Кратчайшая история времени - Стивен Уильям Хокинг

оно оказывается достаточным, чтобы уравновесить гравитационное притяжение, и сжатие газа прекращается. Таким образом, облака сливаются, превращаясь в звезды вроде нашего Солнца, в недрах которых водород превращается в гелий, а выделяемая при его термоядерном горении энергия излучается в виде света и тепла. Ситуация немного напоминает воздушный шарик, где мы имеем дело с равновесием между давлением воздуха внутри, которое стремится раздуть шарик, и натяжением резиновой оболочки, которая стремится сжать шарик.

Облака горячего газа, сжимаясь, превращаются в звезды, которые остаются устойчивыми в течение долгого времени, пока тепло, выделяемое в ходе термоядерных реакций, уравновешивает гравитационное притяжение. Однако рано или поздно звезда исчерпывает свои запасы водорода и другого ядерного топлива. Парадоксальным образом, чем больше топлива звезда, имеет в начале своей эволюции, тем быстрее оно у нее заканчивается. Дело в том, что чем массивнее звезда, тем горячее должны быть ее недра, чтобы уравновесить гравитационное притяжение [вышележащих слоев]. А чем горячее недра звезды и чем быстрее происходят в них термоядерные реакции синтеза, тем быстрее заканчиваются запасы термоядерного топлива. У нашего Солнца термоядерного топлива хватит примерно еще на пять миллиардов лет, но более массивные звезды успевают исчерпать свои запасы всего за каких-то сто миллионов лет, что намного меньше возраста Вселенной.

После исчерпания своих запасов топлива звезда начинает остывать и сила тяготения берет верх над давлением, заставляя звезду сжиматься. В результате сжатия атомы оказываются прижаты друг к другу и звезда снова нагревается. В ходе дальнейшего нагрева звезды гелий в ней начинает превращаться в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Правда, в ходе этих реакций выделяется не так уж много энергии и наступает очередной кризис. Дальнейшее развитие событий не до конца понятно, но скорее всего центральные области звезды коллапсируют, сжимаясь до сверхплотного состояния, такого как черная дыра. Сам термин «черная дыра» появился сравнительно недавно. Его придумал в 1969 году американский ученый Джон Уилер для наглядной иллюстрации идеи почти двухсотлетней давности, когда существовали две теории света: согласно одной из них, которой придерживался Ньютон, свет состоит из частиц, а согласно другой теории он состоял из волн. Теперь-то мы знаем, что обе теории в определенном смысле правильные. Как мы увидим в главе 9, согласно теории корпускулярно-волнового дуализма в квантовой механике свет может рассматриваться одновременно как волна и как частица. Сами понятия волна и частица придуманы людьми, и в природе каждое явление совсем не обязательно должно относиться только к одной из этих категорий!

В волновой теории непонятно, как свет должен откликаться на тяготение. Но если считать свет состоящим из частиц, то есть все основания полагать, что сила тяготения воздействует на эти частицы точно так же как, например, на пушечные ядра, ракеты и планеты. В частности, если выстрелить ядро из пушки вертикально вверх с поверхности Земли или звезды – например, как ракету на странице 58, то ядро в какой-то момент остановится и начнет падать назад вниз, если только его начальная вертикальная скорость не превысит определенное критическое значение. Эта минимальная скорость называется скоростью убегания или второй космической скоростью. Скорость убегания, на поверхности звезды зависит от силы тяжести. Чем массивнее звезда[8], тем больше скорость убегания. Сначала люди считали, что частицы света движутся с бесконечной скоростью и в этом случае сила тяготения не способна затормозить их, но открытие Ремером конечности скорости света означало, что влияние силы тяжести на свет может быть существенным: если звезда достаточно массивна и скорость света окажется меньше скорости убегания с ее поверхности, то все испускаемое звездой излучение должно упасть обратно на нее. В 1783 году профессор Кембриджского университета Джон Мичелл опубликовал в журнале «Философские труды Лондонского королевского общества» статью, где обратил внимание на то, что достаточно массивная компактная звезда должна создавать настолько сильное гравитационное поле, что свет не сможет покинуть ее: испущенное с поверхности такой звезды излучение не сможет далеко уйти и рано или поздно будет остановлено и возвращено назад силой тяжести звезды. Как раз такие объекты мы сейчас называем черными дырами: это действительно зияющие в пространстве черные пустоты.

Ядра, летящие быстрее и медленнее скорости убегания. Выстреливаемое вверх тело не обязательно возвращается. Оно вернется, только если движется быстрее скорости убегания

Несколько лет спустя похожую гипотезу высказал французский ученый Маркиз де Лаплас, по-видимому, совершенно независимо от Митчелла. Интересно, что Лаплас включил эту гипотезу только в первое и второе издания своей книги «Изложение системы мира», не упомянув о ней в более поздних изданиях. Возможно, он счел эту идею бредовой – в XIX веке корпускулярная теория света теряла популярность, потому что в то время казалось, что все можно объяснить в рамках волновой теории. И действительно, рассматривать свет так же, как пушечные ядра в ньютоновской теории тяготения, не совсем последовательно – ведь скорость света постоянна. Ядро, выпущенное из пушки вертикально с поверхности Земли, замедляется под действием силы тяжести, в какой-то момент останавливается и падает вниз. В отличие от него фотон продолжает двигаться вверх с постоянной скоростью. Последовательная и внутренне согласованная теория влияния тяготения на свет появилась только в 1915 году, когда Эйнштейн создал свою общую теорию относительности. А задачу о судьбе массивной звезды в общей теории относительности первым решил молодой американский ученый Роберт Оппенгеймер в 1939 году.

Согласно Оппенгеймеру, дело обстоит следующим образом. Под действием гравитационного поля звезды траектории лучей света в пространстве-времени искривляются и отличаются от траекторий в отсутствие звезды. Этот эффект наблюдается как искривление света далеких звезд, наблюдаемых во время солнечного затмения. Траектории лучей света в пространстве-времени слегка искривляются в направлении звезды. По мере сжатия звезды плотность ее возрастает, также как и напряженность гравитационного поля на ее поверхности. (Для наглядности представьте себе гравитационное поле в виде «субстанции», истекающей из точки в центре звезды. Чем ближе к центру, тем плотнее «субстанция» и сильнее воздействие гравитационного поля.) Под действием более сильного поля траектории лучей света вблизи поверхности звезды еще сильнее искривляются в сторону светила. Наконец, когда звезда сожмется до определенного критического радиуса, гравитационное поле на ее поверхности оказывается настолько сильным, что заворачивает траектории лучей света, и они уже больше не могут покинуть звезду.

Согласно теории относительности ничто не может двигаться быстрее скорости света. Это значит, что раз свет не может покинуть звезду, то это также невозможно и для любого другого объекта – он неминуемо будет втянут обратно гравитационным полем. Вокруг сколлапсировавшей звезды образуется область пространства-времени, из которой