Падение внутрь черной дыры неоднократно использовалось авторами жанра научной фантастики в самых волнующих эпизодах. На самом деле, черные дыры уже перекочевали из области научной фантастики в область строгой науки. Есть веские основания полагать, что черные дыры реально существуют. Наблюдения подтверждают, что черные дыры имеются в нашей собственной Галактике; еще больше их может быть в других галактиках.

Особенно часто научные фантасты рассуждают о том, что произойдет с путешественником, попавшим в черную дыру. Обычно авторы в своих фантазиях доходят до того, что при падении во вращающуюся черную воронку вы можете проникнуть через небольшое отверстие в пространстве-времени в другую область Вселенной. Это, конечно, открывает широкие возможности для космических путешествий. Действительно, для полетов к другим звездам, не говоря уже о других галактиках, нам нужно что-то в этом роде. Иначе путешествие туда и обратно займет не меньше восьми лет, даже до ближайшей звезды. Ведь наш корабль не может двигаться быстрее скорости света. О том, чтобы провести выходные на Альфа Центавра, даже и не мечтайте! С другой стороны, если пройти через черную дыру, то можно вынырнуть где угодно. Маршрут вашего путешествия будет весьма неопределенным: вы можете направиться на каникулы в созвездие Девы, а попадете в Крабовидную туманность.

Я прошу прощения, но мне придется расстроить будущих галактических туристов: этот сценарий не работает. Если вы прыгнете в черную дыру, вас тут же разорвет на части. Есть, правда, вероятность того, что частицы, из которых состоит ваше тело, выживут и попадут в другую вселенную. Не знаю, насколько это послужит утешением путешественнику, который в этой дыре превратится в спагетти.

Несмотря на довольно легкомысленный тон, с которым я начал эту главу, то, что я скажу дальше, основано на строгих научных данных. С недавних пор мою точку зрения разделяют и другие ученые, работающие в этой области. Конец этой главы, однако, посвящен проблеме, вокруг которой все еще ведутся споры. И интерес к ней постоянно растет.

Идея объекта, который мы сейчас называем черной дырой, родилась более двухсот лет тому назад, хотя сам термин «черная дыра» был введен в 1967 году американским физиком Джоном Уилером. Это был гениальный ход: уже само имя гарантировало, что черные дыры станут непременным атрибутом научно-фантастической литературы. Для исследователей тоже был прок: объекты, которые раньше именовались как попало, получили звучное имя. А в науке очень важно дать хорошее имя тому, что вы собираетесь исследовать.

Насколько я знаю, первый человек, который заговорил о черных дырах, был Джон Митчелл, ученый из Кембриджа. Он написал статью об этом в 1783 году. Представьте, что вы стреляете из пушки вертикально вверх с поверхности Земли. Полет ядра, стремящегося вверх, будет замедляться силами гравитации. В конце концов оно прекратит полет и упадет обратно на Землю. Если же ядро отправится в полет со скоростью, превышающей некую критическую скорость, оно никогда не остановит своего полета и не упадет, а продолжит улетать прочь. Эта критическая скорость называется скоростью убегания. Для Земли эта скорость равна примерно одиннадцать, а для Солнца – сто шестьдесят километров в секунду. Обе эти скорости превышают возможную скорость полета пушечного ядра, но они намного меньше скорости света, которая составляет 300 000 кмс. Это означает, что гравитация не сильно влияет на свет: свет без труда покидает и Землю, и Солнце. Но Митчелл рассуждал так: возможно, существуют звезды, которые существенно массивнее и гораздо меньше по размерам, так что скорость убегания от них превышает скорость света. Мы не сможем увидеть такую звезду, потому что свет с ее поверхности не дойдет до нас – его вернет назад гравитационное поле звезды. Однако мы в состоянии обнаружить присутствие такой звезды по влиянию ее гравитационного поля на окружающее вещество.

Конечно, свет – это вам не пушечное ядро. Эксперимент, проведенный в 1897 году, показал, что свет движется всегда с постоянной скоростью. Каким же образом притяжение может затормозить свет? Стройная теория о влиянии гравитации на свет появилась только в 1915 году, когда Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности (ОТО). Однако возможности ее применения к старым звездам и другим массивным телам осознали только в 1960-е годы.

Согласно ОТО пространство и время совместно можно рассматривать как четырехмерное пространство, называемое пространством-временем. Это пространство не является плоским: оно искривлено, или изогнуто, находящимися в нем веществом и энергией. Мы замечаем эту кривизну, наблюдая отклонения света или радиоволн, которые проходят мимо Солнца в направлении к Земле. Когда свет проходит мимо Солнца, он очень мало отклоняется от прямого пути. Однако если бы Солнце сжалось до нескольких километров в поперечнике, отклонение было бы настолько большим, что свет не смог бы покинуть Солнце, а был бы притянут к нему его гравитационным полем. Согласно теории относительности ничто не может двигаться быстрее скорости света; поэтому появится такая область, которую никто и ничто не сможет покинуть. Эта область и называется черной дырой, а ее граница – горизонтом событий. Этот горизонт создается светом, который не в силах покинуть черную дыру и поэтому «парит» на этом горизонте.

Может показаться смешным, что Солнце могло бы сжаться до нескольких километров в диаметре. Неужели материя может так сильно сжиматься? Оказывается, может.

Солнце такое большое, потому что оно такое горячее. Оно превращает водород в гелий, как это происходит в водородной бомбе. Тепло, выделяемое при этом, создает давление, позволяющее Солнцу противостоять собственной гравитации, которая стремится его сжать.

Запас ядерного топлива на Солнце когда-нибудь закончится. Но не торопитесь заказывать билеты на другие звезды: Солнце будет радовать нас еще примерно пять миллиардов лет. Однако звезды массивнее Солнца сожгут свое горючее гораздо быстрее. Как только звездная топка погаснет, звезда сразу начнет остывать и сжиматься. Если ее масса не превышает двух масс Солнца, когда-нибудь она прекратит сжиматься и будет пребывать в стабильном состоянии. Одно из таких состояний называется белым карликом. Такой карлик имеет радиус несколько тысяч километров и плотность несколько сотен тонн на кубический сантиметр. Другое возможное состояние – нейтронная звезда. Радиус нейтронной звезды составляет порядка десяти километров, а плотность – миллионы тонн на кубический сантиметр.

В нашей Галактике по соседству мы можем наблюдать множество белых карликов. Нейтронные звезды удалось обнаружить только в 1967 году, когда Джоселин Белл и Энтони Хьюиш в Кембридже открыли объекты, названные пульсарами. Эти объекты излучали регулярные импульсы на радиочастотах. Вначале ученые подумали, что установили контакт с внеземной цивилизацией. Я помню, что конференц-зал, в котором они рассказывали о своем открытии, был украшен фигурками «маленьких зеленых человечков». Но в конце концов все пришли к менее романтическому выводу: обнаруженные объекты оказались вращающимися нейтронными звездами. Это было плохой новостью для авторов космических вестернов, но хорошей новостью для нас, ученых, которые верили в существование черных дыр. Если звезда может сжаться до радиуса в десять или двадцать километров, чтобы стать нейтронной звездой, то тогда от других звезд можно ожидать, что они сожмутся до черной дыры.

Из звезды с массой более двух солнечных масс не получится ни белого карлика, ни нейтронной звезды. Иногда звезда может взорваться и сбросить лишний вес. Но такое случается редко. Некоторые звезды сожмутся чрезвычайно, и их гравитационное поле будет искривлять свет настолько, что он будет возвращаться на звезду. Ни свет, ни что-либо другое не вырвется за пределы звездного притяжения. Звезда станет черной дырой.

Законы физики симметричны относительно направления времени. Поэтому если существуют черные дыры, в которые все проваливается, но из которых ничего не выбирается, должны быть и другие объекты, которые настроены только на «выход», а «вход» в них закрыт. Вполне можно назвать такие объекты белыми дырами. Можно пофантазировать и представить себе, как мы прыгаем в черную дыру в одном месте, а вылетаем из белой дыры в другом. Это был бы самый лучший способ путешествовать на дальние расстояния, о чем мы упоминали раньше. Все, что остается сделать, дабы отправиться в такое путешествие, – отыскать ближайшую черную дыру.

Вначале такие космические путешествия не выглядели как нечто невероятное. Существуют решения уравнений ОТО, которые предполагают возможность входа в черную дыру и последующего выхода из белой дыры. Однако позднее было показано, что все эти решения являются очень неустойчивыми: малейшее возмущение, например, от самого космического корабля, и «кротовая нора» разрушится (кротовая нора – переход, ведущий из черной дыры в белую). Космический корабль будет разорван в клочья бесконечно мощными силами. Путешествие в бочонке, летящем вниз с водопада Ниагара, лишь бледное подобие того, что вас может ожидать в кротовой норе[46].

Иллюзии разрушились. Черные дыры могут пригодиться лишь для того, чтобы избавиться от мусора и в крайнем случае – от надоедливых друзей. И теперь черная дыра стала «страной, откуда ни один не возвращался»[47]. Все, что я говорил до сих пор, было основано на расчетах с использованием ОТО. Теория находится в прекрасном согласии со всеми наблюдениями, которыми мы располагаем. Но все же до конца верной она быть не может, потому что не включает в себя квантовомеханический принцип неопределенности: мы не можем знать одновременно точное положение и точную скорость частицы. Чем более точно мы измеряем ее скорость, тем более «расплывчатым» становится ее положение, и наоборот.

В 1973 году я попытался соединить принцип неопределенности и теорию черных дыр. К моему, и не только моему, удивлению выяснилось, что введение принципа неопределенности делает черные дыры не вполне черными. Оказалось, что они могут испускать из себя излучение и частицы в достаточно устойчивом режиме. Когда я представил свои результаты на конференции, проходившей в пригороде Оксфорда, никто не поверил. Председатель сессии сказал, что это полнейшая чепуха, и даже написал разгромную статью о моем выступлении. Но потом нашлись люди, которые повторили мои расчеты и получили тот же результат. В конце концов даже председатель вынужден был согласиться, что я прав.

Как может излучение вырываться из гравитационного поля черной дыры? Есть несколько путей осмысления этого эффекта. Хотя они кажутся разными, принцип один и тот же. Один путь – признать, что принцип неопределенности разрешает частицам двигаться быстрее света на коротких расстояниях. Благодаря этому частицы и излучение проникают за горизонт событий и выскальзывают из объятий черной дыры. Это один из способов бегства. Но то, что сумело вырваться из черной дыры, отличается от того, что попало в ее плен. Одинаковой будет только энергия.

Поскольку черная дыра испускает частицы и излучение, она будет терять массу. Дыра будет становиться меньше, а частицы при этом терять быстрее. В конце концов она потеряет всю свою массу и исчезнет полностью. Что случится с теми объектами, включая космические корабли, которые попали в ее черную паутину? Согласно одной из моих последних работ, они окажутся в своей собственной, только что появившейся на свет вселенной. Маленькая автономная вселенная ответвится от нашей Вселенной. Эта новорожденная вселенная может вновь соединиться с нашей областью пространства-времени. Если это произойдет, нам будет казаться, что еще одна черная дыра возникла и затем испарилась. Частицы, которые упали на одну черную дыру, появятся в виде частиц, излученных другой дырой, и наоборот.

Казалось бы, это именно то, что нам нужно для космических путешествий сквозь черные дыры. Вы только направьте свой корабль в подходящую. Лучше выбрать экземпляр побольше, иначе гравитационные силы сделают из вас спагетти прежде, чем вы окажетесь внутри. Вам останется только надеяться, что вы выберетесь наружу через какую-нибудь другую дыру, но выбор будет уже не за вами.

Но в этой трансгалактической транспортной системе существуют свои подводные камни. Молодые вселенные, поглотившие частицы, упавшие в черную дыру, возникают в воображаемом времени. В реальном времени для астронавта, попавшего в черную дыру, наступят черные времена. Силы гравитации не пощадят его… Не выживут даже частицы, из которых состояло его тело. В реальном времени эти частицы закончат свой путь в сингулярности. Но в воображаемом времени эти же самые частицы продолжат свое существование. Они попадут в юную вселенную и вновь появятся в виде частиц, излученных другой черной дырой. В некотором смысле астронавт перенесется в другую область Вселенной. Но совокупность этих частиц не обязательно примет форму астронавта. И для него, попавшего в сингулярность в реальном времени, вряд ли послужит утешением то, что его составные части выживут в воображаемом времени. Девизом всякого, попавшего в черную дыру, должно быть: «Подключи воображение».

Как же найти то место, где воскреснут частицы? Количество частиц в новорожденной вселенной будет равно количеству частиц, упавших в черную дыру, плюс количество частиц, излученных черной дырой во время испарения. Это означает, что частицы, упавшие в одну черную дыру, выберутся наружу из другой черной дыры примерно той же массы. Таким образом, можно попытаться выбрать точку выхода, создав черную дыру той же массы, как и та, куда падали частицы. Однако новая черная дыра охотно будет испускать любую другую совокупность частиц с той же общей энергией. Даже если новая черная дыра излучит нужную совокупность частиц, никто не гарантирует, что это будут те же самые частицы, которые упали на старую дыру. Частицы не носят с собой удостоверений личности, и все частицы одного вида похожи друг на друга.

Все вышесказанное свидетельствует о том, что проход сквозь черные дыры вряд ли станет популярным и надежным способом космических путешествий. Во-первых, путешествие будет проходить в воображаемом времени, а на реальное время вам придется махнуть рукой: вас там просто не будет. Во-вторых, пункт назначения выбирать будете не вы. Это похоже на то, как осуществляют перелеты некоторые авиакомпании, которые я могу назвать.

Хотя для космических путешествий молодые вселенные вряд ли пригодятся, их можно с успехом использовать для попыток создания всеобъемлющей единой теории, которая опишет все во Вселенной. Существующие теории содержат целый ряд величин; среди них, например, величина электрического заряда частицы. Наши теории не могут предсказать значения этих величин. Их приходится выбирать, чтобы согласовать с результатами наблюдений. Большинство ученых все-таки склонны верить, что существует такая теория, которая объяснит и предскажет все.

И такая теория вполне может существовать. Наилучшим претендентом на эту роль является теория гетерозисных суперструн. Идея заключается в том, что пространство-время заполнено небольшими петлями, напоминающими фрагменты струн. То, что мы принимаем за элементарные частицы, есть не что иное, как маленькие петли-струны, вибрирующие в разных тональностях. Эта теория не содержит никаких числовых параметров, требующих настройки. Можно ожидать, что эта единая теория будет способна предсказать все значения величин (в том числе электрический заряд частицы), которые современные теории определить не могут. Хотя эта теория суперструн пока еще не способна прогнозировать все, многие надеются, что со временем она дорастет до этого.

Если представленная картина молодых вселенных верна, наша способность предсказывать эти величины будет ограниченной. Дело в том, что мы не можем знать, сколько молодых вселенных, ждущих своей очереди присоединиться к обитаемой нами области, существуют в необъятных просторах. Могут быть вселенные-малютки, состоящие всего из нескольких частиц. Они так малы, что мы даже не заметим, вздумай они присоединиться к нам или ответвиться. Присоединившись, они изменят видимые значения величин (например, электрический заряд частицы). Мы не сможем предсказать, какими будут видимые значения этих величин, так как мы не знаем точное число молодых вселенных, ожидающих своей очереди. Мы можем столкнуться даже со взрывом рождаемости таких малюток. В отличие от человечества перед этой популяцией не стоит таких проблем, как дефицит продуктов или проблемы с жилплощадью. Юные вселенные обитают в своих собственных мирах. Эта проблема сродни известной головоломке: сколько танцующих ангелов смогут удержаться на кончике иглы?[48]

Некоторая, хотя и небольшая степень неопределенности все же будет присутствовать в оценках величин большинства параметров, характеризующих молодые вселенные. Однако рассмотренный подход может объяснить наблюдаемое значение одной очень важной величины, так называемой космологической постоянной. В уравнения ОТО этот член был введен для описания присущего пространству-времени свойства расширения или сжатия. Изначально предложенная Эйнштейном величина космологической постоянной была очень мала; он надеялся, что этого будет достаточно для модели стационарной Вселенной. Надежды рухнули, когда было открыто расширение Вселенной. Но не так-то просто было отречься от идеи космологической постоянной. Можно было предположить, что ее значение сильно вырастет, если ввести квантовомеханические флуктуации. Но расширение Вселенной все-таки говорит о том, что космологическая постоянная очень мала. Это есть наблюдательный факт, который вплоть до настоящего времени не получил удовлетворительного объяснения. Гроздья молодых вселенных, которые то отпочковываются, то присоединяются к нашей, будут влиять на видимое значение космологической постоянной. Точного значения этой постоянной мы знать не можем, так как не в состоянии дать прогноз относительно возможного урожая. Но, очевидно, наиболее вероятное значение космологической постоянной близко к нулю. Можно сказать, что нам повезло, потому что только такая вселенная, с очень маленькой космологической постоянной, является подходящей для живых существ, подобных нам.

Итак, что же мы имеем? Частицы падают в черную дыру, черная дыра испаряется и исчезает из нашей области Вселенной. Эти частицы попадают в молодую вселенную, которая отпочковывается от нашей. Потом эта вселенная может вновь присоединиться к нам в каком-нибудь другом месте. Вряд ли этот сценарий поможет нам в планировании космических путешествий. Скорее, он свидетельствует о том, что даже при условии создания единой теории поля нам не удастся понять и объяснить все, что хотелось бы. С другой стороны, мы сейчас можем предложить удовлетворительное объяснение результатов измерений некоторых величин, например космологической постоянной. За последние несколько лет проблемой молодых вселенных заинтересовались многие. Не думаю, чтобы кто-то сказочно разбогател, запатентовав молодые вселенные как средство перемещения по космическим просторам. Но несомненно, что именно они станут полем для интереснейших научных исследований.