ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ, области пространства, в которых гравитационное притяжение настолько велико, что ни вещество, ни излучение не могут их покинуть. Черная дыра отделена от остального пространства «горизонтом событий» — поверхностью, на которой вторая космическая скорость равна скорости света. Поскольку в природе ничто не может двигаться с большей скоростью, никакой носитель информации не может выйти из-под горизонта событий (часто его называют «поверхностью черной дыры»). Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие «под поверхностью» черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. В то же время, вещество и излучение, падающее снаружи на черную дыру, может свободно проникать через горизонт событий. Проще говоря, черная дыра все поглощает, но ничего не выпускает; это и стало причино ее такого названия, предложенного в 1968 американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером. Теоретически черная дыра может иметь любую массу ( M). При этом ее размер ( rg — «гравитационный радиус», т. е. радиус горизонта событий) определяется условием равенства на нем второй космической скорости и скорости света ( с): G M/ rg = c2, где G = 6,67·10-11 Н м2/кг2, гравитационная постоянная. Отсюда rg = 2G M/ c2. Например, для Солнца (M = 2·1030 кг) получаем rg= 3 км, а для Земли (M = 61024 кг) получаем rg=1 см. Заметим, что вблизи черной дыры напряженность гравитационного поля так велика, что все физические процессы там, вообще говоря, можно описывать только с помощью релятивистской теории тяготения — общей теории относительности Эйнштейна. Однако формулу для rg мы получили, используя классическую ньютоновскую физику, и по счастливой случайности она точно совпадает с результатом релятивистского расчета. Создать черную дыру в условиях лаборатории, по-видимому, никогда не удастся: при любых разумных массах (даже в миллионы тонн!) ее размер должен быть меньше, чем у протона или нейтрона. Поэтому свойства черных дыр пока изучаются теоретически. Однако расчеты показывают, что некоторые звезды в конце своей жизни могут очень сильно сжиматься (коллапсировать) и превращаться в черные дыры. Поиск таких объектов ведется уже несколько десятилетий и сейчас можно с большой уверенностью указать несколько весьма вероятных кандидатов.

Свойства черных дыр

Сейчас одно из важнейших направлений физики — исследование черных дыр, поскольку вблизи них проявляются скрытые свойства гравитации. Для поведения вещества и излучения в слабых гравитационных полях различные теории тяготения дают почти неразличимые прогнозы; однако в сильных полях, характерных для черных дыр, предсказания различных теорий существенно расходятся, что дает ключ к выявлению лучшей среди них. В рамках наиболее популярной сейчас теории гравитации Эйнштейна свойства черных дыр изучены весьма подробно. Наиболее любопытные особенности черных дыр таковы: 1) Вблизи черной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если удаленный наблюдатель бросит в сторону черной дыры зажженный фонарь, то увидит, как фонарь будет падать все быстрее и быстрее, но затем, приближаясь к поверхности Шварцшильда, он начнет замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть (поскольку замедлится темп колебания всех его атомов и молекул). С точки зрения далекого наблюдателя, фонарь практически остановится и станет невидим, так и не сумев пересечь поверхность черной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул вместе с фонарем, то он за короткое время пересек бы поверхность Шварцшильда и упал к центру черной дыры, будучи при этом, к сожалению, разорван ее мощными приливными силами. 2) Каким бы сложным не было исходное тело, после его сжатия в черную дыру внешний наблюдатель может определить только три его параметра: массу, момент импульса и электрический заряд. Все остальные особенности тела (форма, распределение плотности, химический состав и пр.) в ходе коллапса «стираются». Например, если сжималось незаряженное и невращающееся тело, то в результате получится шварцшильдовская (сферически симметричная) черная дыра, а все исходные неровности тела излучатся при коллапсе в форме гравитационных волн. 3) Если исходное тело вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется «вихревое» гравитационное поле, увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее. Поле тяготения вращающейся черной дыры называют полем Керра (который первым нашел решение соответствующих уравнений). 4) Все вещество внутри черной дыры непременно падает к ее центру и образует сингулярность с бесконечно большой плотностью. Английский физик Стивен Хокинг определяет сингулярность как «место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени». 5) Хотя черная дыра «все съедает и ничего не отпускает», тем не менее возможен обмен энергией между ней и внешним пространством, например, пролетающие вблизи нее частицы или кванты могут уносить энергию ее вращения. Кроме этого С. Хокинг открыл возможность очень медленного самопроизвольного квантового «испарения» черных дыр, который, вообще говоря, может приводить к их полному исчезновению. В. Г. Сурдин