Конспект
В 1888 году Герберт Уэллс впервые облёк в литературную форму дерзкую идею — путешествие в прошлое. С тех пор машина времени кочевала из книг в кино, превращаясь то в велосипед у Стругацких, то в автомобиль DeLorean в «Назад в будущее», то в полицейскую будку в «Докторе Кто». Но за всеми этими фантазиями скрывается серьёзный физический вопрос: позволяет ли природа перемещаться во времени? И если да, то единственный кандидат на роль настоящей машины времени — самый экстремальный объект во Вселенной, чёрная дыра.
Мы уже путешествуем во времени — просто не замечаем этого
Каждую секунду мы перемещаемся на секунду в будущее. Хотим мы того или нет — время несёт нас вперёд в одном и том же темпе. Но физика Эйнштейна открыла лазейку: можно состариться медленнее окружающих. Специальная теория относительности говорит, что время замедляется для объектов, движущихся с околосветовыми скоростями. Это проверено экспериментально — не на людях, а на элементарных частицах, которые мы разгоняем в ускорителях или которые сами прилетают к нам из космоса. Знаменитый «парадокс близнецов» — никакой не парадокс, а реальное следствие физики: один брат улетает на быстрой ракете, возвращается — и обнаруживает, что постарел куда меньше оставшегося на Земле.
Но есть нюанс. Земля сама по себе — машина времени. Любое массивное тело замедляет время для тех, кто находится в его гравитационном поле. Чем ближе к центру Земли вы живёте, тем медленнее для вас идёт время. Обитатель пентхауса за всю жизнь постареет на тысячную долю секунды больше, чем житель подвала. Эффект ничтожный, но абсолютно реальный — его измеряют атомные часы. А вот рядом с чёрной дырой замедление времени становится колоссальным. Вспомните «Интерстеллар»: космонавт провёл несколько часов вблизи гигантской чёрной дыры, а на корабле за это время прошли десятилетия. Научным консультантом фильма был нобелевский лауреат Кип Торн, и он не допустил ни одной физической ошибки.
Итак, в будущее — пожалуйста. Разгоняйся или подбирайся к чёрной дыре. А вот в прошлое ни специальная теория относительности, ни ньютоновская механика пути не открывают. Единственный намёк даёт общая теория относительности — теория гравитации Эйнштейна.
Идея, которую четырежды не заметили
У чёрных дыр удивительная история — их предсказывали снова и снова, и каждый раз научное сообщество пожимало плечами. Исаак Ньютон имел в руках всё необходимое для этого открытия: он знал закон тяготения, понимал концепцию второй космической скорости, а скорость света уже была измерена датским астрономом Оле Рёмером. Но Ньютон, по собственному признанию, «гипотез не измышлял». Первым догадался англичанин Джон Митчелл в 1783 году. Он приравнял вторую космическую скорость к скорости света и понял: если массивное тело сжать достаточно сильно, свет не сможет покинуть его поверхность. Митчелл сделал доклад в Королевском обществе, опубликовал работу — и никто не обратил внимания. Сжать Солнце до трёх километров? Абсурд.
Через несколько лет Лаплас независимо пришёл к той же идее и включил её в первое издание своего знаменитого «Изложения системы мира». Но коллеги, видимо, намекнули, что для серьёзного учёного это несолидно, — и в следующих изданиях глава исчезла. Русский перевод делался с четвёртого французского издания, так что русскоязычные читатели этой идеи вообще не увидели. Второй раз чёрные дыры прошли мимо науки.
Третья попытка случилась в 1916 году. Карл Шварцшильд — директор астрофизической обсерватории в Потсдаме, отправленный на Восточный фронт Первой мировой, — лежал в госпитале с тяжёлым аутоиммунным заболеванием. Он отпросился в Берлин послушать лекцию Эйнштейна о новой теории гравитации, вернулся в госпиталь и решил уравнения общей теории относительности для точечной массы. Радиус, при котором ничто не может вырваться наружу, — тот самый «радиус Шварцшильда» — совпал с формулой Митчелла. Шварцшильд отправил три блестящие работы в печать и умер, не дождавшись публикации ни одной из них. Европа лежала в руинах, а через несколько лет родилась квантовая механика — и все физики увлеклись ею. Чёрные дыры в третий раз остались незамеченными.
Лишь в начале 1960-х молодой новозеландский математик Рой Керр решил уравнения Эйнштейна для вращающегося тела — а ведь всё в космосе вращается. Его решение показало, что вокруг вращающейся чёрной дыры возникает область — эргосфера, — где само пространство-время закручивается, увлекая за собой всё, что туда попало. Это было уже по-настоящему интересно. К тому моменту в астрофизику пришли сильные физики-теоретики, и чёрные дыры наконец стали предметом серьёзного изучения.
Зельдович, Хокинг и рождение золота
Ключевой фигурой в этой истории стал Яков Борисович Зельдович — человек без среднего и высшего образования, трижды Герой Социалистического Труда, создатель атомной и водородной бомб, а после «освобождения» от секретных проектов — один из величайших астрофизиков XX века. Зельдович читал лекции на физфаке МГУ, и к нему приезжали учиться Стивен Хокинг и Кип Торн. Идея, которая сегодня известна как излучение Хокинга, родилась на семинаре в Астрономическом институте МГУ: Зельдович «на пальцах» объяснил механизм, а Хокинг потом оформил его в строгую математическую публикацию.
Суть вот в чём. Вакуум — это не пустота, а кипящее море виртуальных частиц, которые рождаются парами и тут же аннигилируют. Но если пара возникает прямо на горизонте событий, одна частица может оказаться внутри чёрной дыры, а другая — снаружи. Падающая частица передаёт энергию своему «близнецу», тот становится реальным и улетает. Снаружи это выглядит так, будто чёрная дыра излучает. Эффект чисто теоретический — слишком слабый для современных приборов, — поэтому Хокинг не получил Нобелевскую премию. Но почти никто из физиков не сомневается в правильности этой работы.
Термин «чёрная дыра» — Black Hole — запустил в оборот Джон Арчибальд Уилер, знаменитый американский физик, который и сам бомбы создавал, а потом воспитал целое поколение теоретиков, включая Кипа Торна. А определение, данное Игорем Новиковым и Валерием Фроловым, звучит поэтически точно: чёрные дыры — это не тела и не излучение, это сгустки гравитации.
В 2015 году два американских детектора LIGO, разнесённые на 3000 километров, одновременно зафиксировали дрожание подвешенных зеркал — с амплитудой в одну сотую размера протона. Это была гравитационная волна от слияния двух чёрных дыр в далёкой галактике. Полгода физики молчали, проверяя результат, а затем объявили о нём — как раз к столетию общей теории относительности. Идея лазерного детектора гравитационных волн принадлежала двум аспирантам физфака МГУ — Пустовойту и Герценштейну, предложившим её в 1962 году, всего через пару лет после изобретения лазера. На воплощение потребовалось больше тридцати лет. Вскоре зарегистрировали и слияние нейтронных звёзд — и это оказалось ещё интереснее. При столкновении разлетающееся вещество превращается в тяжёлые элементы: золото, платину. Если у вас на пальце золотое кольцо — оно родилось именно в таком катаклизме.
Как увидеть невидимое
Чёрные дыры маленькие и почти ничего не излучают. Как же их находить? По гравитации. В центре нашей Галактики астрономы десятилетиями следили за звёздами, которые с бешеной скоростью носятся вокруг… пустого места. Адаптивная оптика — технология, компенсирующая атмосферные искажения — позволила различить отдельные звёзды в густом центральном скоплении. Расчёт показал: там сидит невидимый объект массой в 4 миллиона солнечных масс. За эту работу в 2020 году Нобелевскую премию получили Райнхард Генцель, работающий на телескопах в Чили, и Андреа Гез с гавайскими телескопами Кек.
А в 2019 году проект «Телескоп горизонта событий» — сеть радиоантенн, разбросанных по всему земному шару — впервые показал аккреционный диск вокруг сверхмассивной чёрной дыры в галактике Дева А. Картинка оказалась поразительно похожа на то, что за несколько лет до этого рассчитала группа Кипа Торна для фильма «Интерстеллар». Кино предсказало реальность — вплоть до того, как свет, огибая чёрную дыру, позволяет увидеть и переднюю, и заднюю стороны диска одновременно. Через пару лет аналогичное изображение получили и для чёрной дыры в центре нашей Галактики.
Телескоп Джеймс Уэбб добавил загадок. Он заглянул так далеко, что увидел галактики, существовавшие всего через полмиллиарда лет после Большого взрыва. И в этих младенческих галактиках обнаружились сверхмассивные чёрные дыры — миллиарды солнечных масс. Но откуда? За такое короткое время обычная чёрная дыра не успела бы «растолстеть». Может быть, они родились прямо в момент Большого взрыва? Космология пока не может это объяснить.
Кротовые норы и билет в прошлое
А что, если чёрная дыра — не тупик, а проход? Ещё в 1916 году австрийский физик Людвиг Фламм нашёл решение уравнений Эйнштейна, описывающее два «горла» в пространстве-времени, соединённых коридором. Уилер назвал такие объекты wormholes — червоточинами, а в русской традиции прижилось название «кротовые норы». Математически они безупречны: два удалённых участка Вселенной — или даже две разные вселенные — могут быть связаны коротким тоннелем.
Проблема в том, что это решение неустойчиво. Простая аналогия: математик легко найдёт положение равновесия для карандаша, стоящего на острие. Центр тяжести — точно над точкой опоры. Решение существует, но попробуйте так поставить карандаш в реальности. Кротовая нора схлопнется, стоит в неё что-нибудь сунуть. Чтобы она оставалась «проходимой», нужно вещество с отрицательной массой — антигравитирующее вещество. Звучит безумно, но мы уже знаем, что Вселенная расширяется с ускорением, и причина этого — тёмная энергия, обладающая именно такими свойствами. Так что природа, возможно, располагает нужным «строительным материалом».
Академик Николай Кардашёв, глава российской радиоастрономии и создатель проекта «Радиоастрон», до конца жизни надеялся обнаружить входы в кротовые норы в центрах галактик. Он полагал, что активность квазаров может объясняться тем, что вещество, провалившееся в кротовую нору где-то в другой части Вселенной, вылетает именно там. Пока это не подтверждено, но поиски продолжаются.
Машина времени: от неандертальцев к нашим потомкам
Игорь Дмитриевич Новиков — ученик Зельдовича, российский «двойник» Кипа Торна — в 2016 году опубликовал в журнале «Успехи физических наук» статью под названием «Чёрные дыры, кротовые норы и машины времени». В ней предложена очередная конструкция машины времени на основе двойных чёрных дыр, соединённых кротовой норой. Статья была отправлена в печать 1 апреля — но Новиков уверяет, что это совпадение. И Торн, и Новиков работают над теорией таких конструкций абсолютно серьёзно.
Кип Торн сформулировал это так: если законы физики разрешают машины времени — а он в этом сомневается, — то их создание, скорее всего, менее доступно современному человечеству, чем космические путешествия были доступны неандертальцам. Неандертальцы не могли летать в космос. Мы — можем. Мы не можем строить машины времени. Наши потомки — возможно, смогут. Есть, правда, важное ограничение: путешествовать назад во времени можно только до того момента, когда машина времени была создана. Если природа не производит кротовые норы сама, а их придётся строить людям, то никакой гость из будущего к нам не заявится — просто потому, что «выход» в наше время ещё не существует.
Андрей Линде, ещё один выпускник физфака МГУ, ныне работающий в Стэнфорде, развивает теорию многосвязной фрактальной Вселенной. Согласно этой теории, отдельные вселенные могут быть соединены кротовыми норами. И когда наша Вселенная расширится, опустеет, остынет и постареет — может быть, наши далёкие потомки найдут коридор к более молодой Вселенной. Как заметил Фарадей, когда премьер-министр спросил его о практической пользе электричества: «Когда-нибудь ваше правительство введёт на него налог». Прошло сто лет — и мир невозможно представить без электричества. Чёрные дыры и кротовые норы сегодня кажутся математическими забавами. Но кто знает, какой налог на них введут через столетие.
