутку. Вещество звезды будет в этом зловещем танце постоянно втягиваться в бездонное чрево дыры. При этом, раскручиваясь и разогреваясь до плазменного состояния, прежде остывавшее вещество разрушающейся звезды будет испускать согласно расчетам мощное рентгеновское излучение.
Такое предсказание было сделано ещё в 60-е годы российскими учёными Я.Б. Зельдовичем и О.X. Гусейновым. А в начале 70-х с помощью рентгеновских телескопов, установленных на спутнике «Ухуру», было открыто несколько источников рентгеновского излучения в составе двойных систем. Наиболее вероятным кандидатом в чёрные дыры признан знаменитый рентгеновский источник «Лебедь-X–I». Другим вероятным кандидатом является «Лебедь-Х-3».
Многообещающими и интенсивно изучаемыми являются также модели ЧД не только в двойных системах, но и в ядрах галактик, квазаров и т. д. Делаются попытки обнаружения ЧД по такому негеоцентрическому излучению, как гравитационные волны, хотя ввиду слабости гравитационного взаимодействия эффект «гравитационных сигналов» чрезвычайно труден для обнаружения в земных условиях. Мощное гравитационное излучение должно возникать при рождении дыр.
Чёрные дыры могут вызвать эффект «гравитационной линзы», искривляя своим сильным гравитационным полем лучи света и удваивая для земного наблюдателя изображения звёзд. Вследствие воздействия гравитационного поля ЧД могут возникать сильные концентрации звёзд в так называемой «потенциальной яме» вокруг горизонта событий.
Начало 70-х годов XX века в астрофизике было отмечено бурным всплеском глубоких исследований по проблеме пространственно-временных многообразий гравитационных полей чёрных дыр и их обнаружения. Шёл поиск новых негеоцентрических каналов информации, способных значительно усилить познавательный потенциал астрономической науки. Обнаружились глубокие связи между законами физики чёрных дыр и обычной термодинамики, основные понятия которой приобретают совершенно новое негеоцентрическое содержание. После пионерной работы английского физика-теоретика С. Хокинга открылось совершенно новое направление исследований на стыке теории гравитации и квантовой физики. Хокинг показал, что чёрные дыры не обязательно являются такими уж абсолютно чёрными, т. е. изолированными от макроскопического мира, как это думали раньше. Они могут «испаряться» и даже взрываться, а при определённых обстоятельствах даже излучать свет и потоки самых разнообразных частиц.
В 1971 г. Хокинг обосновал возможность существования мини-ЧД, т. е. чёрных дыр сравнительно небольших размеров и массы. В 1977 г. Я.Б. Зельдович выдвинул гипотезу о существовании микро-ЧД, для которых характерны квантовые масштабы и соответствующие им законы. Но и классическая, шварцшильдовская чёрная дыра время от времени показывает исследователям свой крутой норов, демонстрирует им всё более и более сногсшибательные свойства. Благодаря работам Казнера, Эддингтона, Леметра, Синга, Новикова, Крускала, Секереша выяснилось, что шварцшильдовская ЧД может таить в себе не единое пространство-время, а два различных, каждое из которых имеет свою внешнюю область и область под горизонтом событий, образуя в итоге четыре области, соединяющиеся на горизонтах, вследствие чего между ними нет двусторонней причинной связи. Налицо, таким образом, чрезвычайно сложный немакроскопический рисунок пространственно-временной конфигурации внутри чёрных дыр.
Судьба наблюдателя, провалившегося в немакроскопический мир чёрной дыры, поистине трагична. Первоначально он не обнаружит никаких особенностей в течении времени и не сможет даже отметить факт пересечения горизонта событий. Но для внешнего наблюдателя он уже пропал. Страшная гравитационная могила поглотила его, и нет таких сил, которые помогли бы вырваться из неё. Макроскопическая Вселенная тоже исчезает для него без возврата, вместо звёзд и галактик во всех направлениях вспыхивает свет. Картина эта в точности тождественна той, которую нарисовал Л.Н. Толстой в рассказе «Смерть Ивана Ильича», описывая, как безнадёжный больной ощутил свою смерть. Он будет разорван вместе со своей ракетой так называемыми приливными силами чёрной дыры, либо ощутит катастрофическое нарастание своего веса по мере приближения к центру гравитации и будет сдавлен и сжат в лепёшку своей собственной массой.
Но, несмотря на свою безнадёжную и безрадостную черноту, дыры в пространстве-времени способны пролить свет на очень важные проблемы, связанные с устройством мироздания. Благодаря чёрным дырам космологи нашли, наконец, объект, в котором может таиться скрытая масса вещества нашей Вселенной, причём не какая-то незначительная часть общей массы Метагалактики, а около 90 % этой массы. Более того, появились весьма серьезные основания для того, чтобы видеть в чёрных дырах не только «хранилища» скрытой массы нашей вселенной, более обширные, чем суммарная масса всех видимых объектов, – галактик, газовых туманностей, потоков космических лучей и т. д. Когда в 1960-е годы были построены знаменитые диаграммы Крускала и Пенроуза, позволяющие весьма наглядно и вместе с тем математически точно производить манипуляции с нетривиальными областями пространства-времени, это открыло возможности для представления геометрически иных физических миров. И вот тут-то выяснилось, что чёрные дыры внутри себя, т. е. под гравитационным радиусом, представляют собой не инертные и застывшие тела, а воплощают в себе движение в качественно иной, негеоцентрический мир. Каждая из них, если верна теория, представляет собой своего рода горловину, ведущую в иное пространство-время, иную метагалактику.
Итак, чёрные дыры были и остаются одним из самых негеоцентричных объектов современной науки о Вселенной, и вполне возможно, что каждая из них представляет собой туннель, ведущий в ещё более негеоцентрическую вселенную. Или, точнее, не туннель, а своеобразный пролом в обваливающейся кое-где сплошной стене макроскопического мира. «Из всех измышлений человеческого ума от единорогов и химер до водородной бомбы, – пишет известный астрофизик К. Торн, – наверное, самое фантастическое – это образ чёрной дыры: и, тем не менее, законы современной физики фактически требуют, чтобы чёрные дыры существовали. Возможно, только наша Галактика содержит миллионы их». (Торн К. Поиски чёрных дыр. – Успехи физических наук, 1976, т. 188, вып. 3, с. 453).
Антиподом чёрных дыр являются белые дыры. Это антиколлапсары, взрывающиеся после коллапса звёзд и образования чёрных дыр в другом, «потустороннем» нашей Метагалактике пространстве-времени. Есть ещё и серые дыры, нечто среднее между чёрными и белыми. Это – белые дыры, которым не хватило энергии для расширения во внешнее пространство, и поэтому начавшееся расширение вновь переходит в коллапс.
Поистине фантастическая картина рисуется в воображении, если проанализировать выводы теории о судьбе гравитирующей материи: две Вселенные, соединённые между собой горловиной, или, по укоренившемуся ныне образному наименованию, «кротовьей норой», взаимодействуют через эту нору, оставаясь внеположенными друг другу за пределами таких нор. При этом вещество через чёрную дыру в одной вселенной перекачивается во вторую, выходя в неё из белой дыры.
Ещё более усложнились наши представления о «дырах» в пространстве-времени, когда учёные стали рассматривать не только массу, которой характеризовался классический шварцшильдовский отон, но и электрический (либо магнитный) заряд, а также момент вращения. Все другие макроскопические параметры у ЧД отсутствуют, что было доказано рядом соответствующих теорем. Это дало основание известному американскому физику Дж. Уилеру выдвинуть свою знаменитую образную формулировку: «Чёрные дыры не имеют волос». Правда, впоследствии выяснилось, что ЧД могут иметь ряд экзотических параметров, идущих из микромира составляющего их вещества. К ним относится, например, цвет – квантовое число кварков. Но структуру пространственно-временных отношений такие параметры существенно не изменяют. Поэтому чёрные дыры сейчас усиленно изучаются с точки зрения их «безволосых» макроскопических параметров. Электрически заряженные чёрные дыры получили название ЧД Рейсснера-Нордстрема по фамилиям учёных, впервые описавших их при помощи определённого решения уравнений Эйнштейна. Вращающиеся чёрные и белые дыры были названы именем Р.П. Керра, американского математика, которому впервые в 1963 г. удалось отыскать для таких объектов решение уравнений гравитационного поля.
В настоящее время делаются попытки классифицировать чёрные дыры по этим параметрам и даже создать своеобразную «таблицу Менделеева» для таких отонов. Причудливое сочетание макроскопических и немакроскопических параметров ещё больше осложняется проблемой так называемой «голой» сингулярности. То, что сингулярность, лежавшая в начале нашей вселенной, может таиться и сегодня в столь немакроскопических объектах, как чёрные дыры, ни у кого особого удивления не вызывает. Но оказывается, что эта сингулярность вдобавок может быть и «голой», то есть иметь непосредственный контакт с нашим макроскопическим миром! В мире, насыщенном «голыми» сингулярностями, имела бы место существенная «непредсказуемость» физических явлений. Поэтому теоретики всеми силами стараются блокировать выводы теории, предсказывающей существования «голых» сингулярностей и поправить теорию таким образом, чтобы источить возможность существования подобных «нелепых» с макроскопической точки зрения свойств немакроскопических объектов – отонов. Р. Пенроуз придумал для этого гипотезу «космической цензуры», согласно которой сингулярности ЧД должны быть обязательно отграничены от макромира, т. е. отделены от него непроходимыми для физических взаимодействий горизонтами событий. Уже возникают, однако, модели гравитационного коллапса с совершенно «голыми», ничем не прикрытыми сингулярностями. Беспредельный негеоцентризм продолжает проникать в теорию космоса сквозь любую, даже космическую цензуру.
Впрочем, тот же Р. Пенроуз, рассматривая керровские вращающиеся чёрные дыры, нашёл способ извлекать из них для внешнего макроскопического мира энергию. Если некоторое тело при приближении к ЧД разделится на две части, и одна часть упадет в дыру, то вторая может уносить часть вращающейся энергии дыры. Кто бы мог подумать, что чёрная дыра, этот монстр, безвозвратно пожирающая вещество, может в принципе служить щедрым источником энергии с практически неисчерпаемыми запасами. Итак, сегодня уже созданы даже зачатки негеоцентрической энергетики! Конечно, вопрос о практической реализуемости такого механизма даже в случае открытия ЧД на близком расстоянии от Солнечной системы следует отнести к весьма далекому будущему. Но ведь и во времена опытов Кюри с радиоактивностью вопрос о её практическом использовании в качестве энергетического источника непосредственно не ставился. А сегодня негеоцентрическая энергетика атомного распада при всей её опасности для геоцентрического существа – человека – покорно служит этому существу, и может повредить ему только тогда, когда сам человек превращается в бесчеловечное, социально ограниченное существо, способное действовать во вред Земле и человечеству. Тогда и возникают разнообразные катастрофы, символом которых стала Чернобыльская АЭС.
Если существование чёрных дыр считается в настоящее время теоретически и экспериментально установленным, то с белыми дырами (БД) нет еще достаточной ясности, хотя в отличие от чёрных они не невидимы, а могут проявлять своё существование в астрономически доступном макромире, так как являются источниками разлетающейся, взрывающейся материи. Дело в том, что существованию белых дыр могла угрожать так называемая ультрафиолетовая катастрофа, которая должна была бы привести к быстрому превращению БД в ЧД. В противоположность ЧД, обладающих бесконечным красным смещением у горизонта событий, что не позволяет увидеть их проявления, белые дыры у своего горизонта должны обладать бесконечным фиолетовым смещением. Но за счёт квантового рождения частиц вблизи сингулярности белая дыра быстро лишилась бы своей энергии и погибла бы в ультрафиолетовой катастрофе, превратившись в чёрную дыру. Правда, современная теория расширенных пространственно-временных многообразий спасает БД от неизбежности ультрафиолетовой катастрофы. С точки зрения этой теории белая дыра – закономерный продукт эволюции гравитирующей материи со сложной пространственно-временной структурой.
При помощи белых дыр сейчас предполагается объяснить ряд сложных космических явлений. Возможно, именно в них кроется разрешение загадки громадных энерговыделений, открытых астрономами в окружающем нас космосе. Ведь объяснить энерговыделения квазаров, активных ядер галактик, мощных всплесков гамма-излучения не удаётся никаким другим механизмом, кроме белых дыр. Обычное объяснение, которое даётся, например, энергетическим запасам звёзд, на этом уровне уже не работает. Термоядерная реакция, которой объясняется существование постоянно излучающих звёзд, не может, согласно расчётам, создавать столь мощных энерговыделений в силу своей еще слишком большой геоцентричности. Только взрывным расширением белых дыр можно объяснить сверхэнергоносители окружающего нас космоса. И ими же легко объясняется вдобавок происхождение так называемых войдов – громадных пустот в распределении галактик, обнаруженных в 70-е годы XX века.
Но самое главное значение белых дыр для построения современной негеоцентрической картины космоса заключается в том, что они явились бы прямыми вестниками тех других миров, вселенных, метагалактик, с которыми вполне возможно, именно через них сообщается известная нам Метагалактика. Стало быть, именно изучение БД может дать нам достоверную информацию о «запредельных» для нас негеоцентрических мирах.
«Дыры» в пространстве-времени ведут нас в удивительные миры, столь же непохожие на наш макроскопический мир, как наша Земля непохожа на питающую её энергией звезду – Солнце. Вращающаяся чёрная дыра, обладающая электрическим зарядом и названная по фамилиям своих исследователей ЧД Керра-Ньюмена, поражает нас тем, что она предполагает вход в антигравитирующую вселенную, т. е. такую вселенную, в которой все тела обладают не положительной, а отрицательной массой, и, стало быть, не притягивают, а отталкивают друг друга. Сингулярность в такой ЧД представляет собой не точку, в которую по причине бсзграничной кривизны пространства-времени спрессована потенциально безграничная масса вещества, а кольцо, расположенное в экваториальной плоскости вращения. Проходя через сингулярное кольцо, объект попадает в царство антигравитации, мир, в котором все тела имеют отрицательную массу и центры не притяжения, а отталкивания. Ньютон этого мира, если бы в нём были возможны разумные существа, открыл бы закон всемирного отталкивания. Как ни парадоксален с точки зрения геоцентрического здравого смысла вопрос об отрицательных массах и отрицательной кривизне пространства-времени, он имеет под собой определённые физические основания. В современной физике нет никакого закона, запрещающего существование отрицательных масс. А что не запрещено законом, то должно быть разрешено. И как ни сопротивляется земной опыт представлению о физической реальности отрицательных масс, исследования в этом направлении продолжаются. В последние годы многие учёные предлагают привлечь теорию отрицательных масс к объяснению колоссальных энерговыделений, обнаруживаемых в космосе.