Журнал «Если», 1995 № 05 - Хигон Альбер (книги читать бесплатно без регистрации .TXT) 📗
Алексей Бялко,
кандидат физико-математических наук
ГАДАНИЕ ПО ЗВЕЗДАМ ПО-НАУЧНОМУ
Фантазия писателей воистину не знает границ.
С разумной черной дырой мы, пожалуй, еще не встречались. Впрочем, если в космосе НФ-литературы давно кружат разумные планеты, то что мешает появиться говорящей черной дыре?
Тем более, что ее существование (правда, пою! не обладающей разумом, но от этого не менее экзотичной) было предсказано довольно давно.
Об истории открытия идет речь в книге К. С. Торна, перевод которой публиковался в прошлом году в журнале «Природа». Ее краткое изложение для наших читателей любезно согласился сделать первый заместитель главного редактора этого журнала.
Подходит к концу двадцатое столетие. Много чем будет оно памятно, но попробуем выделить его главные достижения в познании окружающего нас мира. Считается общепризнанным, что это теория относительности, но лично я все же поставил бы на первое место квантовую механику. Психологически квантовая механика скорее неожиданна и возникла словно бы непредсказуемо. Кроме того, с ее проявлениями мы сталкиваемся повседневно, ведь почти все вокруг состоит из отдельных атомов, квантов вещества, и напротив, большие скорости, которыми оперирует теория относительности, далеки от нас, землян. Если обратиться к наиболее яркому в XX веке техническому воплощению мысли и наиболее ужасному по своим последствиям — взрыву ядерной бомбы, — то в его создании равно проявились обе теоретические вершины знания. Они же помогли нам понять цепочку наиболее удивительных наблюдаемых явлений, обнаруженных в нашем (пока еще — нашем) столетии: это существование белых карликов, пульсаров и черных дыр. Наконец, особенно потрясающее: самый экзотический объект этой цепочки, черная дыра, была предсказана заранее, задолго до ее открытия, причем первой из всей этой последовательности.
В книге видного американского астрофизика К. С. Торна «Черные дыры и искривление времени: дерзкое наследие Эйнштейна» подробно и на редкость увлекательно рассказана история борьбы идей в астрофизике, которая закончилась (или заканчивается) на наших глазах признанием реальности черных дыр. К сожалению, невозможно воспроизвести суть книги в короткой статье простыми цитатами, поэтому здесь будут перечислены только основные вехи этих открытий и их осознания.
Началось все с того, к чему пришло: с черных дыр. Вскоре после 1916 года Эйнштейн выписал уравнения гравитации, немецкий астроном и теоретик, К. Шварцшильд нашел их частное решение. Оно содержало ясный намек на то, что если собрать очень большую массу в малом объеме, то гравитация станет так сильна, что начнет сжимать эту массу беспредельно. Ничто, даже свет, не сможет выйти из такой черной дыры. Впрочем, само название было придумано много позже.
А астрономы открыли первыми белые карлики. Самая известная из этих звезд — спутник Сириуса. Сириус — одна из ближайших к нам и самая яркая звезда на небе. Ее спутник, который обращается вокруг Сириуса с периодом 50 лет, назвали Сириус Б. Период обращения дает возможность вычислить его массу, она равна 1,05 солнечной, однако диаметр Сириуса Б оказался вдвое меньше диаметра Земли, поэтому плотность этого белого карлика в 4 млн. раз выше плотности воды и в 3 млн. раз выше плотности Солнца.
Астрономы и теоретики были озадачены, может ли существовать столь плотное вещество. Каждая звезда (кроме сверхновых во время их взрыва) находится в механическом равновесии между силами гравитации и давлением в ее недрах. От величины давления зависит, насколько сжата звезда; давление вместе с температурой определяет плотность вещества. В 1926 году английский физик-теоретик Р. Х. Фаулер с помощью только что созданной квантовой механики сумел объяснить, что давление внутри Сириуса Б и других белых карликов обусловлено не тепловым движением атомов, а вырожденным движением электронов.
Электронное вырождение проще всего понять в рамках дуализма волна-частица. Когда вещество сжато до высокой плотности и каждый электрон среды заключен в чрезвычайно малом пространстве, сдавленный электронами соседних ячеек, он начинает вести себя во многом как волна. Длина электронной волны (расстояние между ее гребнями) не может быть больше, чем размер ячейки: если бы она была больше, волна выходила бы за пределы этой ячейки. Далее, частицы, имеющие очень малую длину волны обязательно будут обладать высокой энергией. (Типичный пример — частица, связанная с электромагнитной волной, — фотон. Фотон рентгеновских лучей имеет гораздо более короткую длину волны, чем у видимого света и, как следствие, фотоны рентгеновских лучей гораздо более энергичны, чем фотоны видимого света.)
В случае электронов внутри очень плотного вещества короткая длина волны и, соответственно, высокая энергия приводят к их быстрому движению; это означает, что электрон должен двигаться в своей ячейке, ведя себя как странный сверхбыстрый мутант: наполовину волна, наполовину частица. Физики говорят, что электрон «вырожден», и называют давление, вызываемое этим беспорядочным высокоскоростным движением, «давлением вырожденных электронов» Не существует способа избавиться от этого давления; оно является неизбежным следствием
заключения электрона в малом объеме. Более того, чем больше плотность вещества, тем меньше ячейка и меньше длина волны электрона — и выше его энергия, быстрее движение, а следовательно, больше давление вырождения. В обычном веществе с обычной плотностью давление вырождения настолько мало, что им можно пренебречь, но при огромных плотностях белых карликов оно должно быть чрезвычайно большим.
Я пи любой ли массе возможно существование белых карликов? Ответ на этот вопрос дал в 1930 году молодой индийский ученый С. Чандрасекхар, получивший за это Нобелевскую премию лишь 54 (!) года спустя. Этот срок, достойный книги рекордов, подчеркивает, насколько поразительным оказался результат. Вещество с высокой плотностью с трудом может сдерживать гравитацию, да и то в том случае, если масса звезды меньше 1,4 солнечной. Это означает, что вообще не может существовать белых карликов массой, превышающей 1,4 массы Солнца! А что же дальше? Если белый карлик тяжелее Солнца в 1,4 раза, гравитация полностью превозмогает давление вырождения. Когда более тяжелая звезда истощает свой внутренний запас тепла и остывает, тяготение выигрывает противоборство с давлением и заставляет звезду неминуемо сжиматься. Но до каких пор? Окончательный ответ: в зависимости от массы — в нейтронную звезду или черную дыру. Однако для обретения уверенности в таком утверждении потребовалось еще 60 лет.
До этого события развивались так. В феврале 1932 года английский экспериментатор Дж. Чедвик открыл нейтрон, нейтральную частицу, существование и свойства которой до этого предсказал Резерфорд. Это позволило теоретикам предсказать наличие еще одного типа звезд — нейтронных. Их средние плотности больше по сравнению с белыми карликами, причем больше в миллион раз! Первым о нейтронных звездах сказал в 1937 году Л. Д. Ландау, но его качественная модель оказалась не самой удачной. Незадолго до второй мировой войны она была существенно улучшена Р. Оппенгеймером, впоследствии отцом атомной бомбы, и его аспирантом, эмигрантом из России Г. Волковым. Но их теория показала, что и нейтронная звезда не может существовать, если ее масса превосходит некоторый предел. Впоследствии этот предел был вычислен, он равен всего 2 солнечным массам. Если же масса больше, то холодная звезда претерпевает так называемый гравитационный коллапс: она необратимо сжимается в черную дыру.
В предыдущей фразе есть одно важное слово: «холодная». Дело в том, что астрономы прекрасно знают о существовании звезд с массами и в 10, и в 20 раз больше солнечной. Как правило, большие звезды светят ярко, их температуры очень высоки, а плотности — обычные. Существование горячих звезд с практически любой массой не противоречило теории. Но в процессе горения звезды исчерпывают запасы своей энергии: сперва выгорает водород, превращаясь в гелий, затем гелий должен сгореть с образованием углерода и так далее вплоть до железа. Железо — самый устойчивый химический элемент, оно уже гореть не может. Поэтому теоретики и интересовались судьбой остывших железных звезд. Но именно по этой же причине теоретические предсказания нейтронных звезд, а тем более черных дыр воспринимались наблюдателями с известной долей скепсиса. Так продолжалось до 1967 года, когда неожиданно для всех нейтронные звезды были обнаружены.
