Интерстеллар - Торн Кип - Страница 47

Рис. 26.9. Фантасмагорическое изображение нескольких черных дыр с сингулярностями на их сужающихся концах (Фрагмент рисунка 4.5.)

С тех пор математические вычисления по законам теории относительности показали, что такие сужающиеся сингулярности нестабильны. Чтобы создать такую сингулярность внутри черной дыры, потребуется тонкая настройка. И если что-нибудь сингулярность хотя бы слегка потревожит, например если что-то упадет в черную дыру, она разительно изменится. Чем же она станет?

В 1971 году три российских физика — Владимир Белинский, Исаак Халатников и Евгений Лифшиц — предложили ответ на этот вопрос в виде пространных и сложных вычислений. А в 2000-х годах благодаря развитию компьютерного моделирования их ответ подтвердил Дэвид Гарфинкль из Оклендского университета. Эти стабильные сингулярности теперь называют БХЛ — в честь Белинского — Халатникова — Лифшица.

БХЛ-сингулярности хаотичны. Исключительно хаотичны. И опасны. Дьявольски опасны.

На рис. 26.10 я изобразил искривление пространства снаружи и внутри быстровращающейся черной дыры. Внизу находится БХЛ-сингулярность. Если вы упадете в черную дыру, сначала у нее внутри все будет спокойно, быть может, даже приятно. Но по мере приближения к сингулярности пространство вокруг вас начнет хаотически растягиваться и сжиматься. И приливные силы начнут — хаотически же — растягивать и сжимать вас. Сначала растяжения и сжатия будут небольшими, но вскоре они усилятся и, наконец, станут сверхсильными. Вашу плоть растерзает в клочья. А затем и атомы, из которых состояло ваше тело, изуродует так, что родная мать не узнает.

Рис. 26.10. Искривленное пространство вокруг быстровращающейся черной дыры наподобие Гаргантюа с БХЛ-сингулярностью внизу. Хаотические растяжения и сжатия вблизи сингулярности изображены не точно, а умозрительно

Все это, включая хаотичность, следует из законов теории относительности. Именно это предсказали российские физики Б., Х. и Л. Чего они не могли предсказать и чего не может предсказать никто по сей день, так это какая судьба ожидает ваши угодившие в БХЛ-сингулярность атомы и субатомные частицы, когда мильон хаотических терзаний перейдут в бесконечное крещендо. Судьба ваших атомарных останков ведома лишь законам квантовой гравитации. Так или иначе, вы сами будете давно уже мертвы, без шансов добыть какие-либо квантовые данные и спастись.

Я пометил этот раздел значком (обоснованное предположение), поскольку у нас нет полной уверенности, какие именно сингулярности скрываются внутри черных дыр — БХЛ или нет. Законы теории относительности допускают существование БХЛ-сингулярностей, Гарфинкль подтвердил это с помощью компьютерного моделирования. Но чтобы подтвердить, что характерные для БХЛ-сингулярностей чудовищные растяжения и сжатия действительно происходят в черных дырах, необходимо более сложное моделирование. Я почти уверен, что в результате такого моделирования станет ясно: да, так все и есть. Но не могу утверждать это наверняка.

Падающие и вылетающие сингулярности

В восьмидесятых годах мы с моими коллегами-физиками были вполне уверены (в рамках обоснованного предположения), что в черной дыре находится всего одна сингулярность и что это БХЛ-сингулярность. Мы ошибались.

В 1991 году Эрик Пуассон и Вернер Израэль из Альбертского университета в Канаде, работая с математическим аппаратом теории относительности, обнаружили вторую сингулярность — сингулярность, растущую по мере того, как стареет черная дыра, и порожденную экстремальным замедлением времени внутри дыры.

Если вы упадете во вращающуюся черную дыру наподобие Гаргантюа, вслед за вами неизбежно упадет еще много чего: газ, пыль, свет, гравитационные волны и т. д. Для меня, стороннего наблюдателя, все это будет опускаться в дыру в течение миллионов или миллиардов лет. Но на ваш взгляд, взгляд изнутри дыры, это займет несколько секунд, а то и меньше — из-за экстремального (по сравнению с моим) замедления вашего времени. Относительно вас то, что попадет в дыру за вами следом, образует тонкий слой и будет падать внутрь, прямо к вам, со световой или околосветовой скоростью. Этот слой будет порождать внушительные приливные силы, искажающие пространство, и если он столкнется с вами, вам тоже достанется.

Эти приливные силы будут расти до бесконечности, порождая «падающую сингулярность» (рис. 26.11)85, подчиняющуюся законам квантовой гравитации. Однако, как выяснили Пуассон и Израэль, приливные силы растут так стремительно, что если вы с ними встретитесь, они деформируют вас лишь в некоторой конечной степени — а затем вы достигнете сингулярности. Это объясняет график на рис. 26.12, где показано ваше общее растяжение вдоль направления верх — низ и сжатие в направлениях север — юг и восток — запад в зависимости от времени. Когда вы встретитесь с сингулярностью, ваши общие растяжение и сжатие будут конечны, но скорости, с которыми вас растягивает и сжимает (крутизна трех кривых), будут бесконечны. Это действие бесконечных приливных сил, признака сингулярности.

Рис. 26.11. Падающая сингулярность, порожденная всем тем, что падает в черную дыру (разноцветные ободки) вслед за вами

Рис. 26.12. Ваши общие растяжение и сжатие, когда на вас опускается падающая сингулярность

Поскольку ваше тело подверглось лишь конечным общим растяжению и сжатию, возможно, что, войдя в сингулярность, вы останетесь живы (возможно, но, на мой взгляд, маловероятно). В этом смысле падающая сингулярность гораздо «мягче» БХЛ-сингулярности. Но если вы и уцелеете, снова только законам квантовой гравитации ведомо, что случится с вами дальше.

В 1990-х и 2000-х годах мы, физики, думали, что это всё — БХЛ-сингулярность, возникшая при рождении черной дыры, и падающая сингулярность, которая вырастает позже. И больше ничего.

Но затем в конце 2012 года, когда Кристофер Нолан вел переговоры насчет работы над «Интерстеллар», Дональд Марольф (Калифорнийский университет в Санта-Барбаре) и Амос Ори (Технион в Хайфе, Израиль) открыли третью сингулярность. Разумеется, открыли они ее в результате углубленного изучения законов теории относительности, а не увидев в телескоп. Странно даже, что эту сингулярность не открыли раньше — настолько все очевидно. Это «вылетающая сингулярность», которая, как и падающая, растет по мере старения черной дыры. Источник ее возникновения — то, что упало в черную дыру прежде вас (газ, пыль, свет, гравитационные волны и прочее); см. рис. 26.13. Малая часть всего этого будет рассеиваться вверх, по направлению к вам, рассеиваться из-за искривления пространства и времени — примерно так же, как солнечный свет рассеивается, когда проходит сквозь изогнутую, гладкую океанскую волну, формируя для наших глаз ее изображение.

Рис. 26.13. Вылетающая сингулярность, порожденная рассеянием того, что упало в черную дыру до вас, и падающая сингулярность, порожденная тем, что упало в дыру вслед за вами. Вы находитесь между этими сингулярностями. К наружным областям черной дыры и к ее БХЛ-сингулярности у вас доступа нет

Из-за экстремального замедления времени в черной дыре рассеянные газ, пыль и т. д. уплотняются, формируя тонкий слой, который напоминает ударную волну. Гравитация этого слоя порож­дает приливные силы, которые бесконечно возрастают, образуя вылетающую сингулярность. Но приливные силы этой сингулярности, так же как и падающей, «мягкие»: они нарастают так быстро и внезапно, что, достигнув сингулярности, вы испытаете конечную, а не бесконечную общую деформацию.