«Чёрные дыры и складки времени» (сжатое изложение книги К.С. Торна).

Последнее время моё время занято чтением книги «Чёрные дыры и складки времени» написанной К.С. Торнотом в 1994 году.

Цитирую вступление к ней  члена-корреспондента РАН В.Б. Брагинского:

«Мне кажется, что предлагаемая книга должна заинтересовать читателей, если, конечно, они как и автор этих строк, считают что попляризация научных достижений и идей – один из важнейших для человечества методов борьбы с разними видами обскурантизма и астроложества»

Я нахожу, что это очень правильные слова.  Предлагаемые далее материалы это сжатая мною компиляция  книги.  Не расчитываю, что этот и дальнейшие материалы будут пользоваться большой популярностью здесь, но буду считать  небезполезной  эту работу, если с ними ознакомится хотя бы один человек.  А уж если они послужат для кого то поводом для обращения непосредственно к книге,  а ещё более к  соответствующей специальной литературе, то будет просто замечательно.  

Ч.1. Чёрные дыры - инфант террибль  физики первой половины XX века .  

1.1. Белые карлики.

Чёрные дыры ассоциируются у большинства людей как загадочные объекты порождаемые сложной и малопонятной общей теорией относительности объекты родившейся в бурном XX веке.  Но как ни удивительно первые упоминания о них относятся к 18 веку. В то время натурфилософы были уверены во всесильности закона гравитации Ньютона.  С помощью его Митчел расчитал радиус объекта притяжение которого должно быть столь велико чтобы он смог не «отпустить»  свет.  И хотя с позиций сегодняшних знаний  применение ньютоновского закона даёт неверное представление о чёрных дырах,  результат Митчела совпадает с тем что даёт уравнение ОТО для критического радиуса.  В 18 веке  выводы Митчела были встречены с энтузиазмом, что может показаться неожиданным,  особенно с учётом того что сам создатель теории относительности, категорически не принимал существование чёрных дыр. О своей работе Митчел доложил на заседании Лондонского Королевского общества 27 ноября 1783 года.  Через 13 лет Пьер Симон Лаплас без ссылок на Митчела  опубликовал аналогичное предсказание в своей работе «Системы мира». Это предсказание присутствовало и во втором издании книги в 1799 году. Однако незадолго до выхода третьего издания (1808 г) Томас Юнг доказал что свет имеет волновые свойства и упоминание о чёрных дырах было изъято из этого и последующих изданий. Физики того времени не знали как притяжение будет действовать на волны.

Вновь чёрные дыры появились на горизонте физики после создания Эйнштейном общей теории относительности. В 1916 году в окопах первой мировой войны решение уравнений ОТО для наиболее простого случая невращающейся сферической массы получил Карл Шварцшильд – один из самых выдающихся астрофизиков начала XX века. Из его решений следовало радикальное предсказание сушествование критического радиуса , зависящего от массы, значение которого было то же что получил и Митчел.  Объекты критического радиуса и массы создают такую сильную гравитацию, что ничто не может оторваться с их поверхности в окружающее пространство. Сама геометрия, следующая из решений Шварцшильда, физиков вполне устраивала и в течении нескольких лет  стала их рабочим инструментом.  К сожалению через четыре месяца после представления своих работ Шварцшильд скончался от болезни полученной на фронте и не смог участвовать в событиях вокруг своих решений.

 Потребовалось больше полувека прежде чем теоретики признали право чёрных  дыр на существование.  Столь долгий срок во многом был связан с сопротивлением автора ОТО – Эйнштейна.   В 1939 году он опубликовал вычисления которые интерпретировал как довод «убивающий» эти объекты.  Он рассмотрел скопление частиц, которые удерживаются вместе гравитацией и движущиеся по круговым орбитам. Результат вычислений был таков – при размере равном 1,125 критического давление в центре звезды обращается в бесконечность . Никакой газ не может создать бесконечного давления и поэтому  никакой объект не сможет достичь критического радиуса.  На самом деле автор теории относительности полагал что сжатию сопротивляется центробежная сила и давление газа.  Однако здесь Эйнштейн просто остановился имея заранее заготовленный ответ. Он изначально исключил возможность сжатия которое побеждает силы сопротивления.

 Учёные продвигались к пониманию и признанию чёрных дыр через открытие белых карликов и нейтронных звёзд.  Эти объекты были тоже весьма необыны для восприятия физиков первой половины XX века, но не столь ужасными как чёрные дыры.  Белые карлики первыми явили физикам объекты с плотностью кардинально отличной от плотности известного вещества и  до этого не виданной даже в смелых гипотезах.  Одним из первых был открыт белый карлик у одной из ближайших к Солнцу и самой яркой звезды ночного неба Сириуса.  Его назвали Сириусом Б.  В своей книге  «Внутреннее строение» звёзд Артур  С. Эддингтона  писал что, вычисления произведённые на основе анализа наблюдений давали для него плотность 61 000 грам на кубический сантиметр.  Без привлечения новой физики – квантовой механики такую плотность объяснить было нельзя, поэтому неудивительно, что такую плотность многие считали абсурдным результатом.

 История белых карликов неразрывно связана с  именем Субратамана Чандрасекхара. О них он узнал из уже упомянутой книги Эдингтона.  На неё ему указала замечательная статья «О конденсированном веществе» английского физика Р.Х. Фоулера опубликованная 10 декабря 1926 года в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Ежемесячные записки Королевского Астрономического сообщества).  В статье Фоулера Чандрасекхар нашёл указание на то что при объяснении плотности белых карликов необходимо применять законы квантовой механики. Тепловое излучение, которое Эдингтон полагал достойным противовесом гравитации не может привести к плотности белого карлика.  С точки зрения квантовой механики сжатие в 10 000 раз приводит к тому,  что пространство в котором движутся электроны уменьшается во столько же раз и в соответствии с принципом неопределённости во столько же раз должна повысится скорость электронов.  Такова природа давления противостоящего силам гравитации в белом карлике.  Свои вычисления Чандрасекхар провёл в возрасте 19 лет по пути из Мадраса в Саптгемтон куда он оправился получив стипендию для продолжения образования в Кембридже. Он задался следующим вопросом. Допустим объект, уже сжатый до плотности, например 1 млн грам на куб. см,  сжимается на 1%. Как должно тогда возрасти давление  вещества. Сначала он нашёл что на каждый процент сжатия вещество отвечает увеличением давления на 5/3 процента.  Объединив свои вычисления с формулами Эддингтона он нашёл что плотность в центре белого карлика должна быть 360 000 г на куб. см., а скорость электронов составлять 57% от световой. Это требовало применения теории относительности. Расчёт показал что при релятивистких скоростях вещество отвечает с коэфициентом меньшим чем для низких скоростей, а именно на каждый процент сжатия давление увеличивается на 4/3 процента.  Из вычислений Чандрасекхара следовал поразительный результат – существует предельная масса белых карликов и она равна  1,4 солнечных масс.  Свои вычисления он офромил в виде двух статей.  По прибитии в Кембридж он показали их Фоулеру. Первая без проблем была послана для публикации в Physical Magazine. Вторая же, где был вывод предельной массы чёрной звезды, вызвала у Фоулера недоумение и он не поняв доказательств молодого индийца отказался рекомендовать её к публикации. Тогда Чандрасекхар отправил её в Америку и в Astrophysical Magazine. После того как Карл Эккарт вник в аргументы автора рукопись была одобрена для публикации и спустя год после написания она была опубликована.  Ответом на публикацию было гробовое молчание астрономического сообщества.

В 1934 году Чандрасекхар приезжает для обмена идеями в СССР и в Ленинграде встречается с Виктором Азамасповичем Амбарцумяном.  Советский учёный сказал что белые карлики будут замалчиваться пока Чандрасекхар не проведёт расчёт для звёзд с сопротивлениями от 5/3 до 4/3 и различных масс. Для аналитического решения это была непосильная задача. Чандрасекхар решил её численно используя предоставленную ему Эдингтоном счётную машинку «Брауншвайгер». Весь 1934 год ушёл у него на вычисления. Их результат был блестящим  - вычисленные массы и диаметры находились в хорошем согласии с данными измерений. Свои результаты Чандрасекхар должен был представить на заседании Английского астрономического общества 11 января 1935 года. Но вместо успеха его ждало сильное разочарование. После его блестящего выступления выступил Эддингтон.  Он выдвинул два возражения. Первое состояло в том указание на предельную массу белых карликов порождает вопрос о том что будет со звездами тяжелее чем 1,4 солнечных масс. Теория Чандрасекхара не давала ответа на него, а значит была неполна. По мнению Эддингтона должен быть механизм, который приводил бы более тяжёлые звёзды после смерти на кладдбище белых карликов. А во-вторых он усомнился в корректности соединения квантовой механики и теории относительности, которое сделал Чандрасекхар.  Молодой человек был потрясён, ведь знаменитый англичанин был в курсе его работы и мог обсудить её до публичного выступления.  Авторитет Эддингтона в тогдашнем сообществе астрономов был велик и большинство приняло его точку зрения.  Но к концу 30-х годов астрономы, повысив свой уровень знания физики, практически признали неправоту великого англичанина. Однако огромное уважение к его заслугам не позволяло им публично признать ошибку мэтра. Так, например, в 1939 году на астрономической конференции в Париже Эдингтон опять атаковал выводы Чандрасекхара и тот  запиской попросил у председательствующего Генри Норриса Рассела (знаменитого астонома Принстонского университета) право ответить. В ответной записке Рассел написал: «Я бы не хотел, чтобы Вы делали это». И это не смотря на то что в частной беседе утром того же дня сказал: «Здесь никто не верит Эддингтону».

Спор с Эддингтоном оказал сильное влияние на Чандрасекхара. Вот что сам он писал по этому поводу: « Я должен был для себя решить , что делать дальше? Должен ли я посвятить всю оставшуюся жизнь этой борьбе? В то время я был в середине своего  третьего десятилетия и планировал ещё леть тридцать сорок заниматься научной деятельностью, поэтому  просто не думал что было бы продуктивным постоянно отстаивать уже сделанное. Гораздо лучше было бы сменить область интересов и заняться чем- то другим». Поэтому в 1939 году он повернулся спиной к белым карликам и смерти звёзд и не возвращался к ним четверть века.

До самой своей смерти в 1944 году Артур С. Эдингтон так и не принял предельной массы белых карликов. Он хорошо понимал что этот факт  открывает  ящик Пандоры из которого может появится ужас физики того времени – чёрная дыра.