Куда течет река времени - Новиков Игорь Дмитриевич

Давайте теперь вернемся к физике этих удивительных объектов. Мы не собираемся здесь описывать сколько-нибудь подробно их свойства. Нас в основном интересует, как течет внутри их время.

Я уже говорил, что на границе черной дыры бег времени с точки зрения внешнего наблюдателя замирает, как замедляется течение воды у берега реки.

Казалось бы, нас не должен интересовать вопрос о том, что происходит внутри дыры. Действительно, мы не можем ни заглянуть туда, ни получить оттуда какую-либо информацию. Выходит, что внутренность черной дыры отделена от нашей Вселенной непроницаемым барьером. Однако такое заключение правильно только наполовину. Граница черной дыры полупроницаема, поскольку в саму дыру можно упасть, но невозможно оттуда выбраться. А что будет с наблюдателем и его кораблем, упавшим в черную дыру? Назад, как мы знаем, они выбраться не смогут. Сила тяготения будет неумолимо тянуть их в глубь черной дыры. И какова их судьба?

Еще не так давно теоретики предполагали, что, проскочив горловину черной дыры, наблюдатель может появиться из другого отверстия этой горловины в «нашем» пространстве вдали от черной дыры, в которую он упал (рис. 5а). Или он сможет даже «вынырнуть» в пространство «другой» Вселенной (рис. 5б).

Если бы это было возможно, то наряду с черными дырами во Вселенной должны были бы существовать и белые дыры; те самые другие отверстия горловины, из которых может «вынырнуть» наблюдатель. В белую дыру нельзя упасть, из нее можно только вылететь. По- истине черные и белые дыры напоминают улицы с односторонним движением транспорта, а горловины часто называют тоннелями. Но эти улицы во времени!

Белые дыры я открыл в 1963 году чисто математическим путем, когда пытался понять, откуда может взяться гигантская энергия, выделяющаяся в квазарах — необычайно мощно излучающих ядрах некоторых галактик. Через год после опубликования этой работы эти гипотетические объекты были независимо переоткрыты Ю. Нееманом — известным израильским физиком, много сделавшим в теории элементарных частиц. Вскоре, однако, Ю. Нееман занялся совсем другими делами и заиграл видную роль в политике. Мы так с ним серьезно никогда и не обсудили проблему белых дыр.

Страстным пропагандистом возможности существования горловин, соединяющих дыры, был Дж. Уилер.

Математическая теория этих образований была разработана в 1966 году мною, а затем развивалась в США Дж. Бардиным и в Индии Ю. Шахом и П. Вайдья.

Мои исследования того времени по теории горловин понравились академику А. Сахарову, который все больше интересовался проблемой тяготения и космологией. Он в то время развивал космологические теории, имеющие общие моменты с моими исследованиями. Все эти вопросы мы обсуждали между собой и с Я. Зельдовичем. В результате опубликовали с А. Сахаровым препринт Института прикладной математики «Релятивистский коллапс и топологическая структура Вселенной» (1970 г.) со статьями по нашим исследованиям. Этой работой я очень горжусь. Вскоре А. Сахаров выступил официальным оппонентом на защите моей докторской диссертации.

Для доказательства возможности существования в природе белых дыр и горловин (или, как их еще называют, «тоннелей»), ведущих от черных дыр к белым, надо было показать, как говорят физики, устойчивость этих образований. Это означает, что надо было исследовать, с одной стороны, не порождают ли эти образования какие-либо процессы, которые их же и разрушают. С другой стороны, надо было показать, что внешние воздействия, например, падающие в горловину через черную дыру световые лучи, не разрушают ее.

Первое сомнение в устойчивости подобной горловины высказал английский физик Р. Пенроуз. Он отметил следующее обстоятельство. Предположим, что в горловину попадает через черную дыру свет. Тяготение сообщает световым квантам все большую энергию. Кроме того, эта световая энергия сосредоточивается в очень малом объеме при попадании в горловину. Р. Пенроуз опасался, что тяготение такой спрессованной энергии разрушит горловину. Проверкой этой догадки занимались разные специалисты. В конце 70-х годов эта проблема заинтересовала и меня, хотя я и не знал о более ранней работе Р. Пенроуза. Мне удалось увлечь этой идеей еще троих молодых физиков: А. Старобинского — аспиранта Я. Зельдовича, турка Й. Гурсела и американца В. Сандберга — учеников К. Торна. В 1978 году, оказавшись в Калифорнийском Технологическом институте (Калтехе), мы с жаром взялись за дело. Времени было в обрез, и приходилось засиживаться за работой до глубокой ночи. Вот как впоследствии вспоминал об этой работе К. Торн в книге «Кривое пространство и деформированное время»: «Калтехский консорциум составляли Йекта Гурсел, который вырос в мусульманской семье в Турции, неподалеку от советской границы, и приехал в Калтех для учебы в аспирантуре; Вернон Сандберг, выросший в мармонской семье в Салт Лейк Сити и работал в Калтехе после защиты диссертации; Игорь Новиков, мой близкий русский друг; и Алеша Старобинский, аспирант Зельдовича, приехавший в Пасадену во время его первой поездки на Запад. Какое было наслаждение наблюдать их: турка, американца и двух русских, их — мусульманина, мормона и двух атеистов, — работавших вместе рука об руку, выводящих предсказания из эйнштейновских законов.

Заключение было такое, как и предполагал Р. Пенроуз, но с мощной новой особенностью: неустойчивость, которая запечатывает туннель, может вызываться даже одиночной, произвольно слабой световой волной, влетевшей в черную дыру… Бесконечно усиленное излучение создавало бы согласно вычислениям Гурсела — Сандберга — Новикова — Старобинского столь сильное тяготение, что затворяло бы туннель прежде, чем он мог сформироваться. Вход в туннель замещался непроходимой сингулярностью».

Впоследствии знаменитый индийский физик С. Чандрасекхар и американец Дж. Хартл построили полную математическую теорию этих процессов, а мы со Старобинским рассмотрели квантовые процессы рождения частиц в сильных полях внутри черной дыры, также ведущие к образованию непроходимой сингулярности вместо тоннеля-горловины. Кроме того, выяснилась и неустойчивость белых дыр. Оказалось, что падающее извне вещество быстро превращает белую дыру в черную. Это было доказано в работах американца Д. Эрдли, советского физика В. Фролова и в ряде других работ. С другой стороны, в совместном исследовании Я. Зельдовича, А. Старобинского и моем было показано, что белые дыры активно производят внутри себя вещество в квантовых процессах и тяготение этого вещества также быстро превращает их в черные дыры.

Подведем итог сказанному. И белые дыры, и тоннели оказались крайне неустойчивыми и поэтому в природе в естественных условиях существовать не могут.

Правда, остается еще одна возможность — каким-то искусственным образом подавить неустойчивость и стабилизировать тоннель-горловину. Мы обсудим это в главе «Против течения».

Вернемся, однако, к черным дырам и зададимся таким вопросом: что же произойдет с наблюдателем в действительности, если он отважится отправиться в черную дыру на космическом корабле?

Силы тяготения будут увлекать его в область, где эти силы все сильнее и сильнее. Если в начале падения в корабле (предположим, его двигатель выключен) наблюдатель находился в невесомости и ничего неприятного не испытывал, то в ходе падения ситуация изменится. Чтобы понять, что произойдет, вспомним про приливные силы тяготения. Их действие связано с тем, что точки тела, находящиеся ближе к центру тяготения, притягиваются сильнее, чем расположенные дальше. В результате притягиваемое тело растягивается. (Подобное растяжение испытывает водная оболочка Земли — ее океаны, которые притягиваются Луной, образуя приливы.)

В начале падения наблюдателя в черную дыру приливное растяжение может быть ничтожным. Но оно неизбежно нарастает в ходе падения. Как показывает теория, любое падающее в черную дыру тело попадает в область, где приливные силы становятся бесконечными. Это так называемая сингулярность внутри черной дыры. Здесь любое тело или частица будут разорваны приливными силами и перестанут существовать. Пройти сквозь сингулярность и не разрушиться не может ничто.