Из всех концепций, появившихся в современной физике – или даже во всей науке — ни одна не захватила наше воображение так сильно, как черные дыры. От «Звездного пути» до «Интерстеллар» они являются основным продуктом научной фантастики.
Десятки популярных книг были написаны об этих странных и завораживающих объектах авторами, такими как Кип Торн и Стивен Хокинг и другими. Черные дыры, по сути, являются прямым следствием общей теории относительности Эйнштейна.
Но сам Эйнштейн никогда не осознавал и не принимал этот факт.
В статье, которую он написал в 1915 году, представляя общую теорию относительности, Эйнштейн использовал уравнения поля своей теории, чтобы сделать ряд различных предсказаний. Наиболее примечательно, что эти предсказания включали расчет Эйнштейном орбиты Меркурия, который хорошо согласуется с наблюдениями, в то время как уравнения ньютоновской гравитации – нет.
Решение уравнений поля Эйнштейна
Общеизвестно, что уравнениями поля Эйнштейна трудно манипулировать даже физикам, которые являются экспертами в теории относительности. Технически говоря, это потому, что эти уравнения нелинейны. Это означает, что когда вы меняете один входной сигнал, вы в конечном итоге меняете и многие другие вещи.
Сам Эйнштейн первоначально думал, что эти уравнения невозможно точно решить. Вместо этого он нашел математические методы для определения приближенных решений. Сегодня физики часто прибегают к помощи мощных компьютеров для решения этих сложных уравнений.
Оказывается, однако, что в некоторых особых и простых случаях точные решения уравнений поля Эйнштейна действительно существуют. Первым человеком, нашедшим одно из точных решений, был не сам Эйнштейн, а астроном и математик по имени Карл Шварцшильд.
Карл Шварцшильд находит простое решение
Шварцшильд представил ситуацию со сферической массой — звезды или планеты, — которая не вращалась и не изменялась иным образом. Для этого простого случая Шварцшильд рассчитал эффекты гравитации, используя уравнения поля Эйнштейна.
Вдали от сферической массы Шварцшильд обнаружил, что гравитация действует таким же образом, как предсказал Исаак Ньютон более двух столетий назад. Но по мере приближения к сферической массе решение Шварцшильда начинает отходить от предсказания Ньютона.
Среди прочего, решение Шварцшильда показало, что теория Эйнштейна может прекрасно объяснить давнее несоответствие, наблюдаемое на орбите Меркурия. Найдя точное решение для орбиты Меркурия Шварцшильд с большей строгостью продемонстрировал, что наблюдения Меркурия благоприятствуют общей теории относительности, а не ньютоновской гравитации.
В декабре 1915 года Шварцшильд написал Эйнштейну письмо, в котором описал найденное им решение уравнений поля. Через месяц он получил ответ и вскоре представил новое решение на заседании Прусской академии.
Эйнштейн был очень доволен — хотя и удивлен — тем, что удалось найти такое простое и точное решение. Ранее Эйнштейн думал, что нелинейность его уравнений поля сделает невозможным нахождение каких-либо точных решений, но, изучив письмо Шварцшильда, Эйнштейн с радостью признал, что ошибался — по крайней мере, в этом частном случае.
Предсказания Шварцшильда о пространстве-времени
В течение следующих нескольких месяцев Шварцшильд написал две статьи по общей теории относительности, в которых, среди прочего, подробно изложил свое важное и точное решение уравнений поля.
К сожалению, в марте 1916 года Шварцшильд тяжело заболел и умер, так и не увидев наследие своей работы.
Сегодня его решение уравнений поля известно не потому, что это было первое точное решение общей теории относительности. Сегодня об этом чаще всего говорят из-за некоторых других интересных и причудливых предсказаний, которые оно делает.
Согласно решению Шварцшильда, если бы вы могли сжать достаточную массу в достаточно маленький объем, геометрия окружающего пространства вышла бы из строя, а само пространство-время стало бы бесконечно искривленным. Радиус вокруг объекта, при котором пространство-время становится бесконечно искривленным, известен как «радиус Шварцшильда», и он пропорционален массе объекта.
Например, если сжать Солнце до радиуса в 3 километра, пространство вокруг него стало бы бесконечно искривленным. Эта бесконечная кривизна не позволила бы ничему, даже свету, проходить через радиус Шварцшильда.
Для стационарного наблюдателя, наблюдающего за таким объектом извне, бесконечная кривизна пространства означает, что потребовалось бы бесконечно много времени, чтобы что-либо прошло через радиус Шварцшильда.
Следовательно, ничто никогда не сможет убежать от такого объекта или достичь его. Десятилетия спустя физики начнут называть эти объекты тем именем, которое мы используем сегодня — черные дыры.
Скептицизм в отношении существования черных дыр
Эйнштейн, казалось, мало задумывался о возможности существования таких экзотических объектов. Вместо этого он сосредоточился на более прагматичных вопросах, таких как сравнение предсказаний решения Шварцшильда с наблюдениями за орбитой Меркурия.
В то время у ученых были веские причины скептически относиться к существованию черных дыр. Даже если гипотетически черная дыра могла бы образоваться, если бы было достаточно массы, сжатой в достаточно маленький объем пространства, это не означает, что это когда-либо происходило. Возможно, черная дыра могла бы образоваться, но на практике, возможно, она никогда и не формировалась.
Более того, большинство физиков в то время думали, что, вероятно, должны быть вещи, которые предотвращали бы образование черной дыры, в принципе. В конце концов, было много неизведанной территории между типами звезд, которые наблюдались, и видами условий, которые потенциально могли привести к образованию черной дыры.
Вполне могли существовать новые законы физики, которые еще предстоит открыть, которые каким-то образом предотвратили бы образование черных дыр в реальном мире. В то время было далеко не очевидно, что черные дыры действительно существуют или даже могут существовать.
Так что в 1916 году Эйнштейн был не единственным, кто сомневался в реальности черных дыр.
