Элементарные частицы и силы в природе

Аристотель считал, что вещество во Вселенной состоит из четырех основных элементов – земли, воздуха, огня и воды, на которые действуют две силы: сила тяжести, влекущая землю и воду вниз, и сила легкости, под действием которой огонь и воздух стремятся вверх. Такой подход к строению Вселенной, когда все делится на вещество и силы, сохраняется и по сей день.

По Аристотелю, вещество непрерывно, т. е. любой кусок вещества можно бесконечно дробить на все меньшие и меньшие кусочки, так и не дойдя до такой крошечной крупинки, которая дальше бы уже не делилась. Однако некоторые другие греческие философы, например Демокрит, придерживались мнения, что материя по своей природе имеет зернистую структуру и все в мире состоит из большого числа разных атомов (греческое слово «атом» означает неделимый). Проходили века, но спор продолжался без всяких реальных доказательств, которые подтверждали бы правоту той или другой стороны. Наконец, в 1803 г. английский химик и физик Джон Дальтон показал, что тот факт, что химические вещества всегда соединяются в определенных пропорциях, можно объяснить, предположив, что атомы объединяются в группы, которые называются молекулами. Однако до начала нашего века спор между двумя школами так и не был решен в пользу атомистов. В разрешение этого спора очень важный вклад внес Эйнштейн. В своей статье, написанной в 1905 г., за несколько недель до знаменитой работы о специальной теории относительности, Эйнштейн указал на то, что явление, носящее название броуновского движения, – нерегулярное, хаотическое движение мельчайших частичек, взвешенных в воде, – можно объяснить ударами атомов жидкости об эти частички.

К тому времени уже имелись некоторые основания подумывать о том, что и атомы тоже не неделимы. Несколькими годами раньше Дж. Дж. Томсон из Тринити‑колледжа в Кембридже открыл новую частицу материи – электрон, масса которого меньше одной тысячной массы самого легкого атома. Экспериментальная установка Томсона немного напоминала современный телевизионный кинескоп. Раскаленная докрасна металлическая нить служила источником электронов. Поскольку электроны заряжены отрицательно, они ускорялись в электрическом поле и двигались в сторону экрана, покрытого слоем люминофора. Когда электроны падали на экран, на нем возникали вспышки света. Вскоре стало понятно, что эти электроны должны вылетать из атомов, и в 1911 г. английский физик Эрнст Резерфорд наконец доказал, что атомы вещества действительно обладают внутренней структурой: они состоят из крошечного положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг пего электронов. Резерфорд пришел к этому выводу, изучая, как отклоняются альфа‑частицы (положительно заряженные частицы, испускаемые атомами радиоактивных веществ) при столкновении с атомами.

Вначале думали, что ядро атома состоит из электронов и положительно заряженных частиц, которые назвали протонами (от греческого слово «протос» – первичный), потому что протоны считались теми фундаментальными блоками, из которых состоит материя. Однако в 1932 г. Джеймс Чедвик, коллега Резерфорда по Кембриджскому университету, обнаружил, что в ядре имеются еще и другие частицы – нейтроны, масса которых почти равна массе протона, но которые не заряжены. За это открытие Чедвик был удостоен Нобелевской премии и выбран главой Конвилл‑энд‑Кайус‑колледжа Кембриджского университета (колледж, в котором я сейчас работаю). Потом ему пришлось отказаться от этого поста из‑за разногласий с сотрудниками. В колледже постоянно происходили ожесточенные споры, которые начались с тех пор, как после войны группа вернувшейся молодежи проголосовала против того, чтобы старые сотрудники оставались на своих должностях, которые они уже много лет занимали. Все это происходило еще до меня; я начал работать в колледже в 1965 г. и застал самый конец борьбы, когда другой глава колледжа, нобелевский лауреат Невилл Мотт, вынужден был тоже уйти в отставку.

Еще лет двадцать назад протоны и нейтроны считались «элементарными» частицами, но эксперименты по взаимодействию протонов и электронов, движущихся с большими скоростями, с протонами показали, что на самом деле протоны состоят из еще более мелких частиц. Мюррей Гелл‑Манн, теоретик из Калифорнийского технологического института, назвал эти частицы кварками. В 1969 г. за исследование кварков Гелл‑Манн был удостоен Нобелевской премии. Название «кварк» взято из заумной стихотворной строки Джеймса Джойса: «Три кварка для мастера Марка!». По идее, слово quark должно произноситься так же, как слово quart (куорт), в которой буква t на конце заменена буквой k, но обычно его произносят так, что оно рифмуется со словом lark.

Известно несколько разновидностей кварков: предполагают, что существует по крайней мере шесть «ароматов», которым отвечают u‑кварк, d‑кварк, странный кварк, очарованный кварк, b‑кварк и t‑кварк. Кварк каждого «аромата» может быть еще и трех «цветов» – красного, зеленого и синего. (Следует подчеркнуть, что это просто обозначения, так как размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому цвета в обычном смысле слова у них нет. Дело просто в том, что современным физикам нравится придумывать названия новых частиц и явлений, не ограничивая больше свою фантазию греческим алфавитом). Протон и нейтрон состоят из трех кварков разных «цветов». В протоне содержится два u‑кварка и один d‑кварк, в нейтроне – два d‑кварка и один u‑кварк. Частицы можно строить и из других кварков (странного, очарованного, b и t), но все эти кварки обладают гораздо большей массой и очень быстро распадаются на протоны и нейтроны.

Мы уже знаем, что ни атомы, ни находящиеся внутри атома протоны с нейтронами не являются неделимыми, а потому возникает вопрос: что же такое настоящие элементарные частицы – те исходные кирпичи, из которых все состоит? Поскольку длины световых волн существенно больше размеров атома, у нас нет надежды «увидеть» составные части атома обычным способом. Для этой цели необходимы значительно меньшие длины волн. В предыдущей главе мы узнали, что, согласно квантовой механике, все частицы на самом деле являются еще и волнами и чем выше энергия частицы, тем меньше соответствующая длина волны. Таким образом, наш ответ на поставленный вопрос зависит от того, насколько высока энергия частиц, имеющихся в нашем распоряжении, потому что ею определяется насколько мал масштаб тех длин, которые мы сможем наблюдать. Единицы, в которых обычно измеряется энергия частиц, называются электронвольтами. (Томсон в своих экспериментах для ускорения электронов использовал электрическое поле. Электронвольт – это энергия, которую приобретает электрон в электрическом поле величиной 1 вольт). В XIX в., когда умели использовать только частицы с энергиями в несколько электронвольт, выделяющимися в химических реакциях типа горения, атомы считались самыми мелкими частями материи. В экспериментах Резерфорда энергии альфа‑частиц составляли миллионы электронвольт. Затем мы научились с помощью электромагнитных полей разгонять частицы сначала до энергий в миллионы, а потом и в тысячи миллионов электронвольт. Так мы узнали, что частицы, которые двадцать лет назад считались элементарными, на самом деле состоят из меньших частиц. А что если при переходе к еще более высоким энергиям окажется, что и эти меньшие частицы в свою очередь состоят из еще меньших? Конечно, это вполне вероятная ситуация, но у нас сейчас есть некоторые теоретические основания считать, что мы уже владеем или почти владеем сведениями об исходных «кирпичиках», из которых построено все в природе.

Все, что есть во Вселенной, в том числе свет и гравитацию, можно описывать, исходя из представления о частицах, с учетом частично‑волнового дуализма, о котором мы говорили в предыдущей главе. Частицы же имеют некую вращательную характеристику – спин (spin – вращаться, крутиться (англ.). – прим. перев.).

Представим себе частицы в виде маленьких волчков, вращающихся вокруг своей оси. Правда, такая картина может ввести в заблуждение, потому что в квантовой механике частицы не имеют вполне определенной оси вращения. На самом деле спин частицы дает нам сведения о том, как выглядит эта частица, если смотреть на нее с разных сторон. Частица со спином 0 похожа на точку: она выглядит со всех сторон одинаково (рис. 5.1, I). Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелой: с разных сторон она выглядит по‑разному (рис. 5.1, II) и принимает тот же вид лишь после полного оборота на 360 град. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелой, заточенной с обеих сторон: любое ее положение повторяется после полуоборота (180 град.). Аналогичным образом частица с более высоким спином возвращается в первоначальное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота. Это все довольно очевидно, а удивительно другое – существуют частицы, которые после полного оборота не принимают прежний вид: их нужно дважды полностью повернуть! Говорят, что такие частицы обладают спином 1/2.

Все известные частицы во Вселенной можно разделить на две группы: частицы со спином 1/2, из которых состоит вещество во Вселенной, и частицы со спином 0, 1 и 2, которые, как мы увидим, создают силы, действующие между частицами вещества. Частицы вещества подчиняются так называемому принципу запрета Паули, открытому в 1925 г. австрийским физиком Вольфгангом Паули. В 1945 г. Паули за свое открытие был удостоен Нобелевской премии. Он являл собой идеальный пример физика‑теоретика: говорят, что одно его присутствие в городе нарушало ход всех экспериментов! Принцип Паули гласит, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии, т. е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Принцип Паули имеет крайне важное значение, так как он позволил объяснить, почему под действием сил, создаваемых частицами со спином 0, 1, 2, частицы материи не коллапсируют в состояние с очень высокой плотностью: если частицы вещества имеют очень близкие значения координат, то их скорости должны быть разными, и, следовательно, они не смогут долго находиться в точках с этими координатами. Если бы в сотворении мира не участвовал принцип Паули, кварки не могли бы объединиться в отдельные, четко определенные частицы – протоны и нейтроны, которые в свою очередь не смогли бы, объединившись с электронами, образовать отдельные, четко определенные атомы. Без принципа Паули все эти частицы сколлапсировали бы и превратились в более или менее однородное и плотное «желе».

Правильное представление об электроне и других частицах со спином 1/2 отсутствовало до 1928 г., когда Поль Дирак предложил теорию для описания этих частиц. Впоследствии Дирак получил кафедру математики в Кембридже (которую в свое время занимал Ньютон и которую сейчас занимаю я). Теория Дирака была первой теорией такого рода, которая согласовалась и с квантовой механикой, и со специальной теорией относительности. В ней давалось математическое объяснение того, почему спин электрона равен 1/2, т. е. почему при однократном полном обороте электрона он не принимает прежний вид, а при двукратном принимает. Теория Дирака предсказывала также, что у электрона должен быть партнер – антиэлектрон, или, иначе, позитрон. Открытие позитрона в 1932 г. подтвердило теорию Дирака, и в 1933 г. он получил Нобелевскую премию по физике. Сейчас мы знаем, что каждой частице соответствует античастица, с которой она может аннигилировать. (В случае частиц, обеспечивающих взаимодействие, частица и античастица – одно и то же). Могли бы существовать целые антислова и антилюди, состоящие из античастиц. Но встретив антисебя, не вздумайте поздороваться с ним за руку! Возникнет ослепительная вспышка света, и вы оба исчезнете. Чрезвычайно важен вопрос, почему вокруг нас гораздо больше частиц, чем античастиц. Мы к нему еще вернемся в этой главе.

В квантовой механике предполагается, что все силы, или взаимодействия, между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1 или 2. Частица вещества, например электрон или кварк, испускает частицу, которая является переносчиком взаимодействия. В результате отдачи скорость частицы вещества меняется. Затем частица‑переносчик налетает на другую частицу вещества и поглощается ею. Это соударение изменяет скорость второй частицы, как будто между этими двумя частицами вещества действует сила.

Частицы‑переносчики взаимодействия обладают одним важным свойством: они не подчиняются принципу запрета Паули. Это означает отсутствие ограничений для числа обмениваемых частиц, так что возникающая сила взаимодействия может оказаться большой. Но если масса частиц‑переносчиков велика, то на больших расстояниях их рождение и обмен будут затруднены. Таким образом, переносимые ими силы будут короткодействующими. Если же частицы‑переносчики не будут обладать собственной массой, возникнут дальнодействующие силы. Частицы‑переносчики, которыми обмениваются частицы вещества, называются виртуальными, потому что в отличие от реальных их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц. Однако мы знаем, что виртуальные частицы существуют, потому что они создают эффекты, поддающиеся измерению: благодаря виртуальным частицам возникают силы, действующие между частицами вещества. При некоторых условиях частицы со спинами 0, 1, 2 существуют и как реальные; тогда их можно непосредственно зарегистрировать. С точки зрения классической физики такие частицы встречаются нам в виде волн, скажем световых или гравитационных. Они иногда испускаются при взаимодействии частиц вещества, протекающем за счет обмена частицами‑переносчиками взаимодействия. (Например, электрическая сила взаимного отталкивания между двумя электронами возникает за счет обмена виртуальными фотонами, которые нельзя непосредственно зарегистрировать. Но если электроны пролетают друг мимо друга, то возможно испускание реальных фотонов, которые будут зарегистрированы как световые волны).

Частицы‑переносчики можно разделить на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия и от того, с какими частицами они взаимодействовали. Подчеркнем, что такое разделение совершенно искусственно; это схема, удобная для разработки частных теорий, ничего более серьезного в ней, вероятно, нет. Большинство физиков надеется, что в конце концов удастся создать единую теорию, в которой все четыре силы оказались бы разновидностями одной и той же силы. Многие даже видят в этом главную цель современной физики. Недавно увенчались успехом попытки объединения трех сил. В этой главе я еще собираюсь о них рассказать. О том, как обстоит дело с включением в такое объединение гравитации, мы поговорим немного позже.

Итак, первая разновидность сил – гравитационная сила. Гравитационные силы носят универсальный характер. Это означает, что всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы или энергии частицы. Гравитация гораздо слабее каждой из оставшихся трех сил. Это очень слабая сила, которую мы вообще не заметили бы, если бы не два ее специфических свойства: гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения. Следовательно, очень слабые гравитационные силы взаимодействия отдельных частиц в двух телах большого размера, таких, например, как Земля и Солнце, могут в сумме дать очень большую силу. Три остальных вида взаимодействия либо действуют только на малых расстояниях, либо являются то отталкивающими, то притягивающими, что приводит в общем к компенсации. В квантово‑механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи, переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой, и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоят Земля и Солнце, обмениваются гравитонами. Несмотря на то что в обмене участвуют лишь виртуальные частицы, создаваемый ими эффект безусловно поддается измерению, потому что этот эффект – вращение Земли вокруг Солнца! Реальные гравитоны распространяются в виде волн, которые в классической физике называются гравитационными, но они очень слабые, и их так трудно зарегистрировать, что пока это никому не удалось сделать.

Следующий тип взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, как, например, электроны и кварки, но не отвечают за взаимодействие таких незаряженных частиц, как гравитоны. Электромагнитные взаимодействия гораздо сильнее гравитационных: электромагнитная сила, действующая между двумя электронами, примерно в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с сорока двумя нулями) раз больше гравитационной силы. Но существуют два вида электрического заряда – положительный и отрицательный. Между двумя положительными зарядами так же, как и между двумя отрицательными, действует сила отталкивания, а между положительным и отрицательным зарядами – сила притяжения. В больших телах, например в Земле или Солнце, содержание положительных и отрицательных зарядов почти одинаково, и, следовательно, силы притяжения и отталкивания почти компенсируют друг друга, и остается очень малая чисто электромагнитная сила. Однако в малых масштабах атомов и молекул электромагнитные силы доминируют. Под действием электромагнитного притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами в ядре электроны в атоме вращаются вокруг ядра в точности так же, как под действием гравитационного притяжения Земля вращается вокруг Солнца. Электромагнитное притяжение описывается как результат обмена большим числом виртуальных безмассовых частиц со спином 1, которые называются фотонами. Как и в случае гравитонов, фотоны, осуществляющие обмен, являются виртуальными, но при переходе электрона с одной разрешенной орбиты на другую, расположенную ближе к ядру, освобождается энергия, и в результате испускается реальный фотон, который при подходящей длине волны можно наблюдать человеческим глазом как видимый свет, или же с помощью какого‑нибудь детектора фотонов, например фотопленки. Аналогичным образом при соударении реального фотона с атомом может произойти переход электрона с одной орбиты на другую, более далекую от ядра. Этот переход происходит за счет энергии фотона, который поглощается атомом. Взаимодействие третьего типа называется слабым взаимодействием. Оно отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином 1/2, но в нем не участвуют частицы со спином 0, 1, 2 – фотоны и гравитоны. До 1967 г. свойства слабых сил были плохо изучены, а в 1967 г. Абдус Салам, теоретик из Лондонского Империал‑колледжа, и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета одновременно предложили теорию, которая объединяла слабое взаимодействие с электромагнитным аналогично тому, как на сто лет раньше Максвелл объединил электричество и магнетизм. Вайнберг и Салам высказали предположение о том, что в дополнение к фотону существуют еще три частицы со спином 1, которые все вместе называются тяжелыми векторными бозонами и являются переносчиками слабого взаимодействия. Эти бозоны были обозначены символами W+, W– и Z0, масса каждого из них составляла 100 ГэВ (ГэВ означает гигаэлектронвольт, т. е. тысяча миллионов электронвольт). Теория Вайнберга‑Салама обладает свойством так называемого спонтанного нарушения симметрии. Оно означает, что частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях оказываются на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Это в каком‑то смысле похоже на поведение шарика при игре в рулетку. При всех высоких энергиях (т. е. при быстром вращении колеса) шарик ведет себя всегда почти одинаково – безостановочно вращается. Но когда колесо замедлится, энергия шарика уменьшается, и в конце концов он проваливается в одну из тридцати семи канавок, имеющихся на колесе. Иными словами, при низких энергиях шарик может существовать в тридцати семи состояниях. Если бы мы почему‑либо могли наблюдать шарик только при низких энергиях, то считали бы, что существует тридцать семь разных типов шариков!

Теория Вайнберга‑Салама предсказывала, что при энергиях, значительно превышающих 100 ГэВ, три новые частицы и фотон должны вести себя одинаково, а при более низких энергиях частиц, т. е. в большинстве обычных ситуаций, эта «симметрия» должна нарушаться. Массы W+, W– и Z0 бозонов предсказывались большими, чтобы создаваемые ими силы имели очень малый радиус действия. Когда Вайнберг и Салам выдвинули свою теорию, им мало кто верил, а на маломощных ускорителях тех времен невозможно было достичь энергии в 100 ГэВ, необходимой для рождения реальных W+, W– и Z0 частиц. Однако лет через десять предсказания, полученные в этой теории при низких энергиях, настолько хорошо подтвердились экспериментально, что Вайнбергу и Саламу была присуждена Нобелевская премия 1979 г. совместно с Шелдоном Глэшоу (тоже из Гарварда), который предложил похожую единую теорию электромагнитных и слабых ядерных взаимодействии. Комитет по Нобелевским премиям был избавлен от неприятностей, которые могли бы возникнуть, если бы оказалось, что он совершил ошибку сделанным в 1983 г. в ЦЕРНе открытием трех массивных партнеров фотона с правильными значениями массы и другими предсказанными характеристиками. Карло Руббиа, возглавивший группу из нескольких сотен физиков, которым принадлежало это открытие, получил Нобелевскую премию 1984 г., присужденную ему совместно с инженером ЦЕРНа Симоном Ван дер Меером, автором проекта накопителя античастиц, использованного в эксперименте. (В наше время чрезвычайно трудно оставить свой след в экспериментальной физике, разве что вы уже на вершине!).

Сильное ядерное взаимодействие представляет собой взаимодействие четвертого типа, которое удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Переносчиком сильного взаимодействия считается еще одна частица со спином 1, которая называется глюоном.

Глюоны взаимодействуют только с кварками и с другими глюонами. У сильного взаимодействия есть одно необычайное свойство – оно обладает конфайнментом (confinement – ограничение, удержание (англ.). – прим. ред.).

Конфайнмент состоит в том, что частицы всегда удерживаются в бесцветных комбинациях. Один кварк не может существовать сам по себе, потому что тогда он должен был бы иметь цвет (красный, зеленый или синий). Поэтому красный кварк должен быть соединен с зеленым и синим посредством глюонной «струи» (красный + зеленый + синий = белый). Такой триплет оказывается протоном или нейтроном. Существует и другая возможность, когда кварк и антикварк объединяются в пару (красный + антикрасный, или зеленый + антизеленый, или синий + антисиний = белый). Такие комбинации входят в состав частиц, называемых мезонами. Эти частицы нестабильны, потому что кварк и антикварк могут аннигилировать друг с другом, образуя электроны и другие частицы. Аналогичным образом, один глюон не может существовать сам по себе из‑за конфайнмента, потому что глюоны тоже обладают цветом. Следовательно, глюоны должны группироваться таким образом, чтобы их цвета в сумме давали белый цвет. Описанная группа глюонов образует нестабильную частицу – глюбол.

Мы не можем наблюдать отдельный кварк или глюон из‑за конфайнмента. Не означает ли это, что само представление о кварках и глюонах как о частицах несколько метафизично? Нет, потому что сильное взаимодействие характеризуется еще одним свойством, которое называется асимптотической свободой. Благодаря этому свойству понятие кварков и глюонов становится вполне определенным. При обычных энергиях сильное взаимодействие действительно является сильным и плотно прижимает кварки друг к другу. Но, как показывают эксперименты на мощных ускорителях, при высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает и кварки и глюоны начинают вести себя почти как свободные частицы. На рис. 5.2 представлен фотоснимок столкновения протона и антипротона высокой энергии. Мы видим, что несколько почти свободных кварков, родившихся в результате взаимодействия, образовали «струи» треков, которые видны на фотографии.

Итогом успешного объединения электромагнитного и слабого взаимодействий стали попытки соединить эти два вида взаимодействий с сильным взаимодействием, чтобы в результате получилась так называемая теория великого объединения. В этом названии есть некоторое преувеличение: во‑первых, теории великого объединения не такие уж великие, а во‑вторых, они не объединяют полностью все взаимодействия, потому что в них не входит гравитация. Кроме того, все эти теории на самом деле неполны, потому что содержат параметры, которые нельзя предсказать теоретически и которые надо вычислять, сравнивая теоретические и экспериментальные результаты. Тем не менее такие теории могут стать шагом к полной теории объединения, охватывающей все взаимодействия. Основная идея построения теорий великого объединения состоит в следующем: как уже говорилось, сильные взаимодействия при высоких энергиях становятся слабее, чем при низких. В то же время электромагнитные и слабые силы асимптотически не свободны, и при высоких энергиях они растут. Тогда при каком‑то очень большом значении энергии – при энергии великого объединения – эти три силы могли бы сравняться между собой и стать просто разновидностями одной и той же силы. Теории великого объединения предсказывают, что при этой энергии разные частицы вещества со спином 1/2, такие, как кварки и электроны, тоже перестали бы различаться, что было бы еще одним шагом к объединению.

Значение энергии великого объединения не очень хорошо известно, но оно должно составлять по меньшей мере тысячу миллионов миллионов ГэВ. В ускорителях современного поколения сталкиваются частицы с энергиями около 100 ГэВ, а в будущих проектах эта величина должна возрасти до нескольких тысяч ГэВ. Но для ускорения частиц до энергии великого объединения нужен ускоритель размером с Солнечную систему. Маловероятно, чтобы в нынешней экономической ситуации кто‑нибудь решился ее финансировать. Вот почему невозможна непосредственная экспериментальная проверка теорий великого объединения. Но здесь, как и в случае электрослабой единой теории, существуют низкоэнергетические следствия, которые можно проверить.

Самое интересное из таких следствии то, что протоны, составляющие большую часть массы обычного вещества, могут спонтанно распадаться на более легкие частицы, такие, как антиэлектроны. Причина в том, что при энергии великого объединения нет существенной разницы между кварком и антиэлектроном. Три кварка внутри протона обычно не обладают достаточным количеством энергии для превращения в антиэлектроны, но один из кварков может совершенно случайно получить однажды энергию, достаточную для этого превращения, потому что в силу принципа неопределенности невозможно точно зафиксировать энергию кварков внутри протона. Тогда протон должен распасться, но вероятность того, что кварк будет иметь достаточную энергию, столь мала, что ждать этого придется по крайней мере миллион миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью нулями) лет, что гораздо больше времени, прошедшего с момента большого взрыва, которое не превышает десяти тысяч миллионов лет или что‑то около того (единица с десятью нулями). Отсюда напрашивается вывод, что возможность спонтанного распада протона нельзя экспериментально проверить. Можно, однако, увеличить вероятность наблюдения распада протона, изучая очень большое число протонов. (Наблюдая, например, 1 с тридцатью одним нулем протонов в течение года, можно надеяться обнаружить, согласно одной из простейших теорий великого объединения, более одного распада протона).

Несколько таких экспериментов уже выполнено, но они не дали определенных сведений о распадах протона или нейтрона. Один из экспериментов, в котором использовалось восемь тысяч тонн воды, проводился в соляной шахте штата Огайо (для того, чтобы исключить космические помехи, которые можно принять за распад протона). Поскольку в течение всего эксперимента не было зарегистрировано ни одного распада протона, можно вычислить, что время жизни протона должно быть больше, чем десять миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью одним нулем) лет. Этот результат превышает предсказания простейшей теории великого объединения, но есть и более сложные теории, дающие более высокую оценку. Для их проверки потребуются еще более точные эксперименты с еще большими количествами вещества.

Несмотря на трудности наблюдения распада протона, не исключено, что само наше существование есть следствие обратного процесса – образования протонов или, еще проще, кварков на самой начальной стадии, когда кварков было не больше, чем антикварков. Такая картина начала Вселенной представляется наиболее естественной. Земное вещество в основном состоит из протонов и нейтронов, которые в свою очередь состоят из кварков, но в нем нет ни антипротонов, ни антинейтронов, состоящих из антикварков, если не считать те несколько штук, которые были получены на больших ускорителях. Эксперименты с космическими лучами подтверждают, что то же самое справедливо и для всего вещества в нашей Галактике: в нем нет ни антипротонов, ни антинейтронов, за исключением того небольшого количества античастиц, которое возникает в результате рождения пар частица‑античастица в соударениях частиц при высоких энергиях. Если бы в нашей Галактике были большие участки антивещества, то можно было бы ожидать сильного излучения на границах раздела вещества и антивещества, где возникало бы множество соударений частиц и античастиц, которые, аннигилируя, испускали бы излучение высокой энергии.

У нас нет прямых указаний на то, состоит ли вещество других галактик из протонов и нейтронов или из антипротонов и антинейтронов, но оно должно состоять из частиц одного типа: в пределах одной галактики не может быть смеси частиц и античастиц, потому что в результате их аннигиляции испускалось бы мощное излучение. Поэтому мы считаем, что все галактики состоят из кварков, а не из антикварков; вряд ли одни галактики состояли из вещества, а другие – из антивещества.

Но почему кварков должно быть настолько больше, чем антикварков? Почему число их не одинаково? Нам очень повезло, что это так, потому что если бы кварков и антикварков было поровну, то почти все кварки и антикварки проаннигилировали бы друг с другом в ранней Вселенной, наполнив ее излучением, но едва ли оставив хоть какое‑нибудь вещество. Не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет, на которых могла бы развиваться человеческая жизнь. С помощью теорий великого объединения можно объяснить, почему во Вселенной кварков должно быть сейчас больше, чем антикварков, даже в том случае, если в самом начале их было поровну. Как мы уже знаем, в теориях великого объединения при высоких энергиях кварки могут превращаться в антиэлектроны. Возможны и обратные процессы, когда антикварки превращаются в электроны, а электроны и антиэлектроны – в антикварки и кварки. Когда‑то на очень ранней стадии развития Вселенной она была такой горячей, что энергии частиц было достаточно для подобных превращений. Но почему же в результате кварков стало больше, чем антикварков? Причина кроется в том, что законы физики не совсем одинаковы для частиц и античастиц.

До 1956 г. считалось, что законы физики инвариантны относительно трех преобразований симметрии – C, P и T. Симметрия С означает, что все законы одинаковы для частиц и античастиц. Симметрия P означает, что законы физики одинаковы для любого явления и для его зеркального отражения (зеркальным отражением частицы, вращающейся по часовой стрелке, будет частица, вращающаяся против часовой стрелки). Наконец, смысл симметрии Т состоит в том, что при изменении направления движения всех частиц и античастиц на обратное система вернется в то состояние, в котором она находилась раньше; иными словами, законы одинаковы при движении во времени вперед или назад.

В 1956 г. два американских физика, Тзундао Ли и Чженьнин Янг, высказали предположение, что слабое взаимодействие на самом деле не инвариантно относительно Р‑преобразований. Иными словами, в результате слабого взаимодействия развитие Вселенной может пойти иначе, чем развитие ее зеркального изображения. В том же году Цзиньсян By, коллега Ли и Янга, сумела доказать, что их предположение правильно. Расположив в магнитном поле ядра радиоактивных атомов так, чтобы их спины были направлены одинаково, она показала, что электронов вылетает больше в одном направлении, чем в другом. В следующем году Ли и Янг за свое открытие были удостоены Нобелевской премии. Оказалось, что слабые взаимодействия не подчиняются и симметрии С. Это означает, что Вселенная, состоящая из античастиц, будет вести себя иначе, чем наша Вселенная. Всем, однако, казалось, что слабое взаимодействие должно все‑таки подчиняться комбинированной симметрии CP, т. е. развитие Вселенной должно происходить так же, как и развитие ее зеркального отражения, если, отразив ее в зеркале, мы еще каждую частицу заменим античастицей! Но в 1964 г. еще два американца, Джеймс Кронин и Вел Фитч, обнаружили, что в распаде частиц, которые называются K‑мезонами, нарушается даже CP‑симметрия.

В результате в 1980 г. Кронин и Фитч получили за свою работу Нобелевскую премию. (Какое огромное количество премий присуждено за работы, в которых показано, что Вселенная не так проста, как нам кажется).

Существует математическая теорема, в которой утверждается, что любая теория, подчиняющаяся квантовой механике и теории относительности, должна всегда быть инвариантна относительно комбинированной симметрии CPT. Другими словами, поведение Вселенной не изменится, если заменить частицы античастицами, отразить все в зеркале и еще изменить направление времени на обратное. Но Кронин и Фитч показали, что если заменить частицы античастицами и произвести зеркальное отражение, но при этом не изменять направление времени на обратное, то Вселенная будет вести себя по‑другому. Следовательно, при обращении времени законы физики должны измениться, т. е. они не инвариантны относительно симметрии Т.

Понятно, что в ранней Вселенной нарушалась симметрия Т: когда время течет вперед, Вселенная расширяется, а если быi время пошло назад, то Вселенная начала бы сжиматься. А поскольку существуют силы, не инвариантные относительно симметрии Т, то отсюда следует, что но мере расширения Вселенной под действием этих сил антиэлектроны должны превращаться в кварки чаще, чем электроны в антикварки. Затем, когда Вселенная расширялась и охлаждалась, антикварки и кварки должны были аннигилировать, но поскольку кварков оказалось бы больше, чем антикварков, кварки остались бы в небольшом избытке. И они‑то и есть те самые кварки, из которых состоит сегодняшнее вещество, которое мы видим и из которого сотворены мы сами. Таким образом, само наше существование можно рассматривать как подтверждение теории великого объединения, правда, только как качественное подтверждение. Неопределенности происходят из‑за того, что мы не можем предсказать, ни сколько кварков останется после аннигиляции, ни даже будут ли оставшиеся частицы кварками или антикварками. (Правда, если бы в излишке остались антикварки, мы бы просто переименовали их в кварки, а кварки – в антикварки).

Теории великого объединения не включают в себя гравитационное взаимодействие. Это не столь уж существенно, потому что гравитационные силы так малы, что их влиянием можно просто пренебречь, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Однако тот факт, что гравитационные силы являются дальнодействующими, да еще и всегда силами притяжения, означает, что результаты их воздействия всегда суммируются. Следовательно, если имеется достаточное количество частиц вещества, то гравитационные силы могут стать больше всех остальных сил. Вот почему эволюция Вселенной определяется именно гравитацией. Даже в случае объектов размером со звезду гравитационное притяжение может перевесить все остальные силы и привести к коллапсу звезды. В 70‑х годах я занимался исследованием черных дыр, которые могут возникнуть в результате такого звездного коллапса, и окружающих их сильных гравитационных полей. Именно в ходе этой работы у меня появились первые догадки о том, как квантовая механика и общая теория относительности могут влиять друг на друга – первые проблески формы той квантовой теории гравитации, которую еще предстоит разработать.

Черные дыры

Термин «черная дыра» появился совсем недавно. Его ввел в обиход в 1969 г. американский ученый Джон Уилер как метафорическое выражение представления, возникшего по крайней мере 200 лет назад, когда существовали две теории света: в первой, которой придерживался Ньютон, считалось, что свет состоит из частиц; согласно же второй теории, свет – это волны. Сейчас мы знаем, что на самом деле обе они правильны. В силу принципа частично‑волнового дуализма квантовой механики свет может рассматриваться и как частицы, и как волны. В теории, в которой свет – волны, было непонятно, как будет действовать на него гравитация. Если же свет – поток частиц, то можно считать, что гравитация действует на них так же, как на пушечные ядра, ракеты и планеты. Сначала ученые думали, что частицы света перемешаются с бесконечной скоростью и поэтому гравитация не может их замедлить, по когда Рёмер установил, что скорость света конечна, стало ясно, что влияние гравитации может оказаться существенным.

Исходя из этого, Джон Мичел, преподаватель из Кембриджа, в 1783 г. представил в журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» (Philosophical Transactions of the Royal Society of London) свою работу, в которой он указывал на то, что достаточно массивная и компактная звезда должна иметь столь сильное гравитационное ноле, что свет не сможет выйти за его пределы: любой луч света, испущенный поверхностью такой звезды, не успев отойти от нее, будет втянут обратно ее гравитационным притяжением. Мичел считал, что таких звезд может быть очень много. Несмотря на то что их нельзя увидеть, так как их свет не может до нас дойти, мы тем не менее должны ощущать их гравитационное притяжение. Подобные объекты называют сейчас черными дырами, и этот термин отражает их суть: темные бездны в космическом пространстве. Через несколько лет после Мичела и французский ученый Лаплас высказал, по‑видимому, независимо от него аналогичное предположение. Небезынтересно, что Лаплас включил его лишь в первое и второе издания своей книги «Система мира», но исключил из более поздних изданий, сочтя, наверное, черные дыры бредовой идеей. (К тому же в XIX в. корпускулярная теория света потеряла популярность. Стало казаться, что все явления можно объяснить с помощью волновой теории, а в ней воздействие гравитационных сил на свет вовсе не было очевидным).

На самом деле свет нельзя рассматривать как пушечные ядра в теории тяготения Ньютона, потому что скорость света фиксирована. (Пушечное ядро, вылетевшее вверх с поверхности Земли, из‑за гравитации будет замедлять полет и в конце концов остановится, а потом начнет падать. Фотон же должен продолжать движение вверх с постоянной скоростью. Как же тогда ньютоновская гравитация может воздействовать на свет?) Последовательная теория взаимодействия света и гравитации отсутствовала до 1915 г., когда Эйнштейн предложил общую теорию относительности. Но даже после этого прошло немало времени, пока стало наконец ясно, какие выводы следуют из теории Эйнштейна относительно массивных звезд.

Чтобы понять, как возникает черная дыра, надо вспомнить о том, каков жизненный цикл звезды. Звезда образуется, когда большое количество газа (в основном водорода) начинает сжиматься силами собственного гравитационного притяжения. В процессе сжатия атомы газа все чаще и чаще сталкиваются друг с другом, двигаясь со все большими и большими скоростями. В результате газ разогревается и в конце концов становится таким горячим, что атомы водорода, вместо того чтобы отскакивать друг от друга, будут сливаться, образуя гелий. Тепло, выделяющееся в этой реакции, которая напоминает управляемый взрыв водородной бомбы, и вызывает свечение звезды. Из‑за дополнительного тепла давление газа возрастает до тех пор, пока не уравновесит гравитационное притяжение, после чего газ перестает сжиматься. Это немного напоминает надутый резиновый шарик, в котором устанавливается равновесие между давлением воздуха внутри, заставляющим шарик раздуваться, и натяжением резины, под действием которого шарик сжимается. Подобно шарику, звезды будут долго оставаться в стабильном состоянии, в котором выделяющимся в ядерных реакциях теплом уравновешивается гравитационное притяжение. Но в конце концов у звезды кончится водород и другие виды ядерного топлива. Как ни парадоксально, но чем больше начальный запас топлива у звезды, тем быстрее оно истощается, потому что для компенсации гравитационного притяжения звезде надо тем сильнее разогреться, чем больше ее масса. А чем горячее звезда, тем быстрее расходуется ее топливо. Запаса топлива на Солнце хватит примерно на пять тысяч миллионов лет, но более тяжелые звезды израсходуют свое топливо всего за сто миллионов лет, т. е. за время, гораздо меньшее возраста Вселенной. Израсходовав топливо, звезда начинает охлаждаться и сжиматься, а вот что с ней происходит потом, стало понятно только в конце 20‑х годов нашего века.

В 1928 г. Субраманьян Чандрасекар, аспирант из Индии, отправился по морю в Англию, в Кембридж, чтобы пройти там курс обучения у крупнейшего специалиста в области общей теории относительности Артура Эддингтона. (Говорят, в начале 20‑х годов один журналист сказал Эддингтону, что он слышал, будто в мире всего три человека понимают общую теорию относительности. Эддингтон, помолчав, сказал: «Я думаю – кто же третий?»). Во время своего путешествия из Индии Чандрасекар вычислил, какой величины должна быть звезда, чтобы, израсходовав целиком свое топливо, она все же могла бы противостоять воздействию собственных гравитационных сил. Чандрасекар рассуждал так. Когда звезда уменьшается, частицы вещества очень сильно сближаются друг с другом, и в силу принципа запрета (исключения) Паули их скорости должны все больше различаться. Следовательно, частицы стремятся разойтись и звезда расширяется. Таким образом, радиус звезды может удерживаться постоянным благодаря равновесию между гравитационным притяжением и возникающим в силу принципа Паули отталкиванием, точь‑в‑точь как на более ранней стадии развития звезды гравитационные силы уравновешивались ее тепловым расширением.

Однако Чандрасекар понимал, что отталкивание, обусловленное принципом Паули, не беспредельно. Согласно теории относительности, максимальная разница скоростей частиц вещества в звезде равна скорости света. Это значит, что, когда звезда становится достаточно плотной, отталкивание, обусловленное принципом Паули, должно стать меньше, чем гравитационное притяжение. Чандрасекар рассчитал, что если масса холодной звезды более чем в полтора раза превышает массу Солнца, то эта звезда не сможет противостоять собственной гравитации. (Данное значение массы сейчас называют пределом Чандрасекара). Приблизительно в то же время аналогичное открытие сделал советский физик Л. Д. Ландау.

Выводы Чандрасекара и Ландау имели важные следствия относительно судьбы звезд с большой массой. Если масса звезды меньше предела Чандрасекара, то она в конце концов может перестать сокращаться, превратившись в белого карлика – одно из возможных конечных состояний звезды. Белый карлик имеет в радиусе несколько тысяч километров, плотность – сотни тонн на кубический сантиметр и удерживается в равновесии благодаря отталкиванию электронов в его веществе, отталкиванию, которое возникает из‑за принципа Паули. На небе видно немало белых карликов. Одним из первых был открыт белый карлик, вращающийся вокруг Сириуса – самой яркой звезды на ночном небе.

Ландау показал, что звезда может оказаться и в другом конечном состоянии, предельная масса которого равна одной‑двум массам Солнца, а размеры даже меньше, чем у белого карлика. Эти звезды тоже должны существовать благодаря возникающему из‑за принципа Паули отталкиванию, но не между электронами, а между протонами и нейтронами. Поэтому такие звезды получили название нейтронных звезд. Их радиус не больше нескольких десятков километров, а плотность – сотни миллионов тонн на кубический сантиметр. Когда Ландау предсказал нейтронные звезды, наблюдать их никто не умел, а реальная возможность их наблюдения появилась значительно позже.

Если масса звезды превышает предел Чандрасекара, то, когда ее топливо кончается, возникают большие сложности. Чтобы избежать катастрофического гравитационного коллапса, звезда может взорваться или каким‑то образом выбросить из себя часть вещества, чтобы масса стала меньше предельной. Трудно, однако, поверить, что так происходит со всеми звездами независимо от их размеров. Как звезда узнает, что ей пора терять вес? А даже если бы каждой звезде удалось потерять в весе настолько, чтобы избежать коллапса, то что произошло бы, если бы мы увеличили массу белого карлика или нейтронной звезды так, чтобы она превысила бы предел? Может быть, тогда произошел бы коллапс и плотность звезды стала бесконечной? Эддингтон был так этим поражен, что отказался верить результату Чандрасекара. Он считал просто невозможным, чтобы звезда сколлапсировала в точку. Такой позиции придерживалось большинство ученых: сам Эйнштейн заявил в своей статье, что звезды не могут сжиматься до нулевых размеров. Враждебное отношение ученых, в особенности Эддингтона, который был первым учителем Чандрасекара и главным авторитетом в исследовании строения звезд, вынудили Чандрасекара оставить работу в прежнем направлении и переключиться на другие задачи астрономии, такие, как движение звездных скоплений. Однако Нобелевская премия 1983 г. была, по крайней мере частично, присуждена Чандрасекару за ранние работы, связанные с предельной массой холодных звезд.

Он показал, что если масса звезды превышает предел Чандрасекара, то принцип запрета не может остановить ее коллапс, а задачу о том, что должно произойти с такой звездой согласно общей теории относительности, первым решил в 1939 г. молодой американский физик Роберт Оппенгеймер. Но из результатов Оппенгеймера следовало, что с помощью существовавших тогда телескопов нельзя наблюдать ни один из предсказанных эффектов. Потом началась Вторая мировая война, и сам Оппенгеймер вплотную занялся разработкой атомной бомбы. После войны о гравитационном коллапсе совершенно забыли, потому что большинство ученых было увлечено изучением явлений атомных и ядерных масштабов. Но в шестидесятых годах, благодаря новейшей технике, число астрономических наблюдений сильно возросло, а их область значительно расширилась, что вызвало возрождение интереса к астрономии и космологии. Результаты Оппенгеймера были заново открыты и развиты далее многими физиками.

В итоге, благодаря Оппенгеймеру, мы имеем сейчас следующую картину. Из‑за гравитационного поля звезды лучи света в пространстве‑времени отклоняются от тех траекторий, по которым они перемещались бы в отсутствие звезды. Световые конусы, вдоль поверхности которых распространяются испущенные из их вершин световые лучи, около поверхности звезды немного наклоняются внутрь. Это проявляется в наблюдаемом во время солнечного затмения искривлении световых лучей, идущих от удаленных звезд. По мере сжатия звезды увеличивается гравитационное поле на ее поверхности и световые конусы наклоняются еще сильнее. Поэтому световым лучам, испущенным звездой, становится все труднее выйти за пределы гравитационного поля звезды, и удаленному наблюдателю ее свечение будет казаться тусклым и более красным. В конце концов, когда в ходе сжатия радиус звезды достигнет некоторого критического значения, гравитационное поле у ее поверхности станет очень сильным, и тогда световые конусы настолько повернутся внутрь, что свет не сможет больше выйти наружу (рис. 6.1). По теории относительности ничто не может двигаться быстрее света; а раз свет не может выйти наружу, то и никакой другой объект не сможет выйти, т. е. все будет втягиваться назад гравитационным полем. Это значит, что существует некое множество событий, т. е. некая область пространства‑времени, из которой невозможно выйти наружу и достичь удаленного наблюдателя. Такая область называется сейчас черной дырой. Границу черной дыры называют горизонтом событий. Она совпадает с путями тех световых лучей, которые первыми из всех теряют возможность выйти за пределы черной дыры.

Чтобы понять, что вы увидели бы, если бы наблюдали за образованием черной дыры при коллапсе звезды, надо вспомнить, что в теории относительности отсутствует абсолютное время и у каждого наблюдателя своя мера времени. Из‑за того что звезда имеет гравитационное поле, для наблюдателя на звезде время будет не таким, как для удаленного наблюдателя. Предположим, что какой‑нибудь отважный астронавт находится на поверхности коллапсирующей звезды и коллапсирует внутрь вместе с ней.

Пусть он каждую секунду по своим часам посылает сигналы на космический корабль, обращающийся по орбите вокруг звезды. В какой‑то момент времени по его часам, скажем в 11:00, звезда сожмется до радиуса ниже критического, при котором гравитационное поле становится настолько сильным, что ничто не может выйти наружу, и тогда сигналы этого смельчака больше не попадут на космический корабль. При приближении времени к 11:00 интервалы между очередными сигналами, которые астронавт посылает своим спутникам на космический корабль, будут удлиняться, но до 10:59:59 этот эффект будет невелик. Между сигналами, которые астронавт по своим часам пошлет в 10:59:58 и 10:59:59, па космическом корабле пройдет чуть больше секунды, но сигнала, посланного астронавтом в 11:00, им придется ждать вечно. Световые волны, испущенные с поверхности звезды между 10:59:59 и 11:00 по часам астронавта, будут, с точки зрения пассажира космического корабля, размазаны по бесконечному периоду времени. Временной интервал между двумя волнами, приходящими друг за другом на корабль, будет все время увеличиваться, и поэтому излучаемый звездой свет будет непрерывно ослабевать и казаться все более красным. В конце концов звезда станет такой тусклой, что ее больше не увидят с борта космического корабля: от нее останется лишь черная дыра в пространстве. При этом на корабль будет по‑прежнему действовать гравитационное притяжение звезды, так что он продолжит свое движение по орбите вокруг черной дыры.

Но этот сценарий не совсем реалистичен по следующей причине. При удалении от звезды ее гравитационное притяжение ослабевает, а поэтому ноги нашего отважного астронавта всегда будут испытывать более сильное гравитационное воздействие, чем голова. Разница в величине сил приведет к тому, что астронавт либо окажется вытянутым, как спагетти, либо разорвется на части еще до того, как размеры звезды сократятся до критического радиуса, когда возникает горизонт событий! Но мы считаем, что во Вселенной существуют гораздо большие объекты, например центральные области галактик, которые тоже могут превращаться в черные дыры из‑за гравитационного коллапса. Тогда, находясь на одном из таких объектов, астронавт не был бы разорван на части еще до образования черной дыры. На самом деле он бы не почувствовал ничего особенного, когда радиус звезды достиг бы критического значения, и вполне мог бы пройти, не заметив, точку, за которой начинается область, откуда нельзя вернуться назад. Но всего через несколько часов, когда эта область начала бы коллапсировать, разница гравитационных сил, действующих на ноги и на голову, возросла бы так сильно, что его опять разорвало бы на части.

В работе, которую мы с Роджером Пенроузом выполнили в период с 1965 по 1970 г., было показано, что, согласно общей теории относительности, в черной дыре должна быть сингулярность, в которой плотность и кривизна пространства‑времени бесконечны. Ситуация напоминает большой взрыв в момент начала отсчета времени с той только разницей, что это означало бы конец времени для астронавта и для коллапсирующего тела. В этой сингулярной точке нарушались бы законы науки, а мы потеряли бы способность предсказывать будущее. Но эта потеря не коснулась бы ни одного наблюдателя, находящегося вне черной дыры, потому что до него не дошел бы ни световой, ни какой‑нибудь другой сигнал, вышедший из сингулярности. Под влиянием этого удивительного факта Роджер Пенроуз выдвинул «гипотезу космической цензуры», которую можно сформулировать так: «Бог не терпит голой сингулярности». Другими словами, сингулярности, возникшие в результате гравитационного коллапса, появляются лишь в местах вроде черных дыр, где горизонт событий надежно укрывает их от взглядов извне. Строго говоря, это гипотеза слабой космической цензуры (как ее и называют сейчас): благодаря ей наблюдатели, находящиеся за пределами черной дыры, защищены от последствий того, что в сингулярности теряется способность предсказывать будущее, но эта гипотеза нечего не дает для спасения несчастного астронавта, упавшего в черную дыру.

Существуют некоторые решения уравнений общей теории относительности, которые позволяют астронавту увидеть голую сингулярность; он может увернуться от сингулярности и, пролетев через «кротовую нору», выйти в другой области Вселенной. Такой вариант предоставил бы широкие возможности для путешествия в пространстве и времени, но, к сожалению, все эти решения, по‑видимому, сильно нестабильны. Малейшее возмущение, например присутствие астронавта, могло бы так изменить решения, что астронавт не увидел бы сингулярность до самого столкновения с ней, когда его существованию пришел бы конец. Другими словами, сингулярность находилась бы всегда в его будущем и никогда в прошлом. Сильная формулировка гипотезы космической цензуры такова: сингулярности реалистического решения должны быть всегда либо целиком в будущем (как в случае гравитационного коллапса), либо целиком в прошлом (как в случае большого взрыва). Очень хочется надеяться, что «гипотеза космической цензуры» выполняется в той или иной формулировке, потому что иначе вблизи голых сингулярностей имелась бы возможность попадать в прошлое. Это было бы прекрасно для писателей‑фантастов, но означало бы, что никогда нельзя быть уверенным в своей безопасности: кто‑то может войти в прошлое и лишить жизни кого‑нибудь из ваших родителей еще до того, как они успели дать жизнь вам!

Горизонт событий, ограничивающий ту область пространства‑времени, из которой невозможно выбраться наружу, подобен некоей полупроницаемой мембране, окружающей черную дыру: объекты вроде неосторожного астронавта могут упасть в черную дыру через горизонт событий, но никакие объекты не могут выбраться из нее через горизонт событий обратно. (Вспомните, что горизонт событий – это путь, по которому в пространстве‑времени распространяется свет, когда он стремится выйти из черной дыры, а быстрее света не может двигаться ничто). О горизонте событий можно сказать так, как сказано у поэта Данте о входе в Ад: «Оставь надежду всяк сюда входящий». Все и вся провалившееся за горизонт событий вскоре попадет в область бесконечной плотности, где время кончается.

Общая теория относительности предсказывает, что при движении тяжелых объектов должны излучаться гравитационные волны, которые представляют собой пульсации кривизны пространства, распространяющиеся со скоростью света. Излучаемые при любом движении гравитационные волны будут уносить энергию системы. (Это напоминает поведение брошенного в воду поплавка, который сначала то уходит под воду, то выныривает на поверхность, но, поскольку волны уносят его энергию, в конце концов застывает в неподвижном стационарном состоянии). Например, при обращении Земли вокруг Солнца возникают гравитационные волны, и Земля теряет свою энергию. Потеря энергии будет влиять на орбиту Земли, и Земля начнет постепенно приближаться к Солнцу. В конце концов они войдут в контакт, и Земля, перестав двигаться относительно Солнца, окажется в стационарном состоянии. При вращении Земли вокруг Солнца теряемая мощность очень мала – примерно такова, какую потребляет небольшой электрокипятильник. Это означает, что Земля упадет на Солнце примерно через тысячу миллионов миллионов миллионов миллионов лет, а потому прямо сейчас беспокоиться не о чем! Изменения орбиты Земли происходят слишком медленно для наблюдения, но за последние несколько лет в точности такой же эффект наблюдался в системе PSR 1913+16. (PSR означает «пульсар» – особая разновидность нейтронной звезды, которая излучает периодические импульсы радиоволн). Это система двух нейтронных звезд, вращающихся одна вокруг другой; потери энергии на гравитационное излучение приводят к их сближению по спирали.

Когда во время гравитационного коллапса звезды образуется черная дыра, все движения звезды должны сильно ускориться, и поэтому потери энергии тоже должны сильно возрасти. Следовательно, коллапсирующая звезда должна вскоре оказаться в некоем стационарном состоянии. Каким же будет это конечное состояние?

Можно предположить, что оно будет зависеть от всех сложных свойств исходной звезды, т. е. не только от ее массы и скорости вращения, но и от разных плотностей разных частей звезды и от сложного движения газов внутри нее. Но если бы черные дыры были столь же разнообразными, как и коллапсирующие объекты, из которых они возникают, то делать какие бы то ни было общие предсказания о черных дырах оказалось бы очень трудно.

Однако в 1967 г. канадский ученый Вернер Израэль (он родился в Берлине, воспитывался в Южной Африке, а докторскую диссертацию защищал в Ирландии) произвел революцию в науке о черных дырах. Израэль показал, что, согласно общей теории относительности, невращающиеся черные дыры должны иметь очень простые свойства: они должны быть правильной сферической формы, размеры черной дыры должны зависеть только от ее массы, а две черные дыры с одинаковыми массами должны быть идентичны друг другу. Фактически получалось, что черные дыры можно описать частным решением уравнений Эйнштейна, известным еще с 1917 г. и найденным Карлом Шварцшильдом вскоре после опубликования общей теории относительности. Сначала многие, в том числе и сам Израэль, считали, что, поскольку черные дыры должны быть совершенно круглыми, они могут образовываться только в результате коллапса совершенно круглого объекта. Таким образом, любая реальная звезда – а реальные звезды не бывают идеально сферической формы – может сколлапсировать, порождая только голую сингулярность.

Правда, была возможна и другая интерпретация полученного Израэлем результата, которую, в частности, поддерживали Роджер Пенроуз и Джон Уилер. Быстрые движения, возникающие во время коллапса звезды, означают, указывали эти ученые, что излучаемые звездой гравитационные волны могут еще сильнее скруглить ее, и к тому моменту, когда звезда окажется в стационарном состоянии, она будет в точности сферической формы. При таком взгляде на вещи любая невращающаяся звезда, как бы ни была сложна ее форма и внутренняя структура, после гравитационного коллапса должна превратиться в черную дыру правильной сферической формы, размеры которой будут зависеть только от ее массы. В дальнейшем такой вывод был подтвержден расчетами и вскоре стал общепринятым.

Результат Израэля касался только черных дыр, образовавшихся из невращающихся объектов. В 1963 г. Рой Керр из Новой Зеландии нашел семейство решений уравнений общей теории относительности, которые описывали вращающиеся черные дыры. Керровские черные дыры вращаются с постоянной скоростью, а их форма и размер зависят только от массы и скорости вращения. Если вращение отсутствует, то черная дыра имеет идеальную шарообразную форму, а отвечающее ей решение идентично шварцшильдовскому решению. Если же черная дыра вращается, то ее диаметр увеличивается по экватору (точно так же, как деформируются вследствие вращения Земля и Солнце), и тем сильнее, чем быстрее вращение. Чтобы можно было перенести результат Израэля и на вращающиеся тела, было сделано предположение, что любое вращающееся тело, которое в результате коллапса образует черную дыру, должно в конце концов оказаться в стационарном состоянии, описываемом решением Керра.

В 1970 г. мой аспирант и коллега по Кембриджу Брендон Картер сделал первый шаг к доказательству этого предположения. Картер показал, что если стационарная вращающаяся черная дыра обладает осью симметрии, как волчок, то ее размеры и форма будут зависеть только от ее массы и скорости вращения. Затем в 1971 г. я доказал, что любая стационарная черная дыра всегда будет иметь такую ось симметрии. Наконец в 1973 г. Дэвид Робинсон из Королевского колледжа в Лондоне, опираясь на наши с Картером результаты, показал, что вышеприведенное предположение правильно, т. е. что стационарная черная дыра всегда будет решением Керра. Итак, после гравитационного коллапса черная дыра должна оказаться в таком состоянии, чтобы она могла вращаться, но не могла пульсировать. Кроме того, размеры черной дыры будут зависеть только от се массы и скорости вращения и никак не будут связаны со свойствами того тела, которое сколлапсировало в эту черную дыру. Этот вывод стал известен в формулировке: «У черной дыры нет волос». Теорема об отсутствии волос у черной дыры имеет огромное практическое значение, потому что она налагает сильные ограничения на возможные типы черных дыр и тем самым дает возможность строить детальные модели объектов, которые могли бы содержать черные дыры, и сравнивать их предсказания с результатами наблюдений. Кроме того, из нее следует, что при образовании черной дыры должна теряться огромная часть информации о сколлапсировавшем теле, потому что после коллапса все, что нам удастся измерить, – это, может быть, лишь масса тела да скорость его вращения. Значимость сказанного станет ясна из следующей главы.

Черные дыры – один из очень немногочисленных примеров в истории науки, когда теория развивалась во всех деталях как математическая модель, не имея никаких экспериментальных подтверждений своей справедливости. И это, конечно, было главным возражением противников черных дыр: как можно верить в реальность объектов, существование которых следует лишь из вычислений, основанных на такой сомнительной теории, как общая теория относительности. Но в 1963 г. Маартен Шмидт, астроном из Паламарской обсерватории в Калифорнии, измерил красное смещение тусклого, похожего на звезду объекта в направлении источника радиоволн ЗС273 (источник под номером 273 в третьем Кембриджском каталоге радиоисточников). Обнаруженное Шмидтом красное смещение оказалось слишком велико, чтобы его можно было объяснить действием гравитационного поля: если бы оно было гравитационного происхождения, то связанный с ним объект должен был иметь такую большую массу и располагаться так близко к нам, что его присутствие изменило бы орбиты всех планет Солнечной системы. Но, может быть, тогда красное смещение возникло из‑за расширения Вселенной, и из этого следует, что рассматриваемый объект находится, наоборот, очень далеко? Видимый на таком большом расстоянии объект должен быть очень ярким, т. е. должен излучать огромную энергию. Единственный механизм, с помощью которого могло бы излучаться такое большое количество энергии, – это гравитационный коллапс, но не какой‑нибудь одной звезды, а коллапс всей центральной области Галактики. С тех пор были открыты и другие аналогичные квазизвездные объекты, или квазары, обладающие красным смещением. Но их большая удаленность сильно затрудняет наблюдение и не дает возможности сделать окончательные выводы относительно черных дыр.