Поздравляем Роджера Пенроуза, Райнхарда Генцеля и Андреа Гез с получением Нобелевской премии по физике 2020 года за их вклад в установление существования черных дыр.
Черная дыра — это объект с бесконечной плотностью материи и кривизной пространства-времени. Черные дыры обычно образуются, когда у массивной звезды (по крайней мере, в десять раз превышающей массу Солнца) заканчивается топливо, и внешнее давление ядерных взрывов внутри звезды больше не может компенсировать внутреннее давление гравитации. Когда это происходит, звезда коллапсирует в феноменальном взрыве, называемом сверхновой. Вся материя звезды взрывается в сингулярность — центр звезды. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, плотность и кривизна пространства-времени в центре становятся бесконечными. В реальном мире, конечно, никаких бесконечностей не существует. Это говорит о том, что общая теория относительности неполна. Вероятно, она будет заменена квантовой теорией гравитации, которая лучше объяснит физику черных дыр, избегая бесконечностей. Уникальной особенностью черной дыры является горизонт событий — сфера невозврата, из которой не может вырваться ни масса, ни даже свет. Последнее делает любую черную дыру невидимой. Если бы мы отправили космический корабль к черной дыре и продолжали наблюдать за кораблем через телескоп, нам показалось бы, что он замедляется по мере приближения к черной дыре, наконец, застывая на горизонте событий. Космический корабль, конечно, провалился бы сквозь горизонт событий и был бы втянут в центр черной дыры, но все, что мы увидели бы, — это изображение космического корабля, навсегда застывшего на горизонте событий. Это потому, что, согласно общей теории относительности, гравитационное поле замедляет время. По мере того как космический корабль приближается к черной дыре, с нашей точки зрения время замедляется, пока не «остановится» на горизонте событий (в системе отсчета космического корабля время течет как прежде, когда он пересекает горизонт событий).
Хотя они были предсказаны решением Шварцшильда уравнений Эйнштейна, до Пенроуза они оставались гипотетическими объектами. В своей статье 1965 года британский математик-физик сэр Роджер Пенроуз показал, что черные дыры — это не плод воображения теоретиков, а они могут и предсказуемо образуются в природе. Пенроуз, который имеет русско-еврейское происхождение (его бабушка была концертирующей пианисткой Соней Натансон, покинувшей Россию в конце 19го века), ввел понятие «захваченной поверхности». Эта замкнутая двумерная поверхность отклоняет лучи света к центру черной дыры. В специальной и общей теории относительности время и пространство объединены в четырехмерный пространственно-временной континуум. Пенроуз показал, что внутри захваченной поверхности время и пространство меняются ролями — именно время показывает направление к центру черной дыры. Следовательно, убежать из черной дыры так же вероятно, как путешествовать назад во времени.
Астрономы давно ищут какие-либо признаки черных дыр. В 1931 году Карл Янский обнаружил радиосигнал, идущий в направлении созвездия Стрельца. В 1974 году астрономы Брюс Балик и Роберт Браун обнаружили яркий и компактный объект в галактическом центре, Стрелец A*. В начале 2000-х годов немецкий астроном Райнхард Генцель и его американский соперник Андреа Гез со своими командами отслеживали движения близлежащих звезд.
Обе команды независимо идентифицировали звезду под названием S2, чья орбита проходила близко к Стрельцу A*, и чья траектория указывала на то, что Стрелец A* может быть только сверхмассивной черной дырой.
Классические (нерелятивистские) черные дыры были впервые теоретизированы еще в восемнадцатом веке. В 1783 году в своем докладе перед Королевским обществом англичанин Джон Мичелл предположил, что свет не сможет избежать силы гравитации на достаточно большой планете. Он заключил: «Если бы такой объект действительно существовал в природе, его свет никогда не достиг бы нас». В 1796 году французский математик, физик и астроном Пьер-Симон де Лаплас опубликовал книгу Exposition du Système du Monde. В этой книге Лаплас, который следовал корпускулярной теории света Ньютона, размышлял о массивных звездах, из которых не может вырваться свет. Он назвал такую звезду corps obscur, то есть «темным телом». Эти спекуляции были забыты до тех пор, пока молодой немецко-еврейский физик Карл Шварцшильд не опубликовал свое точное решение уравнений поля Эйнштейна для сферической звезды, которое предсказало черные дыры.
Мой собственный интерес к черным дырам начался в 1970 году, когда мне было 13 лет. Я еще не знал общей теории относительности, но к тому времени я уже изучил специальную теорию относительности. Я решил использовать простую математику специальной теории относительности, чтобы построить игрушечную модель черных дыр. Постулируя максимальную плотность материи как второй инвариант теории (в дополнение к максимальной скорости света), мне удалось вычислить радиус черной дыры, который замечательно совпал (с коэффициентом 2) с радиусом Шварцшильда — результатом решения Шварцшильда уравнений общей теории относительности. Я никогда не публиковал этот результат, так как считал его детской забавой. Только намного позже я понял, что нашел что-то — то, что я эффективно построил, было версией так называемой дважды специальной теории относительности. По крайней мере, я могу спокойно спать по ночам, не беспокоясь о том, что меня разбудит ранний утренний телефонный звонок из Швеции.
Поскольку мои нынешние интересы лежат на пересечении физики и иудаизма и, в частности, в поиске структурных параллелей между ними, я предполагаю, что физическое понятие черной дыры намекается в каббалистической доктрине Цимцум, как описано в книгах Бахир, Зоар и Эц Хаим. Наиболее явное описание Цимцум дано раввином Хаимом Виталем от имени его учителя, Ари-заля, в Эц Хаим:
…Бесконечный [Свет] ([Ор] Эйн Соф) сжал Себя в своей средней точке в самом центре своего света…:
Сокращение было совершенно равномерным вокруг средней точки, так что пустота была равномерно круглой со всех сторон…
Здесь дано четкое описание сжатия света в точку сингулярности — характерное свойство черной дыры. Более того, круг, нарисованный Хаимом Виталем, представляется мне намеком на горизонт событий. Если этого было недостаточно, Зоар использует метафору Лампы Тьмы (Боцина де Карденута) для Цимцум. Бахир аналогичным образом цитирует стих из Книги Иова: «И ныне не видят света, сияет он в небесах…» (Иов 37:21), используя тьму как метафору для Цимцум. Не намекали ли Бахир и Зоар на corps obscure (темное тело) Паскаля, которое теперь называется черной дырой?
