Автор фото, Ben Platts-Mills
В этой иллюстрированной статье писатель и художник Бен Платтс-Миллс объясняет, почему Альберт Эйнштейн и другие выдающиеся физики отказывались верить в существование черных дыр. Были ли они слишком странными и сложными для понимания?
Все звезды в конце концов умирают — но когда это происходит, начинается их загробная жизнь.
Меньшие небесные тела — таковы как наше Солнце – скорее всего, сжатся и стабилизируются в виде сверхплотных «карликов». Большая звезда может превратиться в нейтронную звезду — шар субатомных частиц всего несколько миль в поперечнике, но с гравитацией такой силы, чтобы замедлить время и превратить соседние тела в «подобные спагетти» потоки материи.
Но для самых массивных звезд смерть — это превращение в нечто такое, что невозможно не только описать, но и вообразить. Когда их преодолевает собственная сила тяжести, их разрушение выходит за пределы любого устойчивого состояния материи, и влечет за собой внезапный, экспоненциальный излом — взрыв настолько абсолютный, что он пронизывает пространственно-временный континуум и уничтожает вокруг себя все наши представления о физике.
>
Автор фото, Ben Platts-Mills
Гравитационный вихрь, возникающий – так называемый чер , – поглощает всю материю, всю энергию, все сияние – включая звезду, которая его создала. От него не может уйти даже свет. Как невидимый стежок на одежде, черная дыра создает своеобразную складку во Вселенной, плотно сворачивая вокруг себя ткань, как оболочку непроглядной тьмы. Ее можно узнать только по ее эффектам: чрезвычайным гравитационным полем и искажением, или «линзированием» пространственно-временного континуума, которое она создает.
Существование черных дыр стали признавать в 1960-х годах, а недавно его доказали изображение , сделанные такими телескопами как Event Horizon. Сейчас считают, что они находятся в центре большинства галактик, а значит, по всему космосу их могут быть миллиарды.
Однако теоретические основы их существования были описаны более ста лет назад. Как писал физик Вернер Исраэль, «к 1916 году доказательства уже нельзя было игнорировать», — но в течение десятилетий их отрицали выдающиеся ученые мира, в частности Альберт Эйнштейн, чья собственная работа привела к их открытию.
Черные дыры были слишком странными и слишком тревожными для физиков начала ХХ века, и провоцировали, по словам Исраэля, «сопротивление, граничащее с иррациональным».
Эта история иллюстрирует, почему физикам потребовалось полвека, чтобы признать реальность черных дыр.
Теория относительности
Хотя некоторые ученые предполагали существование подобных объектов под названием «темные звезды» более 200 лет назад, именно теория общей относительности Эйнштейна заложила основу для понимания того, как могут образовываться чёрные дыры.
Этот глубокий пересмотр классической физики, которая доминировала в науке и философии на протяжении веков, впервые опубликовали в октябре 1915 года. время и пространство. Однако согласно теории относительности,…
Автор фото, Ben Platts-Mills
Эйнштейн показал, что пространство и время постоянно растягиваются и искажаются массами, такими как звезды и планеты, и что это объясняет силу притяжения. , утверждал он, а «искажением» Вселенной, вызванным массой. Чем больше масса, тем больше искажение она производит, а следовательно, тем сильнее гравитационный эффект.
Когда Эйнштейн впервые опубликовал свою теорию, он не нашел ответа на свои собственные уравнения, которые дали бы ему понять все последствия его открытия. Этот шаг сделал другой ученый.
В ноябре 1915 года Карл Шварцшильд был лейтенантом артиллерии немецкой армии на Восточном фронте. Он прочитал новую теорию Эйнштейна, работая на метеостанции вблизи линии фронта, и написал ответное письмо.
Автор фото, Ben Platts-Mills
В 1939 году Эйнштейн вновь просмотрел эту задачу — разрушающаяся не может стать стабильной при критическом радиусе, определенном Шварцшильдом, и пришел к выводу, что сингулярности «не существуют в физической реальности».
Выглядит так, будто выдающийся физик в свое время почему-то не хотел – или даже был неспособен – думать о сингулярности и бесконечности, которые они содержали.
Он был такой не один.
Сэр Артур Эддингтон был секретарем Королевского астрономического общества Британии и главным поборником Эйнштейна в англоязычном мире. Он перевел общую теорию относительности английских журналов, а затем, в 1919 году, организовал экспедицию, чтобы проверить одно из ее главных предсказаний.
Он отправился на западноафриканский остров Принсипи и сделал серию фотографий во время солнечного затмения. Фотографии показали, что звезды, ставшие видимыми из-за темноты затемнения, расположены в несколько отличных положениях, чем те, в которых они видны ночью, в отсутствие Солнца. Это доказало, что сила тяготения Солнца – искривление пространства-времени – изменяет направление света звезд – именно так, как предполагала общая теория относительности. «/>
Автор фото, Ben Platts-Mills
По иронии судьбы, приложив такие усилия, чтобы продемонстрировать эффект относительности, Эддингтон, как и Эйнштейн, не смог принять ее важнейшие последствия.
В своей фундаментальной книге «Внутренняя структура звезд», опубликованной в 1926 году, он четко выразил свое предположение о том, что существование астрального тела, достаточно массивного, чтобы улавливать свет, невозможно.
Гигантская звезда Бетельгейзе, например, «не могла обладать такой высокой плотностью, как Солнце», ибо «сила притяжения была бы настолько велика, что свет не мог бы вырваться из нее», и потому, что эта масса настолько сильно искажало бы пространство и время, что «пространство замкнулось вокруг звезды, оставив нас снаружи (т.е. нигде)», писал он.
Но математика была не на его стороне.
В июле 1930 года 19-летний студент по имени Субрахманян Чандрасекар направлялся на пароходе из своей родной Индии в Англию, чтобы начать обучение в аспирантуре Кембриджского университета. Во время путешествия он провел несколько расчетов и обнаружил, что судьба умирающей звезды неизбежно зависит от ее массы.
Звезда размером с Солнце будет постепенно уменьшаться и стабилизироваться как сверхплотный «белый карлик» — но звезда, которая будет лишь немного больше, будет создавать слишком сильную гравитацию для такого постепенного уменьшения.
«Тогда я не понимал, что означало это ограничение, — писал он позже, — и не знал, чем это все закончится».
Автор фото, Ben Platts-Mills
Эддингтону не понравились эти «другие возможности», поэтому на конференции в 1935 году он озвучил свое идею .
«Различные события могут вмешаться, чтобы спасти звезду, — сказал он, — но я хочу, что существовала еще большая защита. Я считаю, что должен существовать закон природы, который бы не давал звезде вести себя таким абсурдным образом !»
В конце концов Чандрасекар получил Нобелевскую премию за работу, посвященную звездам, но на тот момент Эддингтон взял верх. Чандрасекар, еще молодой ученый, которому не хватало профессионального авторитета, отказался от спора с ним.
В 1931 году Эйнштейн и Эддингтон отреагировали подобным образом, когда бельгийский священник и физик Жорж Леметр предположил, что сама Вселенная возникла из сына. В конце концов эта идея превратилась в теорию Большого взрыва, но тогда Эддингтон назвал ее «отвратительной», а Эйнштейн сказал Леметру:
Они оба понимали разницу между научными доказательствами и личным убеждением. По словам Эйнштейна, наука имела «единственную цель – определить, что есть», а «определение того, что должно быть, не имеет к ней отношения».
Но, согласно рассказам физика Кипа Торна в 1990-х годах, сам вопрос о том, что «должно быть», определял их восприятие черных дыр. По его словам, черные дыры «нарушили интуитивное восприятие Эйнштейна и Эддингтона того, как должна вести себя наша Вселенная».
В начале ХХ века черные дыры были недоступны для наблюдения – если они не испускали ни одного света, не было возможности наблюдать за ними или узнать, что они содержат. Телескопы, которые привели к наблюдению за этими иначе невидимыми явлениями, изобретут только много десятилетий спустя. Именно поэтому Эйнштейн и Эддингтон вернулись к существующим философским предположениям о том, что считается рациональным, и о том, как работает Вселенная. >
Автор фото, Ben Platts-Mills
В письме, которое Эйнштейн написал в 1951 году, он упоминал о своем «эмоциональном или психологическом отношении» и «уверенности в рациональной природе реальности».
Он также неоднократно упоминал о своей вере в идею философа Спинозы о Боге: божественном существе, существующем во всем. Эйнштейн приписывал этому Богу красоту и «логическую простоту» Вселенной и считал, что он проявляет себя в его «законной гармонии».
Эддингтон, всю жизнь квакер, верил в Бога как в «всепроницаемую силу», которую можно отождествить с «природой». Он писал о «мистическом опыте», который объединил разум с «гармонией и красотой» более широкой Вселенной.
Но, несмотря на то, что природа была прекрасной, порой он выражал чувство отвращения к некоторым ее проявлениям — и не в последнюю очередь к людям.
Автор фото, Ben Platts-Mills
Возможно, он задумывал свое утверждение как шутка, но реакция Эддингтона на сингулярности – его желание «большей защиты» от этих «отвратительных» идей – передает ощущение отвращения, словно они были какими-то экзистенциально безобразными или грязными.
И для Эйнштейна, и для Эддингтона сингулярности были несоразмерны с красотой и гармонией, на которых основывалось их мировоззрение, и с рациональным богом, которого они видели за этим.
Оглядываясь на свою кар В дальнейшей жизни, Чандрасекар выразил такую же мистическую – хотя и эмоционально иную – реакцию на черные дыры.
«За всю мою научную жизнь, — писал он в 1975 году, — наиболее потрясающим было осознание того, что именно решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна… дает абсолютно точное представление о бесчисленном количестве массивных черных. дыр, существующих во Вселенной».
В отличие от очевидного отвращения Эйнштейна и Эддингтона, Чандрасекар описывал свое отношение как «дрожь перед прекрасным».
В той же лекции Чандрасекар процитировал физика Вернера Гайзенберга, который обсуждал с Эйнштейном чувство откровение: «Вы, наверное, тоже это почувствовали: почти пугающую простоту и целостность взаимосвязей, которые природа внезапно раскрывает перед нами и к которым ни один из нас не был подготовлен».
Ужас и благочестивое смирение перед бесконечным , конфликт между красотой и отвращением – хотя эти импульсы могут казаться очень личными, на самом деле они укоренены в долгой культурной истории. В Европе отвращение к бесконечному берет свое начало по крайней мере со времен древних греков, которые, по словам историка Тобиаса Данцига, «пытались держаться от него как можно дальше любой ценой».
Развитие телескопов в ХVII веке позволило увидеть бесконечность пугающей Вселенной.
«Вечная тишина этих бесконечных пространств наполняет меня ужасом», — писал французский эрудит Блез Паскаль в 1650-х годах.
В 1750-х годах английско-ирландский аристократ Эдмунд Берк формализовал эту духовную тревожность в концепции «возвышенного». В 1780-х годах немецкий философ Иммануил Кант – также очарованный возвышенным – называл Землю «лишь пятнышком во Вселенной». Размышляя о безграничности космоса, Кант писал:
Автор фото, Ben Platts-Mills
Другим писателем, чьи слова предвещали влияние черных дыр – странным образом – был американец Эдгар Аллан По. В своем рассказе 1841 года «Спуск в водоворот» он рассуждает о трансформационной силе бесконечности, когда безымянный рассказчик смотрит на ужасный водоворот и слушает рассказ о борьбе рыбака с тем же водоворотом несколько лет назад.
«Рассказы об этом водовороте». никак не подготовили меня к тому, что я видел… они не могут передать даже малейшего представления ни о величии, ни об ужасе этой сцены…», — говорит рассказчик.
Автор фото, Ben Platts-Mills
Эти описания перекликаются как с «дрожью» Чандрасекара, так и с дискомфортом.
Однако в начале ХХ века был, по крайней мере, один ученый, которого не пугали сингулярности. В сентябре 1939 года Роберт Оппенгеймер и его коллега опубликовали первую статью, описывающую черные дыры не просто как теоретические артефакты, а как реальные звездные явления.
«Когда все термоядерные источники энергии будут исчерпаны, – писали они, – достаточно тяжелая звезда разрушится».
В случае величайших звезд, без вмешательства других факторов, коллапс длился бы бесконечно долго, и звезда отделила бы себя от остальной Вселенной. Некоторые назвали эту статью крупнейшим вкладом Оппенгеймера в науку, но к тому времени ее едва заметили.
В тот же месяц, когда ее опубликовали, нацисты вторглись в Польшу, и в октябре 1941 года Оппенгеймер был привлечен к руководству разработкой атомной бомбы. Он никогда не возвращался к теме гравитационного коллапса.
Хотя он не связывал его непосредственно с черными дырами, Оппенгеймер часто говорил о чувстве благоговения и дезориентации в своей работе. В одной характерной речи 1960 он сказал, повторяя слова Гайзенберга: «К новым знаниям присоединяется страх. И застает людей неготовыми к борьбе с ним».
В 1965 году он фактически приравнял страх к величию открытия.
«Я слышал от некоторых выдающихся людей нашего времени, — писал он, — что когда они открывали что-то поразительное…»
Автор фото, Ben Platts-Mills
Хотя они по-разному реагировали на доказательства, находившиеся перед ними, этих ученых – от Эйнштейна до Тепенгеда что в важнейших вопросах они руководствовались своими чувствами.
Но эти же чувства их и отличали. Когда Эйнштейн чувствовал неуверенность, он становился аккуратным. Эддингтон чувствовал сразу. Чандрасекар тянулся к возвышенному. Наконец-то Оппенгеймер мог приветствовать то, что его пугало, мог понять это как признак трансцендентности. Как скоро узнал мир – благодаря созданной им бомбе, – страх не сдержал его стремления к открытиям.
Даже сегодня черные дыры продолжают вызывать противоречивые эмоции. Цього року команда австралійських астрономів ідентифікувала найяскравіший відомий об’єкт у Всесвіті – масивну чорну діру, оточену газоподібним «акреційним диском» діаметром сім світлових років.
Цей диск приблизно у 500 трильйонів разів яскравіший за Сонце і містить міжзоряну грозу з температурою 10 000C і вітер такої швидкості, що здатен облетіти Землю за секунду. Діра в його центрі щодня поглинає еквівалент сонячної маси.
В інтерв’ю в лютому керівник групи Крістіан Вольф повторив реакцію своїх попередників: радість від нового відкриття, але також «шок і благоговіння, коли уявляєш це пекельне місце… уявляєш ці умови і те, що природа створює щось іще більш екстремальне, ніж ми передбачали раніше».
Автор фото, Ben Platts-Mills
Чорна діра — загадка без розгадки. З неї не може вийти жодне світло, жодна енергія в будь-якій формі: ані звук, ані зображення, ані сигнал — нічого, за допомогою чого можна було б дослідити чи зрозуміти те, що міститься всередині.
Фактично, навіть з реальними астрономічними чорними дірами, які зараз спостерігають, досі існує імовірність того, що Ейнштейн мав рацію – що всередині них немає сингулярності, – бо наразі немає способу дізнатися це безпосередньо.
Але якщо чорні діри такі, як вважають більшість фізиків, то вони бездонні та нескінченно ведуть всередину себе. Їх не можна усвідомити за визначенням. Вони втілюють нескінченність темряви та руйнування: протилежність просвітленню.
Вони є випробуванням як мужності, так і розуму — темна калюжа, в якій ми бачимо відображення космосу та самих себе.
Бен Платтс-Міллс — письменник і художник, який досліджує, як наука представлена в популярній культурі. Його мемуари Tell Me The Planets були опубліковані в 2018 році.
Редактор — Річард Фішер.
