В начале была черная дыра

Автор: WikiImages

В начале была черная дыра

Черная дыра — это, пожалуй, одно из самых таинственных и менее всего изученных явлений во Вселенной. Со времен открытия черных дыр в начале XX века их существование обросло множеством невообразимых гипотез и легенд. В представлении обывателя черные дыры — это огромные космические «пылесосы», поглощающие все на своем пути. Так ли это?

Что такое черная дыра? По мнению современных ученых, черная дыра образуется, когда очень большая звезда истощает свои запасы термоядерного топлива. Когда термоядерные реакции внутри звезды прекращаются, она начинает сжиматься под сильнейшим воздействием собственной гравитации. В конце концов она превращается в крошечный карлик очень высокой плотности. Он обладает настолько мощной гравитационной силой, что способен притягивать к себе огромные космические объекты, а движется он со скоростью, равной половине скорости света. Такие карлики называются нейтронными звездами. Когда нейтронная звезда сжимается еще больше, она начинает поглощать не только окружающие объекты, но даже свет, который сама излучает. Именно поэтому она становится абсолютно черной.

Изучая происхождение черной дыры, британский ученый Роджер Пенроуз пришел к выводу, что каждая черная дыра обладает пространственно-временной сингулярностью. Это значит, что внутри черной дыры нет ни пространства (поскольку объемы бывшей звезды сжаты в ней до элементарной точки), ни времени (поскольку в черной дыре не распространяется свет). В этих условиях не работают известные человеку физические законы. Ни пространства, ни времени, абсолютный ноль, точка… А что, если это точка отсчета?

Этим вопросом задался Стивен Хокинг. На сегодняшний день Хокинг — ведущий физик-теоретик, космолог, профессор университета Кембриджа, и имя его известно каждому. Судьба его оказалась не из легких. Хокинг страдает редкой разновидностью болезни моторных нейронов. Она медленно, но верно парализует его. Стивену Хокингу уже 75 лет, он передвигается с помощью автоматического кресла, в которое встроен компьютер — через него ученый общается с окружающими людьми. Единственная часть тела Хокинга, которая способна двигаться — правая щека, и именно с ее помощью, через специальную систему, он управляет своим компьютером, печатая примерно одно слово в минуту.

Но за внешней беспомощностью скрывается удивительно сильный дух и великий гений. Стивен Хокинг поставил себе глобальную цель — раскрыть тайну происхождения мира — и упорно идет к ней, преодолевая любые физические трудности. Хокинг проводит мысленные опыты и аккуратно хранит цепочки своих рассуждений у себя в голове; им разработаны персональные методики образного мышления и запоминания информации. Сегодня мы попытаемся выяснить, о чем размышляет Стивен Хокинг, какой идее он посвятил свою жизнь.

Когда Хокинг начал заниматься изучением черных дыр, он был еще молодым докторантом и как раз находился в поисках темы для своей диссертации. Вместе с Пенроузом, своим старшим коллегой, они продолжили развивать теорему пространственно-временной сингулярности и смогли доказать, что наша Вселенная тоже начиналась как сингулярность. А в 1966 году Стивен Хокинг написал диссертацию, в которой описал свою «теорию всего», основанную на этом положении.

Согласно теории Хокинга, в начале всего была черная дыра. Она не имела ни размеров, ни возраста, но зато обладала невообразимо огромной массой. Эта черная дыра поглощала энергию извне и постепенно наполнялась ею. От переизбытка энергии черная дыра в конце концов взорвалась (именно это колоссальное событие современные ученые называют Большим взрывом).  Огромная черная дыра с невероятной скоростью начала распространяться во всех направлениях — так возникли пространство и время в их единстве. Но Хокинг утверждает, что энергия Большого Взрыва до сих пор не иссякла, а значит, наша Вселенная постоянно расширяется, расстояния между космическими объектами становятся все больше, а время течет все медленнее. Когда-нибудь это расширение окончательно остановится и начнется обратный процесс — сжатие пространства и времени до новой, бесконечно маленькой, но сверхмассивной черной дыры.

Картина мира, описанная Стивеном Хокингом, на первый взгляд безупречна. Но есть одна проблема: откуда взялась энергия для Большого взрыва, если черная дыра содержала в себе все, а вокруг не было ничего?

Первым предположением было то, что черные дыры сами излучают какие-то частицы и сами их поглощают. Но как это происходит, было по-прежнему неясно. Стивен Хокинг смог найти решение этой проблемы. До сих пор он работал с гигантскими массивными объектами, которые подчиняются законам общей теории относительности Эйнштейна. Теперь же он взялся за квантовую механику Планка.

Вакуум, согласно теории квантов, не совсем пуст. Он наполнен множеством частиц и античастиц. Частицы обладают положительной массой, а античастицы – отрицательной. Поэтому они постоянно находятся в паре и то распадаются, то попарно объединяются, образуя ноль вещества. Таким образом, в вакууме присутствует множество частиц, и в то же время нет абсолютно ничего.

Когда некоторые пары частиц и античастиц подходят слишком близко к черной дыре, она поглощает античастицы. Но присоединяясь к черной дыре, античастицы уменьшают ее массу, и потому она становится все меньше и меньше. В конце концов в результате поглощения черной дырой античастиц она уменьшается в массе. Оставшиеся снаружи частицы с положительной массой воспринимаются как радиоактивное излучение черной дыры, они-то и служат источником энергии для взрыва. Излучение становится все больше, а сама черная дыра уменьшается и, наконец, взрывается. Существование излучения положительных частиц вокруг черной дыры было обоснованно Хокингом в 1974 году и с тех пор носит его имя. Его открытие имеет колоссальное значение, поскольку оно доказывает, что Большой взрыв в начале всего мог быть взрывом черной дыры.

На сегодняшний день Стивен Хокинг — уважаемый во всем мире ученый. На его счету множество различных наград, в том числе рыцарский Превосходнейший Орден Британской империи (1982), от которого он, правда, лично отказался, и Орден кавалеров чести (1989). Однако Нобелевской премии ученый пока еще не был награжден: в конце концов, его теория остается теорией, и до сих пор физики всего мира безуспешно пытаются доказать ее или опровергнуть. Нам остается только ждать, а времени у человечества еще достаточно.

Автор: Дарья Суховольская
Корректор: Анастасия Береснева