[0:00]Предположим, вы долгое время мечтали прыгнуть в чёрную дыру. Вас мучил вопрос: что там, что внутри? Вы уже давно перечитали книги Стивена Хокинга и Кипа Торна до дыр, посмотрели все фильмы. Вы знаете, что в центре нашей галактики Млечный Путь находится сверхмассивная чёрная дыра, называемая Стрелец А со звёздочкой. Наконец, вам повезло, здоровье позволяет, и вы отправились на космическом корабле к ней. Вы подлетели на безопасное расстояние, затем покинули корабль и начали свободное падение в чёрную дыру. Есть слово из шести букв, которая лучше всего описывает то, что с вами будет. Это слово сжатие. Ваше падение продлится примерно час и закончится гибелью. Космический корабль останется на орбите, наблюдая за вашим путешествием. Прежде чем начать падать, вы столкнётесь с первой проблемой. Гравитация чёрной дыры невероятна. Её масса превышает солнечную в миллионы раз. Такое притяжение захватывает звёзды и материю вокруг, образует толстый диск из раскалённой плазмы, который вращается вокруг дыры с бешеной скоростью. Этот диск вращается почти со скоростью света и теряет энергию из-за трения, вызывая сильную турбулентность и нагреваясь до миллиардов градусов. В результате, диск производит мощное излучение: ультрафиолетовая, рентгеновская и гамма лучи. Это излучение может моментально ослепить вас и даже сжечь заживо. Чтобы пережить это путешествие, представим, что вы экипированы очень прочным скафандром. Он защищает вас от жары и фильтрует опасное излучение. Несмотря на защиту, диск по-прежнему выглядит настолько ярким, что ничего не разобрать. Поэтому ваш шлем оснащён специальным визором, который уменьшает яркость, позволяя видеть детали диска и звёзды на заднем плане. Первое, что вы замечаете, диск светится синим. Фильтр вашего визора пропускает только видимый спектр света. В этом диапазоне диск преимущественно излучает синий цвет, поскольку он несёт больше энергии, подобно очень горячим звёздам, имеющим голубоватый оттенок. Интересно, что одна сторона диска выглядит ярче другой. Причина - эффект Доплера. Тот же самый эффект наблюдается со звуковыми волнами, когда мимо вас проезжает автомобиль.
[2:10]Плазма вращается так быстро, что с одной стороны диск приближается к вам, и его световые волны уплотняются, воспринимаясь вами с большей частотой и энергией. С другой стороны диск удаляется, волны растягиваются, и вы видите свет менее ярким. Наблюдая за чёрной дырой, вы замечаете, что дальняя часть диска выглядит деформированной, будто согнута вокруг горизонта событий, образуя светящееся кольцо. Это происходит из-за мощной гравитации чёрной дыры, которая отклоняет световые лучи, создавая эффект гравитационной линзы. В результате, глядя в одном направлении, вы можете видеть объекты, находящиеся совсем в другом месте. Звёзды на заднем плане выглядят слегка голубоватыми. Вы не чувствуете этого, но гравитация чёрной дыры замедляет ход времени. Ваши часы идут медленнее по сравнению с удалёнными звёздами. Из-за этого свет от них кажется ускоренным и приобретает голубоватый оттенок. Падение через диск проходит странно. В первые 10 минут чёрная дыра кажется удаляющейся, хотя на самом деле вы к ней приближаетесь. Эта оптическая иллюзия возникает из-за того, что, двигаясь к чёрной дыре, вы видите свет, идущий с передней стороны, хотя на самом деле он приходит из другого направления. Это явление называется аберрацией. После первых 10 минут падения, ваша скорость уже достигает 4% скорости света. С этого момента чёрная дыра начинает расти в поле зрения. По мере падения ваша скорость продолжает расти. Свет, идущий впереди, становится всё ярче, в то время как свет позади темнеет. Это снова эффект Доплера. Падая в чёрную дыру, вы догоняете свет, идущий перед вами, тогда как свет позади вас становится труднее увидеть. Проходят минуты, и вы постепенно пролетаете над диском материи. Внезапно, спустя 57 минут падения, диск словно исчезает. Вы достигли зоны, где материя уже не может стабильно вращаться. Здесь гравитация настолько сильна, что плазма начинает стремительно закручиваться в спираль, устремляясь к чёрной дыре. Теперь события будут развиваться намного быстрее. Всего за 2 минуты вы приближаетесь к горизонту событий в два раза ближе, чем раньше. С этого момента любой свет, исходящий извне, обречён упасть в дыру. Эта область называется фотонной сферой. Здесь свет вращается по орбите вокруг чёрной дыры. Всего 24 секунды, и вы пересекаете горизонт событий. Теперь пути назад нет. Вы продолжаете видеть свет далёких звёзд, падающий вместе с вами, и даже можете наблюдать космический корабль, оставшийся на орбите. Часы на корабле, хотя и выглядят замедлившимися, продолжают идти. Ваше тело, включая ноги, также остаётся полностью видимым. Вопреки ожиданиям, изображение самой чёрной дыры не охватывает вас полностью. Даже находясь внутри неё, чёрная дыра занимает всего 15% поля зрения. Остальное пространство заполнено звёздами. Это происходит из-за аберрации света. Теперь, когда вы движетесь невероятно быстро, свет, идущий с боков и даже сзади, кажется вам идущим спереди. Ваше поле зрения сужается впереди и расширяется сзади. В частности, корабль позади вас кажется больше, хотя вы удаляетесь от него. Следующие 30 секунд падения пролетают мгновенно. Вы жалеете, что не прыгнули в более крупную дыру, где жили бы ещё несколько часов. Внезапно вы чувствуете невероятно мощную силу, которая начинает сжимать ваше тело. Это явление называется спагеттификацией. «Вас в прямом смысле превратит в спагетти.» «Спагеттификация» достигнет такой степени, что даже атомы вашего тела будут разорваны и в конце концов распадутся.» Ваша голова находится чуть дальше от центра дыры, чем ноги, и разница в силе притяжения настолько велика, что тело стремительно разрывается на части. В последние мгновения вам кажется, будто вы падаете на плоскую, абсолютно чёрную поверхность. Кольцо света вокруг усиливает это ощущение. Через долю секунды сжатые остатки вашего тела достигают центр чёрной дыры. «Материал вашего тела растягивается и сжимается, а затем само пространство и время растягиваются, деформируются до неузнаваемости и разрушаются.» Ваше путешествие заканчивается здесь. Современная физика пока не может описать, что именно происходит в центре чёрной дыры. Наши текущие теории говорят о сингулярностях, точках, где кривизна пространства-времени становится бесконечной. «Наибольшая загадка - это сингулярности, потому что мы не знаем, что с ними делать. Понимаете, чёрные дыры скрывают от нас сингулярности. Когда материя коллапсирует к центру, её плотность растёт всё больше и больше, превосходя всё мыслимое, - и у нас нет ни малейшего представления, как описать физику, происходящую в центре, потому что плотности, температуры и Бог знает что ещё там выходят за все рамки.» Эти слова Роджер Пенроус произнёс после получения Нобелевской премии. Он откровенно признаёт, что у науки нет теории для описания условий внутри сингулярности. Но. «Чёрные дыры - не такие уж и «чёрные». Они не те вечные тюрьмы, какими считались раньше. Вещи могут выбраться из чёрной дыры - как наружу, так и, возможно, в другую вселенную.» Всё больше физиков считают чёрные дыры отнюдь не тюрьмами Вселенной, а наоборот, её самым зорким телескопом и даже мощнейшим квантовым компьютером. Их называют ключом к пониманию устройства мира. «Говорят, реальность порой причудливее вымысла - и нигде это не верно так, как в случае чёрных дыр. Чёрные дыры более странные, чем всё, что могли выдумать писатели-фантасты, и тем не менее они - не фантазия, а научный факт» «Чёрные дыры дают теоретикам важнейшую лабораторию для проверки идей. Условия внутри чёрной дыры настолько экстремальны, что, изучая их, мы наблюдаем пространство и время в экзотической среде - среде, проливающей новый, подчас озадачивающий свет на их фундаментальную природу» Давайте же используем чёрные дыры как увеличительное стекло и разберёмся. Как время и пространство меняются местами? Существуют ли мосты между вселенными? Почему пространство не фундаментально? Где прячется бесконечное множество вселенных? И как вы можете быть одновременно сожжены и спагетифицированы? В конце видео в вашей голове сложится целостная картина, и вы убедитесь, что «В нашем стремлении к квантовой теории гравитации, в самых фундаментальных исследованиях, мы, похоже, мельком увидели более глубокий уровень мира.» При создании этого ролика я преимущественно опирался на книгу физиков Брайана Кокса и Джеффа Форшоу: Чёрные дыры - ключ к пониманию Вселенной. Кажется, её нет на русском, но, если знаете английский или пользуетесь им, рекомендую. Брайан Кокс - настоящий физик-панк. Прежде чем стать профессором Манчестерского университета, он играл на клавишах в группе D-Dream. Сейчас он является королевским астрономом по популяризации науки и членом Лондонского королевского общества. Его соавтор Джефф Форшоу - специалист по квантовой хромодинамике, профессор Манчестера и лауреат медали Максвелла. Увлекается марафонами. Уверяет, что после 30-го километра мысли о хромодинамике становятся кристально ясными. В общем, какие авторы, такая и книга. Приятного просмотра. В центре нашей галактики скрывается монстр. Он весит в 4 млн раз больше Солнца и так искривляет пространство время, что свет не может от него сбежать. Мы называем его Стрелец А со звёздочкой, сверхмассивная чёрная дыра. Чёрные дыры рождаются там, где умирают самые массивные звёзды. Они находятся в центрах галактик и на границе нашего понимания. Гравитация создаёт их, когда много материи сжимается в малом пространстве. Открытые нами законы физики предсказывают их существование, но не могут полностью описать. Каждая чёрная дыра - это загадка природы, которую мы пока не разгадали. История их изучения началась с Эйнштейна. Его теория относительности предсказала две странные вещи. Первая: массивные звёзды обречены коллапсировать в чёрные дыры сингулярностью внутри. Вторая: в прошлом существует сингулярность начала Вселенной и времени. Её имя - Большой взрыв. Выходит, теория гравитации говорит нам о природе времени. Долгое время физики не верили в чёрные дыры. Даже сам Эйнштейн в 1939-м утверждал, что они не существуют в реальности. Его коллега Эддингтон сказал проще. «Должен быть закон природы, который не позволит звезде вести себя столь абсурдно» Но такого закона нет, и звёзды ведут себя именно так. Теперь мы понимаем, что чёрные дыры - это естественная и неизбежная фаза в жизни звёзд в несколько раз массивнее Солнца, поскольку в нашей галактике миллионы таких звёзд, в ней миллионы чёрных дыр. Звёзды - это гигантские шары материи, сжимающиеся собственной гравитацией. Они сжигают водород, превращая его в гелий. Это создаёт давление, которое противостоит коллапсу. Наше Солнце сжигает 600 млн тонн водорода каждую секунду, целую гору, и так уже миллиарды лет. Кажется, что Солнце огромно. Внутри поместился бы миллион Земель. Но точнее сказать так: Солнце - карлик. Крупнейшие звёзды в 1.000 раз больше, их диаметр - миллиард километров. Поставь такую в центр солнечной системы, она проглотит Юпитер. И эти монстры обречены на коллапс. Когда топливо кончается, гравитация побеждает. Маленькие звёзды становятся белыми карликами, объектами размером с Землю, но массой с Солнце. Их спасает квантовая механика. Электроны не могут застать на месте. Когда их сжимают, они начинают бешено двигаться. Это создаёт давление. В 1930 году девятнадцатилетний Субраманьян Чандрасикар, плывя на корабле в Англию, сделал расчёт. Он понял: электроны не могут двигаться быстрее света. Если звезда тяжелее полутора масс Солнца, давления электронов не спасёт, коллапс продолжится. Тогда образуется нейтронная звезда. Электроны и протоны сливаются в нейтроны. Получается шар размером с город, но массой больше Солнца. Вы только представьте: миллион Земель, сжатых до размера Москвы. Чайная ложка такого вещества весит миллиард тонн. Некоторые нейтронные звёзды вращаются 700 раз в секунду. Первые обнаружили в 1967-м. Она пульсировала так ритмично, что её назвали маленькие зелёные человечки-1. Гравитация на поверхности нейтронной звезды в 100 млрд раз сильнее земной. Всё, что падает туда, мгновенно превращается в суп из частиц. Но есть предел: если звезда тяжелее трёх Солнц, то ничто не остановит коллапс. Звезда превращается в чёрную дыру. Сегодня мы видим их. В 2015 году детектор LIGO поймал гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр в миллиарде световых лет от нас. Они были в 25 и 36 раз тяжелее Солнца. Слились за 2 секунды. В момент слияния выделилось больше энергии, чем излучают все звёзды видимой Вселенной. В 2019 году телескоп Event Horizons сфотографировал чёрную дыру в галактике М87. Она в 6,5 млрд раз массивнее Солнца. Тёмная область в центре - это тень, откуда не может вырваться даже свет. А светящееся кольцо вокруг - это раскалённый газ, падающий в дыру. Чёрные дыры - идеальные для изучения физики. Чтобы их понять, нужна вся физика сразу: термодинамика, квантовая механика и, конечно, теория относительности. Начнём с последней. В школе учат нас, что гравитация - это просто сила, которая не даёт высоко прыгнуть. Исаак Ньютон формализовал эту идею в 1687-м. Его теория отлично работает для расчёта, ну, например, траектории космических кораблей. Но Ньютон сделал два важных допущения. Первое: время универсально. Если синхронизировать все часы во Вселенной, они всегда будут показывать одинаковое время. Второе: пространство абсолютно. Это неподвижная арена, в которой мы живём. Звучит как здравый смысл, но оба допущения неверны. В 1971 году Джозеф Хефеле и Ричард Китинг провели блестящий эксперимент. Они купили билеты на самолёт вокруг света для себя и четырёх атомных часов. Они облетели весь мир, сначала на восток, потом на запад. Затем сравнили показания своих часов с эталонными часами в обсерватории. Результат потряс. Часы летевшие на восток, отстали на 59 наносекунд. Часы летевшие на запад, ушли вперёд на 273 наносекунды. Крошечная разница, но не ноль, и точно соответствует расчётам Эйнштейна. Выходит, что время не то, чем кажется. Время течёт по-разному и зависит от скорости движения. Ну может хотя бы с расстоянием всё в порядке? Вот посмотрим на руку. Кто осмелится сказать, что расстояние между двумя пальцами зависит от точки зрения? Эйнштейн осмелился. Пространство тоже не то, чем кажется. Расстояние между двумя точками зависит от наблюдателя. Вот вам тщательно проверенный экспериментальный факт. Возьмём Большой адронный коллайдер в CERN. Это самый мощный ускоритель частиц в мире. Его окружность - 27 км, с точки зрения нас, людей. Но для протонов, летящих внутри со скоростью, близкой к световой, его окружность - всего 4 м. Эйнштейн понял это ещё в 1905-м, ещё до всех экспериментов. Что же его подтолкнуло? Ответ в том, что он увидел противоречия между теорией гравитации Ньютона и теорией электромагнетизма Максвелла. Теория Максвелла утверждает: свет всегда движется с одной и той же скоростью, почти 300 млн метров в секунду. И неважно, как движется тот, кто его измеряет. Представьте астронавта внутри космического корабля. Он бросает мяч вперёд. Для него мяч будет двигаться со скоростью, заданной силой его броска. Однако, если наблюдать за тем же событием с планеты, мяч покажется движущимся быстрее, поскольку к скорости броска добавляется ещё и скорость самого корабля. Странность возникает, если мы попытаемся провести подобный эксперимент со светом. Например, воспользуемся фонариком. Мы увидим, что, независимо от точки наблюдения, скорость света остаётся неизменной. Не имеет значения, находимся ли мы в движении или остаёмся неподвижными. Светим ли мы фонариком с неподвижной точки зрения или с движущейся, скорость света всегда одна и та же.
[16:46]Объяснить эту странность можно было только двумя способами. Нужно было либо изменить уравнения Максвелла, либо изменить представление о пространстве и времени. Эйнштейн выбрал второй путь. Если бы Эйнштейн мог извлечь из воздуха одну-единственную идею, которая привела бы его прямо к объяснению самого знаменитого уравнения физики - E = mc^2, это был бы интервал пространства-времени. Идея красиво проста. Вернёмся на космический корабль. Представим, что астронавт держит два фонарика. Один направлен назад, другой вперёд. Он включает оба фонарика одновременно и наблюдает, в какой момент лучи света достигнут концов корабля. Поскольку с его точки зрения корабль неподвижен, свет будет распространяться одинаково в обе стороны и достигнет переднего и заднего концов одновременно. Теперь посмотрим на эту же ситуацию глазами наблюдателя, находящегося на Земле. Мы уже выяснили, что скорость света неизменна для любого наблюдателя. Когда фонарики включаются, лучи света движутся с одинаковой скоростью в обе стороны. Но в это же время корабль движется вперёд, поэтому луч света, направленный назад, достигнет заднего конца корабля раньше, чем луч света, направленный вперёд, достигнет носа корабля. С точки зрения наблюдателя с планеты, эти два события уже не одновременны. Как же разрешить этот парадокс? Оказывается, мы должны отказаться от привычного представления о времени. В этой ситуации задняя часть корабля находится немного в будущем относительно середины корабля, а передняя часть корабля, наоборот, немного в прошлом. Мы можем это проверить. Есть одна величина, с которой все согласятся. Если наблюдатели посчитают величину время в квадрате минус расстояние в квадрате, все получат одинаковый результат. Эта величина называется интервалом. Он инвариантен, то есть не зависит от точки зрения. Поэтому инварианты фундаментальные. И поскольку природе всё равно на нашу точку зрения, мы должны описывать её только в инвариантных величинах. Когда мы обнаруживаем инвариант, это большое дело, потому что мы узнаём что-то объективное о Вселенной. Десятки физиков, включая Нобелевских лауреатов, называют уравнение для интервала как «одно из величайших уравнений в физике, возможно, во всей науке» Потому что инварианты фундаментальные, и слово фундаментальный важно. Оно означает, что Вселенная устроена именно таким образом. Мы не знаем более глубокого объяснения. Интервал связан с тем, что мы будем называть расстоянием между двумя событиями. Это не обычное расстояние между ними в пространстве, а расстояние в пространстве-времени. Что вообще такое событие? Это что-то, происходящее где-то и когда-то. Например, щелчок пальцами. Он произошёл здесь и сейчас, в конкретном месте и времени. Теория относительности изучает отношения между событиями. Как далеко они друг от друга и взаимодействуют ли. Это интуитивный способ думать о мире. Именно так мы говорим: встретимся завтра вечером в пабе. Вспомните события своей жизни: первый день в школе, Новый год с бабушкой, вечер в пабе. Выложите все события как бусины на нитку. Получится ваша мировая линия, путь через пространство-время. Все моменты вашей жизни, прошлое и будущее, существуют где-то в пространстве-времени. Ваши воспоминания - это события, которые всё ещё там. Ваше будущее, включая смерть, ждёт вас где-то в пространстве-времени. Если бы у вас был идеальный секундомер, который вы запустили в момент рождения и носили всю жизнь, часы измерили бы длину вашей мировой линии от рождения до текущего момента. Длина вашей мировой линии - это ваш возраст. Как прекрасно было бы свободно путешествовать по этой линии, возвращаться в любой момент. Но интервал это запрещает. И вот почему. Представьте, что вы зажигаете свечу. Она испускает свет, который распространяется во всех направлениях, образуя растущий световой пузырь. Этот пузырь трёхмерный и растёт со скоростью света. А что, если мы сделаем его двумерный срез? Тогда пузырь света будет выглядеть как расширяющийся вокруг нас круг. Если разложить это явление на отдельные кадры и сложить их друг за другом, получится конус, расширяющийся от прошлого к будущему. Стороны этого конуса наклонены под углом 45 градусов, так как скорость света постоянна. Например, за 1 год свет всегда пройдёт расстояние в один световой год. Что интересно, какой бы путь мы ни выбрали, мы всегда останемся внутри этого конуса. Выйти за его пределы невозможно. Чтобы понять, почему так, представим далёкое событие. Например, взрыв сверхновой. Это событие сможет повлиять на нас только тогда, когда его световой конус достигнет Земли. До этого момента никакая информация о взрыве не может достигнуть нас, поскольку ничто не движется быстрее света. Мы увидим и почувствуем этот взрыв лишь после того, как окажемся внутри его светового пузыря. Таким образом, причинность, то есть способность одного события повлиять на другое, ограничена скоростью света. Но что ещё важнее, световые конусы помогают понять глубокое различие между понятиями пространства и время. В чём разница между временем и пространством? В пространстве мы можем двигаться в любом направлении, разворачиваться и даже замыкать свой путь в петлю. Во времени же все объекты вынуждены двигаться строго в одном направлении - от прошлого к будущему. Во времени повернуться назад невозможно. Световые конусы ясно показывают это отличие. В пространстве мы свободно выбирать любое направление, но во времени последовательность световые конусы вынуждают нас двигаться исключительно вперёд. Мы не можем повернуться обратно, потому что остаёмся заключёнными внутри этих конусов. Это свойство позволяет строго определить понятие времени. В теории относительности временем называется направление, в котором ориентированы световые конусы. Именно в этом направлении нельзя повернуть назад. Время - это направление, куда ведут все допустимые траектории, и где неизбежно находится наше будущее. Пространство же - это все остальные направления, перпендикулярные времени.
