Всем привет! Это канал «Феи / Роботы / Пришельцы», меня зовут Сергей Балашов. Продолжаем разговор о самых странных объектах нашей Вселенной – о черных дырах. В прошлом выпуске я разбирался, почему они на самом деле не черные и не дыры. Сегодня поговорим о том, можно ли с их помощью путешествовать во времени, и вообще – что будет, если попасть в черную дыру?
В черную дыру
Феномен существования черных дыр на протяжении десятилетий захватывал воображение как ученых, так и писателей-фантастов. науки.
Когда идея их существования впервые появилась из решения уравнений в общей теории относительности Эйнштейна, физики задались вопросом, насколько серьезно следует отнестись к этому математическому описанию невозможной области пространства-времени.
С тех пор астрономические наблюдения показали, что черные дыры вполне реальны. Квазары, излучающие двойные системы и даже центр нашей галактики Млечный Путь таят в себе черные дыры.
Черная дыра определяется как область пространства-времени, текущего внутрь, с односторонней границей, называемой горизонтом событий, изнутри которой ничто никогда не может вырваться. Даже свет не может покинуть черную дыру, отсюда и название «черная».
Что же будет с теми, кто попытается приблизиться к черной дыре и войти внутрь горизонта событий?
Начнем с того, что мы, люди, чрезвычайно хрупкие существа. Наша техника нас превосходит, но в масштабах Вселенной – ненамного.
Черные дыры обладают сильнейшей гравитацией. Нет, они не засасывают все вокруг, как слив в раковине. Но тем не менее, сила тяжести при приближении к черной дыре будет возрастать.
Как ни странно, для погружения лучше выбирать сверхмассивную черную дыру. Более мелкие черные дыры, как мы уже знаем, обладают куда меньшим радиусом, и нарастание гравитации в них куда более резкое. Черная дыра с массой как у Солнца будет иметь радиус Шварцшильда 3 километра.
Чем ближе к горизонту событий, тем больше будет необычных эффектов. Это замедление времени и спагеттизация. Приливные силы черной дыры настолько сильны, что, разные части объекта будут испытывать разной сильны притяжение. Если к черной дыре будет приближаться человек, летящий ногами вперед, то его ноги будут ускоряться сильнее, чем голова, и, следовательно, тело будет растягиваться. Гравитация черных дыр настолько сильна, что может даже деформировать атомы. С другой стороны, чем больше черная дыра, тем менее резким становится этот эффект на ее краю. Фактически, в случае сверхмассивной черной дыры человек даже возможно переживет такое воздействие, по крайней мере, за пределами горизонта событий.
Еще одна большая опасность — это излучение. Из-за гравитационного смещения любое излучение, падающее извне, будет иметь более высокие частоты и, следовательно, энергию и будет намного опаснее. В некоторых симуляциях именно излучение убьет экипаж любого космического корабля, прежде чем он достигнет сингулярности.
Падение в черную дыру «снаружи»
Если удастся избежать скучной смерти от перегрузок и излучения, следующим важным фактором будет замедление времени.
Любое тело, в том числе космический корабль, может находиться на стабильной орбите вокруг черной дыры. Пока он остается за горизонтом, корабль может использовать ракеты, чтобы парить или двигаться радиально наружу, как если бы вращался вокруг Солнца или другой звезды.
События, которые происходят с нормальной скоростью для корабля, по мнению удаленного наблюдателя будут происходить в замедленном темпе. Чем ближе объект подходит к горизонту событий, тем медленнее становится относительное время.
День для корабля может быть месяцами для наблюдателя. Это происходит из-за гравитационного замедления времени. Чем ближе к объекту с большой массой – тем меньше времени пройдет для летящего, и тем больше для удаленного наблюдателя.
Итак, наш наблюдатель далеко за пределами черной дыры, увидит, как корабль приближается к ней. Для наблюдателя корабль с каждым витком орбиты притягивается к черной дыре. Сам корабль становится краснее из-за гравитационного красного смещения. Он движется все медленнее, и вот достигает края горизонта событий.
Следует напомнить, что горизонт событий — это не «забор», не какая-то материальная сфера вокруг черной дыры. Это просто предел, за которым скорость убегания превышает скорость света, 300 000 километров в секунду.
Удалённому наблюдателю будет казаться, что тело в чрезвычайно сплющенном виде будет замедляться, приближаясь к горизонту событий. Достигнув горизонта, для внешнего наблюдателя корабль остановится. Для экипажа корабля все совсем не так, но для тех, кто находится вдали от черной дыры – он навеки замер.
Это связано с тем, что пространство-время вокруг горизонта событий черной дыры настолько искривлено, что свету требуется все больше времени, чтобы достичь удаленного наблюдателя. По мере приближения к горизонту событий это время уходит в бесконечность. Пересечения телом горизонта событий наблюдатель не увидит никогда, и в этом смысле падение в чёрную дыру будет длиться бесконечно долго.
Время, которое происходит внутри «идеальной» черной дыры, не является частью прошлой или будущей истории внешней Вселенной. С точки зрения внешнего наблюдателя, любые события, происходящие на горизонте событий, включая попадание в него, происходят бесконечно далеко в будущем. Мы никогда не сможем увидеть, как что-либо пересекает горизонт; лучи света от этого момента достигнут нас бесконечно далеко в будущем.
Падение «изнутри»
Что же будет наблюдать экипаж такого корабля смельчаков по мере погружения?
С большого расстояния они просто увидят, что пространство вокруг черной дыры искривлено, как будто в космосе находится невидимая огромной линза, искажающей весь окружающий ее свет. Но по мере того, как корабль продолжает полет, экипаж начнет замечать странные искажения пространства. Опять-таки, корабль должен быть построен так, чтобы не разрушиться и не сгореть из-за гравитации и излучения по мере приближения к цели.
Когда он приблизится к черной дыре в два раза ближе стабильной орбиты, ее угловой размер, по-видимому, увеличится значительно больше. Черная дыра будет увеличиваться больше, чем мы ожидаем в обычном пространстве. Мы привыкли, что объекты визуально увеличиваются пропорционально расстоянию, на котором мы находимся от них. Но черная дыра растет гораздо быстрее, чем можно ожидать, благодаря невероятной кривизне пространства.
В результате искажения пространства по законам Общей теории относительности, черная дыра будет изгибаться вокруг него, оставляя большой темный диск, соответствующий горизонту событий черной дыры.
Масса искривляет пространство-время, и по мере приближения к чрезвычайно плотной и большой массе, такой как черная дыра, искривление пространства становится все более серьезным. Это, увеличивает приливные, спагеттифицирующие силы, а также увеличивает количество искривлений света, исходящего из-за черной дыры.
По сравнению с фактическим, физическим размером, горизонт событий начнет казаться огромным. Положение далеких звезд на заднем плане будет казаться сильно искаженным, и горизонт событий скоро заполнит все поле зрения.
По мере того корабль подходит все ближе и ближе к горизонту событий, экипаж впереди себя не будет видеть ничего, кроме черной дыры.
Пока корабль еще не пересек горизонт событий, он все еще может выбраться. Если сможет создать достаточное ускорение в сторону от черной дыры, то сможет преодолеть ее гравитацию и вернуться в обычное, удаленное от черной дыры, плоское пространство-время.
Возникает причудливая разница: для корабля определенные события происходят, но для наблюдателя за пределами черной дыры их никогда не будет.
При падении в черную дыру произойдет изменение цвета. Внешний свет, который попадает внутрь, будет казаться более голубым, потому что он достигает глаз, ускоренный дополнительным гравитационным искривлением пространства.
По мере падения к горизонту событий звездный свет сожмется в крошечную точку позади, меняя цвет на синий из-за гравитационного смещения синего цвета. В последний момент перед тем, как корабль пересечет горизонт, эта точка станет красной, белой, а затем синей, поскольку космические микроволны и фоновое излучение смещаются в видимую часть спектра. Это будет последнее из внешней Вселенной, что увидит экипаж. Смещенная в синюю сторону энергия, исходящую из единственной точки позади.
Не считая этого, пересечения горизонта событий человек даже не заметит. С точки зрения экипажа корабля этот момент ничем не примечателен. Но как только корабль пересечет горизонт событий, пути назад уже нет. Корабль оказывается в горловине, сжимающейся столь быстро, что улететь из неё уже нельзя, даже двигаясь со скоростью света. Двигатель не может выдать такое количество энергии, которое перенесет корабль куда-либо, кроме сингулярности в центре, которая за считанные секунды раздавит его на субатомные частицы.
Корабль не упадет в зияющую черную пустоту под собой — на самом деле это не сам горизонт событий. Он просто продолжит ускоряться, пока наблюдаемая Вселенная не достигнет сингулярности и не сожмется в бесконечно маленькую точку.
Внутри горизонта событий свет из внешней Вселенной не достигает космического корабля. Независимо от того, в какую сторону он будет пытаться лететь, выхода нет. Сингулярность будет перед ним независимо от направления движения. Любое направление будет движением вниз.
Потребуется всего несколько секунд с того момента, как корабль пересек горизонт событий черной дыры, до того, как его разнесет на куски.
Однако с точки зрения внешнего наблюдателя, корабль навсегда застынет на границе горизонта событий. А для экипажа внутри – все происходящее займет кратчайший момент времени.
Как только корабль падет в черную дыру, уравнения физики говорят нам, что пространство и время поменяются местами. Сингулярность изнутри не занимает место в пространстве – она занимает все время в будущем.
Даже если что-то будет двигаться со скоростью света, и пытаться достичь горизонта событий. Он никак не сможет добраться до него, если только не будет двигаться быстрее света. О, это достигнет горизонта событий, но только горизонта событий нашего будущего.
Внутри черной дыры существует только один момент времени, в котором собрано все прошлое, настоящее и будущее. Весь свет, и вся информация, которая когда-либо достигали горизонта событий, существует там в этот бесконечно растянутый краткий миг времени. Так что члены экипажа увидят внутри все звезды вокруг черной дыры в каждый миг их существования, в том числе – в миг их коллапса в далеком будущем.
Возникает фантастически невообразимая ситуация: корабль, попавший в черную дыру, перестал существовать. Он стал частью сингулярности, немного увеличив массу черной дыры, а вся информация о строении звездолета и членов его экипажа потеряна для Вселенной. Это произошло, но наблюдатели и изнутри, и снаружи видят иное. Снаружи корабль вечно замер на границе горизонта событий, и сигналы, посылаемые вслед, не могут его достичь. Для экипажа внутри все происходящее займет кратчайший миг.
Что будет с кораблем дальше – неизвестно. Может быть, в своем субъективном времени все-таки достигнет сингулярности и пропадет. Может быть через триллионы лет, когда черная дыра испарится из-за излучения Хоккинга, корабль вновь окажется в нашей Вселенной, целый и невредимый.
Из белой дыры
Совсем иначе работают порталы-червоточины в космической опере. Корабль залетает в черную дыру, и вылетает на другом конце Галактики из Белой дыры.
Белая дыра – это теоретическая противоположность чёрной дыры в математическом смысле. Можно сказать, что это черная дыра, обращенная вспять во времени.
Белая дыра – область пространства-времени, текущего наружу. Если из чёрной дыры невозможно выбраться, то в белую дыру невозможно попасть. Так как общая теория относительности и большинство теорий гравитации обратимы во времени, то можно развернуть формулы так, чтобы получить объект, который не схлопывается, формируя вокруг себя горизонт событий и сингулярность, а наоборот, объект, который рождается из невидимой сингулярности под горизонтом событий и затем разлетается, уничтожая горизонт — это и будет белая дыра.
Ничто за пределами белой дыры никогда не сможет проникнуть внутрь, и все, что находится внутри, должно быть выброшено. Даже свет может только вылететь из белой дыры.
Хотя в общей теории относительности возможно создать белую дыру, существуют другие законы физики, которым должна подчиняться Вселенная. Например, второй закон термодинамики. Он требует, чтобы энтропия, мера беспорядка, всегда увеличивалась. А в случае с белой дырой из «ничего» появляется «что-то» - энтропия уменьшается.
Возможны единичные случаи, когда случайное падение энтропии приводит к чему-то очень похожему на белую дыру. Высказывалось предположение, что сам Большой взрыв произошел в результате такого невероятного сильного падения энтропии. Большой взрыв выглядит, по крайней мере математически, очень похоже на белую дыру. Это расширяющееся излияние пространства-времени, содержащее огромное количество энергии, и в сам момент взрыв никогда невозможно попасть.
На грани науки и фантастики было даже высказано предположение, что, когда образуется черная дыра, на противоположной «стороне» вселенной образуется белая дыра. Энергия, поступающая в черную дыру, выходит из белой дыры. Может быть, образовавшаяся в результате белая дыра — это Большой взрыв новой, новорожденной вселенной.
Именно в таком качестве черные и белые дыры встречаются в фантастике – как порталы между удаленными уголками нашей Вселенной, или ворота в параллельные миры. Правда, чаще всего авторы путают черные дыры с червоточинами – для произведения важно только то, что в черную дыру можно нырнуть. Про замедление времени, невообразимую плотность и сингулярность все просто забывают.
Но в отличие от черных дыр, существование которых на сегодня доказано, белые дыры остаются лишь игрой математики. Неизвестны даже теоретические механизмы их образования, помимо реликтового сразу после Большого взрыва. Белые дыры считаются абсолютно гипотетическими объектами.
Так что увы, ученые вновь не позволяют нам путешествовать по Вселенной со скоростью выше скорости света.
Заключение
В случае самых больших черных дыр есть шанс, что они ведут куда-то еще: в белую дыру, в другую Вселенную или в новую физическую реальность, которая скрыта за горизонтом событий. Извне мы не можем получить информации о том, что находится внутри горизонта событий. Все, что у нас есть – это наши теории. Они пестрят парадоксами, и зачастую гипотезы можно либо представить, либо выразить языком формул – то редко и то, и другой одновременно.
Про черные дыры, теорию относительности и основы астрофизики можно разговаривать очень долго. В конце концов, это сейчас – передний край науки. Мне было интересно поговорить о тех аспектах, которые встречаются в научной фантастике и звездном фэнтези.
Что вы думаете о черных дырах? Напишите в комментариях.
Канал «Феи / Роботы / Пришельцы» можно читать на Дзен, в Телеграме и ВКонтакте. Аудиоверсия подкаста доступна на сервисах Яндекс.Музыка, Apple Podcasts, Google Podcasts и в подкастах ВКонтакте. Видео-версию смотрите на канале YouTube.
Поддержать канал можно на сервисе Boosty по ссылке в описании.
Оставляйте комментарии и ставьте оценки. Не забудьте подписаться на канал, чтобы не пропустить новые выпуски. Скоро увидимся!
