Нереальная реальность. Вся трилогия в одной книге

Второе поколение звёзд сформировалось из этого вещества. Оно было более богато металлами. Самые молодые звёзды, такие как наше Солнце, содержат самое большое количество тяжёлых элементов.

Когда мы смотрим на небо, все звёзды выглядят примерно одинаково. На самом деле, во Вселенной существует несколько их видов.

Красные гиганты.

Это самые большие звёзды в космосе. Их радиус может составлять 800 радиусов Солнца, а светимость превышать солнечную в миллион раз.

Звёзды становятся красными гигантами на поздней стадии своей эволюции, когда в них полностью выгорел весь водород и началось горение гелия.

Красные гиганты имеют плотное горячее ядро и огромную внешнюю оболочку, температура которой относительно невысокая.

Коричневые карлики.

Самые маленькие по массе разновидности звёзд.

Можно даже сказать, что это неудавшиеся звёзды. Они состоят только из водорода. У них нет внутреннего источника собственной энергии в виде термоядерного синтеза из-за низкой температуры. Это очень тусклые объекты, постоянно остывающие на протяжении всей своей жизни.

По своему размеру коричневый карлик всего лишь в десять раз больше Земли.

В галактике содержатся миллиарды коричневых карликов. Сейчас их роль невелика. Но когда Вселенная значительно состарится, именно в коричневых карликах будет содержаться большая часть всего оставшегося вещества.

Ближайшие к Земле коричневые карлики находятся всего в 12 световых годах от нас. Это компоненты кратной звезды ε Индейца.

Белые карлики.

Многие звёзды в конце свой жизни превращаются в белых карликов. Такая судьба ждёт, в частности, наше Солнце.

Белые карлики состоят из вырожденного вещества и не имеют собственного источника термоядерной энергии. В таком состоянии звезда уже не излучает энергию в силу отсутствия топлива. Однако, остывая, продолжает светиться ещё очень значительное время.

Белый карлик, по массе равный Солнцу, имеет радиус примерно, как у Земли. Его светимость в 10 000 раз меньше солнечной.

В конце эволюции нашей Галактики в ней будет содержаться триллион белых карликов.

Квазары.

Это самые яркие объекты во Вселенной, они видны на огромных расстояниях. Поэтому часто квазары называют маяками космоса. С их помощью удобно изучать эволюцию и структуру нашего мира.

Квазары расположены практически на границе видимой части Вселенной. Ближайший к Солнцу квазар 3С273 находится на расстоянии в 2 млрд. световых лет. Самый далёкий из известных, расположен в 28-и млрд. световых лет.

Типичная яркость квазара составляет 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 ватт. Это соответствует светимости ста галактик одновременно. Если расположить квазар 3C273 на расстоянии в 33 световых года от Земли, то он будет сиять в небе так же ярко, как Солнце. Его светимость в 100 раз больше светимости всего Млечного Пути, а мощность излучения превышает мощность излучения триллиона солнц.

Квазары горят примерно 100 млн. лет, а потом угасают. Размер типичного квазара примерно равен Солнечной системе. В нём каждую минуту поглощается масса, составляющая шестьсот Земель.

Квазары – очень старые объекты. Они были чрезвычайно распространены в ранней Вселенной. Мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. На самом деле, в режиме реального времени, все они уже погасли.

Большинство галактик, включая Млечный Путь, изначально родились как квазар, но давно миновали эту активную стадию своей эволюции.

Нейтронные звёзды.

Если сжать звезду до колоссальной плотности, то её вещество примет стабильную, хотя и очень экзотическую структуру. Оно будет находиться исключительно в форме нейтронов. Поэтому нейтронная звезда напоминает атомное ядро огромного размера. Такие сверхплотные объекты порождаются от одной из четырёхсот звёзд Млечного Пути. Их намного меньше, чем звёзд-карликов, но в масштабах Галактики – миллионы.

Типичная нейтронная звезда в полтора раза массивнее Солнца. При этом её радиус составляет всего от 10-и до 30-и километров. Ядро нейтронной звезды столь плотное, что одна ложка её вещества весит 90 млрд. килограмм.

Пульсары.

Это нейтронные звёзды, которые испускают узконаправленные потоки радиоизлучения и вращаются с огромной скоростью. Со стороны кажется будто они пульсируют. Отсюда появилось название таких космических объектов.

Первый открытый пульсар показался астрономам настолько необычным, что была высказана гипотеза об искусственности его периодических импульсов. Поэтому он получил наименование LGM-1 (пер. с англ. – «маленький зеленый человечек» – 1). В настоящий момент природа пульсаров хорошо изучена. Их естественность не вызывает сомнений.

Магнитары.

Сверхплотная нейтронная звезда, обладающая очень сильным магнитным полем, называется магнитар. Продолжительность жизни магнитара незначительна и составляет всего 10 тыс. лет.

Вещество внутри магнитара предельно плотно сжато. Масса подобного объекта больше массы звезды типа Солнца, но его диаметр составляет всего 20 километров.

Магнитар очень быстро вращается, совершая несколько оборотов вокруг своей оси в течение одной секунды. Он сильно излучает в рентгеновском диапазоне.

В крупной галактике типа Млечного Пути содержится несколько миллионов магнитаров.

Сверхновые звёзды.

Термоядерный синтез со временем приводит к образованию внутри звезды большого количества тяжёлых элементов, в первую очередь, железа и никеля. При этом звезда постепенно сжимается, а плотность её центральной области необратимо возрастает. Из-за огромного давления протоны ядер железа начинают поглощать электроны, превращаясь в нейтроны.

При столь огромном давлении электроны начинают буквально вталкиваться в ядра атомов металла. Железное ядро массивной звезды коллапсирует. Температура повышается до нескольких триллионов градусов. Затем следует катастрофическое расширение при ядерной плотности. Происходит чудовищный по силе взрыв.

Взрывная волна настолько мощна, что разрывает наружные оболочки звезды. Вещество распыляется в окружающем пространстве со скоростью до 30 тыс. километров в секунду. Это и есть взрыв сверхновой.

По большому счету, сверхновая – это не звёздный объект, а процесс, последний из возможных этапов эволюции звезды.

Взрыв сверхновой – ярчайшее космическое событие. Современная аппаратура позволяет фиксировать во всей Вселенной около 300 взрывов сверхновых ежегодно. Но, применительно к отдельной галактике, это нечастое явление. Например, в Млечном Пути сверхновая взрывается в среднем один раз в пятьдесят лет. Большинство взрывов происходят в других концах Галактики, и они невидимы для нас.

Лишь несколько раз в истории человечества сверхновые вспыхивали достаточно близко, чтобы их можно было наблюдать невооруженным глазом.

Первое описание содержится в древнекитайских летописях и рассказывает о вспышке, произошедшей 7 декабря 185 года. Тогда звезда взорвалась «всего» в трёх тысячах световых годах от Солнечной системы.

В 1604 году произошла столь яркая вспышка, что в течение трёх недель сверхновую было видно днём.

Взрыв 1054 года привел к образованию красивой Крабовидной туманности.

Последняя видимая невооруженным глазом сверхновая звезда SN1987A вспыхнула в Большом Магеллановом Облаке на расстоянии в 169 тыс. световых лет от Земли в 1987 году.

Яркость взрыва сверхновой на некоторое время превосходит яркость всей галактики, в которой она находится. Его мощность достигает 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 ватт. Это исключительно красивое зрелище. Но не только.

Вспышки сверхновых звёзд играют важнейшую роль в эволюции Вселенной. При мощнейшем взрыве и огромной температуре синтезируются элементы, в том числе тяжелее железа, которые впоследствии разносятся по всему космосу. Это критически важно для возникновения жизни.

После Большого Взрыва Вселенная было заполнена исключительно лёгкими газообразными элементами типа водорода и гелия. Конечно, в таких условиях не могло образоваться ничего сложного. Газообразная жизнь вряд ли реальна. Твёрдое химическое вещество сформировалось в недрах звёзд, а впоследствии было выброшено в окружающее пространство во время взрывов сверхновых.

Практически все атомы, из которых состоит ваше тело, миллиарды лет назад образовались внутри давно погибших звёзд. Когда позже они взорвались как сверхновые, вещество было разбросано по всей Галактике. Из него образовалось Солнце, Земля и всё, что существует на поверхности планеты, включая нас с вами.

Мы убеждены, что Солнечная система – наш родной космический дом. Но всё намного сложнее.

Можно точно утверждать, что Солнце не является для нас истинно материнской звездой. По-настоящему «родной» для нас была исчезнувшая миллиарды лет назад во вспышке сверхновой безымянная звезда. Именно благодаря ей, окружающая область пространства оказалась насыщена тяжёлыми элементами. И только потом, много позже, в этом месте космоса зародилась наша планетная система. Возможно, когда-нибудь в будущем учёные смогут точно установить тип звезды, которая дала нам жизнь.

Величественно осознание того факта, что и ваше, и моё тело состоят из древних звёздных частиц.

Мы – дети звёзд в прямом, буквальном смысле этого слова.

Глава 14. Сингулярность

Во Вселенной можно наблюдать множество удивительных явлений. Одно из самых загадочных – сингулярность.

Наш мир возник из первоначального состояния бесконечной плотности материи и температуры, которое называется космологической сингулярностью. То была экстремальная эпоха, когда не работали известные нам законы физики.

С тех пор прошли миллиарды лет, однако, и в современной Вселенной существует огромное число сингулярностей.

При гибели, коллапсе гигантской массивной звезды неизбежно формируется чёрная дыра. В её центре располагается точка сингулярности, изолированная от внешнего мира виртуальной границей – горизонтом событий. Это скорее не объект, а момент времени, когда материя достигает особого состояния, подобного Большому Взрыву, только направленного в противоположную сторону. Такой процесс, происходящий при максимально возможных экстремальных условиях, характеризуется бесконечными величинами.

Внутри сингулярности происходит нечто уникально интересное. Её истинную природу определяет квантовая гравитация.

В привычном нам мире квантовая механика применяется к микрообъектам, а гравитация – к макрообъектам. В сингулярности квантовая механика и гравитация сталкиваются лоб в лоб. В этой точке пространство-время в нашем понимании разрывается.

Наука пока не способна объяснить подобную конфигурацию. Сингулярность ясно демонстрирует, что современное понимание законов природы не применимо к сверхмалым расстояниям при больших значениях плотности и энергии. Любая физическая интерпретация происходящего попросту неадекватна. Математическое описание такого состояния становится абсурдным, похожим на настойчивую, но абсолютно бесполезную попытку разделить число на нуль.

Сингулярность характеризуется настолько высоким уровнем плотности материи, что всё, попадающее в неё, неизбежно разрушается. Скрытые внутри явления не могут быть исследованы учёными даже теоретически. В столь специфичном состоянии могут проистекать самые разнообразные процессы, которые никоим образом не способны повлиять на внешний мир.

Что происходит с разрушенной материей, куда исчезает информация – на эти вопросы пока нет ответов. Ясно лишь, что когда какая-то физическая величина становится бесконечной, это может означать только одно из двух: или теория неверная, или что-то происходит совсем не так, как ожидалось.

Сингулярность надёжно скрывает свои тайны за горизонтом событий. Природа будто бы нарочно запрещает её исследование. Роджер Пенроуз12 назвал данный факт, «гипотезой космической цензуры». Кроме того, выдвигалось предположение, что сингулярность – это точка перехода из нашей Вселенной в другие миры. Но это не более, чем очень смелая теория.

Интрига ещё больше возросла, когда выяснилось, что при определённых моделях коллапса звезды не происходит образования горизонта событий. Но сингулярность всё равно возникает. Её называют неприкрытой, или голой. В этом случае «космическая цензура» перестаёт работать.

Если проникнуть за горизонт событий можно только в одну сторону, то к голой сингулярности можно приблизиться, изучить, а потом вернуться обратно. Кроме того, из этой модели следует, что загадочные процессы, происходящие внутри сингулярности, теоретически способны оказывать влияние на внешний мир.

Указанная теория подтверждена вполне корректными математическими расчётами. Возможное существование голой сингулярности ставит с ног на голову сами основы современной науки ввиду одного крайне неприятного факта. Дело в том, что в ней нарушаются базовые принципы общей теории относительности Эйнштейна.

Голая сингулярность делает природу полностью непредсказуемой. Это малоприятный факт для науки. Если голая сингулярность может наблюдаться снаружи, то из неё в буквальном смысле слова в следующее мгновение может неожиданно появиться, например, ваш сосед, живой динозавр или старый ботинок. Когда сингулярность скрыта за горизонтом событий, тогда столь странные явления невозможны. Никто не способен преодолеть горизонт.

Но, если в природе существуют голые сингулярности, а это возможно, то «неадекватность» их поведения разрушит предсказуемость законов всего Мироздания.

Конечно, нарушение постулатов теории относительности внутри сингулярности само по себе не означает, что теория Эйнштейна неверна. Сингулярность может быть особой точкой-границей пространства-времени, где заканчивается понятная нам физическая реальность. Остаётся надеяться, что полная теория квантовой гравитации даст ответы на поставленные вопросы.

В конце концов, все мы с вами возникли из одной космологической сингулярности – Большого Взрыва. И это понимание особо располагает к дальнейшему изучению этого невероятно загадочного космического явления.

Глава 15. Чёрные дыры

В космосе очень мало массивных звёзд. Лишь одна из трёх тысяч способна стать сверхновой. Но, когда это случается, после взрыва большой звезды на её месте остается исключительно загадочный объект – чёрная дыра.

Материальные плотные остатки взорвавшейся звезды гравитационно нестабильны. При взрыве сверхновой внешняя оболочка звезды разлетается, а внутренняя масса моментально обваливается в центр и, испытывая катастрофическое гравитационное сжатие, образует чёрную дыру.

В центре чёрной дыры концентрируется столь огромная энергия и масса, что пространство-время закручивается в конфигурацию с бесконечной кривизной и образуется сингулярность. Ткань пространства-времени как бы прокалывается в этом месте.

Появляется чрезвычайно компактный объект. И вот почему.

Для того, чтобы оторваться от поверхности Земли и улететь в межпланетное пространство, необходимо достичь второй космической скорости. Она составляет примерно 11 километров в секунду. Именно такую скорость развивают при взлёте с поверхности нашей планеты современные космические корабли.

Но, если умудриться сжать Землю до размера апельсина, то для отрыва от её поверхности надо будет развить скорость в 70 тысяч километров в секунду. Это почти что 25% от скорости света.

Если продолжать сжимать Землю до того момента, когда она превратиться в маленький шарик диаметром в сантиметр, то даже луч света, имеющий скорость 300 000 километров в секунду, не сможет оторваться от её поверхности. Земля станет невидимой чёрной точкой.

Объект, который не способен излучать свет, кажется внешнему наблюдателю абсолютно тёмным. Собственно, отсюда и появилось название «чёрная дыра».

Чёрная дыра размером с апельсин в пять раз тяжелее Земли.

В традиционном описании чёрная дыра состоит из двух частей. В её центре находится объект бесконечно малых размеров, в котором не действуют законы физики – сингулярность. Вокруг имеется область пространства-времени, которую ничто, даже свет, не способен покинуть. Граница этой области – горизонт событий. Чёрная дыра посредством горизонта событий разделяет сингулярность и «обычный», классический космос, что не позволяет им влиять на причинно-следственные связи в наблюдаемом мире.

Радиус горизонта событий чёрной дыры называется радиусом Шварцшильда13 в честь учёного впервые рассчитавшего соответствующие уравнения. У чёрной дыры с массой Земли радиус Шварцшильда составляет всего 9 миллиметров, а с массой Солнца примерно 3 километра.

Чёрные дыры стремительно вращаются, некоторые со скоростью свыше полутора миллионов километров в час. Гравитационное притяжение чёрной дыры настолько огромно, что никакой сигнал не способен покинуть пределы радиуса Шварцшильда.

Если объект пролетает мимо чёрной дыры на безопасном расстоянии, то он отклоняется от неё, как от обычной звезды. Однако, стоит только переступить порог, называемый горизонтом событий, как тут же любое тело попадает в гравитационную ловушку и обратного пути никогда не будет.

Чёрная дыра поглощает абсолютно всё, что только существует во Вселенной. Попав в ловушку, вернуться назад невозможно. Потому что для этого необходимо превысить скорость света. А это противоречит законам физики.

Важно понимать, что, хотя горизонт событий представляет собой внешнюю границу чёрной дыры, но это не оболочка и тем более не твёрдая поверхность. Это абстрактная сфера, радиус которой тем больше, чем больше масса чёрной дыры. А сама чёрная дыра пустая вплоть до самого центра, где сконцентрировано всё её вещество.

Именно в точке сингулярности оно сжато до предельно допустимой в природе плотности.

Там в одном кубическом сантиметре содержится 1093 грамм материи. Подобную плотность очень трудно себе представить.

Существует два типа чёрных дыр.

Первые – звёздные, которые я только что описал, образуются после гибели звёзд.

Но, есть и чёрные дыры второго типа – галактические. Они располагаются в центрах галактик, и их масса может составлять миллиарды солнечных масс.

Такие чёрные дыры образуются, когда вблизи галактического ядра собирается огромное количество зарождающихся звёзд. Большое скопление материи приводит к естественному образованию чёрной дыры, которая поглощает юные звёзды и постепенно наращивает свою массу. Когда «добыча» иссякает, чёрная дыра вступает в стадию относительно стабильного существования.

Наличие чёрной дыры в центре Млечного Пути установлено экспериментально. Её масса составляет около 2.5 миллиона солнечных масс.

По космическим меркам это не очень большой объект. Чёрная дыра в центре соседней Туманности Андромеды весит 30 миллионов солнц.

Астрономы обнаружили вблизи «нашей» галактической чёрной дыры звезду, которая обращается около неё со скоростью в 2% от скорости света. Это быстрее, чем скорость вращения электрона вокруг ядра в атоме. Только вообразите себе, насколько огромной должна быть сила гравитационного воздействия, чтобы целая звезда так быстро вертелась вокруг единого центра притяжения.

Но, конечно, самое необычное свойство чёрной дыры – нарушение вблизи неё привычного течения времени. Это не фантастическая гипотеза, а прямое следствие теории относительности Эйнштейна.

Гравитация вблизи чёрной дыры настолько сильная, что ход времени часов чрезвычайно замедляется. Над горизонтом событий они будут идти в десять тысяч раз медленнее, чем на Земле. В самой непосредственной близости от чёрной дыры время практически останавливается.

По часам наблюдателя может пройти лишь несколько дней, но вся остальная Вселенная состарится на сотни миллиардов лет и вступит в завершающую фазу своей эволюции. В чёрной дыре мгновение становится практически бесконечным. К этому удивительному факту я ещё неоднократно буду обращаться в ходе дальнейшего повествования.

Все чёрные дыры удивительно похожи друг на друга. У каждой из них есть всего три отличительных особенности.

Во-первых, это масса.

Во-вторых, электрический заряд.

В-третьих, скорость вращения.

И это всё. Две чёрные дыры с одинаковыми массой, зарядом и вращением совершенно неотличимы друг от друга. У них нет «индивидуальных» свойств.

Когда эти особенности чёрных дыр стали известны, многие физики были весьма озадачены. Ведь те же самые характеристики свойственны всего лишь ещё одним объектам во Вселенной. Но каким!

Именно этими свойствами – массой, зарядом и спином – отличаются друг от друга элементарные частицы. Подобная схожесть невольно заставляет выдвинуть гипотезу – а не являются ли чёрные дыры сверхмассивными элементарными частицами?

И если это так, то совершенно непонятны физические и философские последствия этого вывода.

Высказывались предположения, что чёрные дыры и элементарные частицы могут быть двумя сторонами одной медали – двумя разными аспектами фазового перехода единой материи.

Примерно аналогичное свойство присуще воде, которая может быть газообразной, жидкой и твёрдой. Стороннему несведущему наблюдателю было бы сложно догадаться, что лёд, жидкость и пар – суть одно и то же в разных фазовых состояниях. Может быть, подобный подход применим и к чёрным дырам?

Во всяком случае, никакого более вразумительного объяснения пока что не придумано.

Следует сказать ещё об одном интересном свойстве чёрной дыры. Дело в том, что её температура обратно пропорциональна массе. Это противоречит нашему повседневному опыту, но это факт.

Мы знаем, что в обычных условиях для нагревания объекта надо обеспечить его энергией. У чёрной дыры всё наоборот. Чем больше она поглощает вещества или энергии – тем сильнее она охлаждается. Кажется, что рано или поздно любая «насытившаяся» чёрная дыра должна стать абсолютно холодной. Но этот вполне логичный вывод оказался ошибочным.

В 1974 году Стивен Хокинг14 установил, что чёрные дыры не совсем чёрные, а обладают минимальной положительной температурой чуть выше абсолютного нуля. Это было потрясающее открытие с далеко идущими последствиями.

Дело в том, что любое тело, имеющее температуру, обязано излучать. Но это в корне противоречит главному качеству чёрной дыры – ничего от себя не отпускать, включая свет и вообще любое излучение. Как решить возникшее противоречие?

На помощь пришла квантовая физика. Поскольку я ещё буду детально рассказывать об этом передовом разделе современной науки, то в этой главе главное, не разобраться в квантовых законах, а просто уловить суть идей Хокинга.

Суть вот в чём.

Пустое пространство лишь кажется пустым. Вакуум постоянно вибрирует на микроуровне, в пространстве беспрестанно происходят так называемые квантовые флуктуации.

В этом динамичном состоянии постоянно рождаются элементарные частицы, которые являются парными, то есть частицей и античастицей. Время их жизни необычайно мало. Из-за того, что они парные, они почти что моментально взаимно аннигилируют, и мы не замечаем их рождения и смерти в обычных условиях.

Однако, вблизи горизонта событий чёрной дыры, условия, мягко говоря, далеки от обычных. Пара частица-античастица быстро взаимно уничтожается, если поблизости нет внешних полей, способных повлиять на их поведение. Но, рядом с чёрной дырой наблюдается сильнейшее гравитационное поле.

Оно настолько мощное, что успевает как бы выхватить одну из рождённых частиц из объятий аннигиляционной смерти, и затянуть её внутрь чёрной дыры. Вторая частица, соответственно, остаётся без пары.

Но, в отличие от захваченного партнёра, энергия гравитационного поля не втягивает её внутрь чёрной дыры, а, наоборот, отталкивает эту одинокую частицу от горизонта событий. В результате подобного «разлучения пар» со стороны кажется, что чёрная дыра непрерывно испускает излучение, названное излучением Хокинга.

До недавнего времени считалось, что если объект попал в чёрную дыру, то содержащаяся в нём информация навсегда потеряна для внешнего мира. При этом не утрачена для Вселенной в целом, что противоречило бы законам физики. Информация оказывается надёжно спрятанной за горизонтом событий. Казалось бы, что об объектах, попавших в чёрную дыру, можно забыть навечно. Ведь даже фотоны света, как потенциальные переносчики информации, не способны преодолеть её гравитационного притяжения.

Однако, не всё так одназначно.

Обращусь к такой аналогии. Представьте, что у вас есть две одинаковые по размеру фотографии. На одной изображены вы, а на другой, допустим, ваш отец. Если порвать снимки на мелкие кусочки то, на первый взгляд кажется, что перед вами лежит две одинаковых кучки мелко разорванной фотобумаги. Конечно, это не так.

Проявив усердие и терпение, вы сможете восстановить изначальное изображение, как своё, так и вашего отца. А теперь, допустим, что одну из этих фотографий вы выбросили в чёрную дыру.