У цій спеціальній ілюстрованій статті Бен Платтс-Міллс пояснює, чому Альберт Ейнштейн та інші видатні фізики відмовлялися вірити в реальність чорних дір. Чи були вони надто незвичайними та чудовими, щоб їх уявити?
Усі зірки врешті-решт повинні померти, але коли вони це роблять, вони починають жити в загробному світі.
Менше тіло, як наше Сонце, швидше за все, стиснеться і стабілізується як надщільний «карлик».
Більша зірка може колапсувати в нейтронну зірку, кулю субатомних частинок діаметром лише кілька кілометрів, але з гравітацією достатньо сильною, щоб уповільнити час і розрізати сусідні тіла на «спагетизовані» струмені матерії.
Але для наймасивніших зірок смерть означає перетворення на щось, що не піддається не тільки опису, але й самій думці.
- Історія Оппенгеймера, яка не отримає Оскара
- Лист Ейнштейна до Рузвельта про атомну бомбу незабаром продадуть з аукціону
- Нобелівський лауреат Пітер Хіггс, батько «частинки Бога», помер у віці 94 років
Під вагою власної гравітації вони розпадаються за межі будь-якого життєздатного стану матерії, утворюючи раптовий, експоненціальний вибух: імплозія настільки абсолютна, що вона пронизує простір-час і розчиняє все, що ми знаємо як фізику в його околицях.
Утворився гравітаційний вихор – чорна діра – поглинає всю матерію, всю енергію, всю яскравість, навіть зірку, яка його створила.
Навіть світло не може втекти від неї, коли воно потрапляє в її досяжність.
Як невидимий шов на одязі, чорна діра створює щипок у Всесвіті, натягуючи тканину навколо себе, як оболонка непроникної темряви.
Його можна розпізнати лише за його ефектами: його винятковим гравітаційним полем і просторово-часовим викривленням, яке воно створює, або «лінзою».
Існування чорної діри почало отримувати визнання в 1960-х роках і нещодавно було доведено зображеннями, зробленими такими телескопами, як Event Horizon.
Зараз вважається, що вони знаходяться в центрі більшості галактик, тобто їх може бути мільярд, розкиданих по всьому космосу.
І все ж їх теоретичні основи були закладені більше ста років тому.
Як описав це фізик Вернер Ізраель, докази «не можна було ігнорувати ще в 1916 році», але протягом десятиліть вони заперечувалися найвидатнішими вченими світу, включаючи Альберта Ейнштейна, чия власна робота привела до їх відкриття.
Чорні діри були надто дивними, надто тривожними для фізиків початку 20-го століття, що викликало те, що Ізраїль назвав «опором, який межує з ірраціональним».
Це ілюстрована історія наукового опору та того, чому фізикам знадобилося півстоліття, щоб визнати, що чорні діри можуть бути реальними.
Відносні значення
І хоча деякі вчені припускали існування подібних об’єктів під назвою «темні зірки» більше 200 років тому, саме теорія загальної теорії відносності Ейнштейна заклала основи для розуміння того, як можуть утворюватися чорні діри.
Вперше опублікований у жовтні 1915 року, він був фундаментальним переглядом класичної фізики, яка домінувала в науці та філософії протягом століть.
Як пояснив Ейнштейн у 1921 році, «колись вважалося, що якщо всі матеріальні речі зникнуть із Всесвіту, час і простір залишаться».
Згідно з теорією відносності, однак...
...час і простір зникають разом із усіма речами.
Ейнштейн показав, що простір і час постійно розтягуються та спотворюються масами, такими як зірки та планети, і що це пояснює існування гравітації.
Він стверджував, що тіла притягують одне одного не через «силу», яка їх притягує, а через «кривину» Всесвіту, викликану масою.
Чим більша маса, тим більшу кривизну вона створює, а отже, тим більша гравітаційна сила.
Коли Ейнштейн вперше опублікував свою теорію, він не прив’язував розв’язки до власних рівнянь, які б розкрили йому наслідки його відкриття.
Цей крок зробив інший вчений.
У листопаді 1915 року Карл Шварцшильд був лейтенантом артилерії німецької армії на Східному фронті.
Він прочитав нову теорію Ейнштейна, працюючи на метеостанції поблизу лінії фронту, і написав йому листа.
Його лист запропонував відсутні рішення та показав, як їх можна використовувати для моделювання гравітації зірки.
- Як життя може мандрувати нашою галактикою
- Вражаючі фотографії з телескопа Джеймса Вебба через два роки після запуску
Пізніше Шварцшильд вказав на одну властивість моделі: радіус стиснення під будь-якою зіркою — або будь-якою іншою сферичною масою — починає нескінченно вибухати під вагою власної сили тяжіння.
У застосуванні до фізики реального світу це мало жахливі наслідки.
Це означало, що зірка продовжувала б розпадатися вічно, а її маса зменшувалась і ставала меншою.
Його сила тяжіння ставала б сильнішою, оскільки вона невблаганно поглинала навколишню масу, поки, нарешті, не досягла точки «сингулярності», моменту, коли закони фізики перестали діяти, а простір і час перестали існувати.
Через десятиліття сингулярність Шварцшильда буде визнана поворотним моментом у теоретичній фізиці - як перший натяк на існування чорної діри.
Проте особисто Шварцшильд відкинув цю ідею як математичний артефакт.
Критичний радіус, як зробив висновок Шварцшильд, був просто межею стиснення зірки - точкою, в якій вона припинила б розпадатися.
Замість відкриття чорних дір він став першою людиною, яка в принципі відкинула докази їхнього існування.
Ми ніколи не дізнаємося, чи міг він переглянути свої власні ідеї пізніше, оскільки він помер від аутоімунного захворювання в 1916 році.
Реакція Ейнштейна на рішення Шварцшильда була неоднозначною.
З одного боку, ми знаємо, що він був задоволений, тому що допоміг Шварцшильду опублікувати їх у науковому журналі перед смертю.
З іншого боку, схоже, що він був стурбований тими особливостями, які містили ці рішення.
У 1935 році разом із колегою Натаном Розеном він представив нову концепцію, розроблену з явною метою позбутися від них.
Поєднуючи одну екстремальну гравітаційну подію з іншою, «міст» Ейнштейна-Розена — пізніше популяризований як «червоточина» — утворив своєрідний тунель між двома зонами простору-часу, замінивши сингулярності розпаду матерії тимчасовим порожнім тунелем. .
Ейнштейн і Розен були однозначні щодо мотивів публікації цієї ідеї: сингулярності, як вони писали, «ми не можемо прийняти. Тому що сингулярність вносить стільки довільності в теорію, що практично зводить нанівець її закони».
У 1939 році Ейнштейн повернувся до цієї проблеми, продемонструвавши, що зірка, що колапсує, не може стати стабільною при критичному радіусі, визначеному Шварцшильдом, і дійшовши висновку, що сингулярності «не існують у фізичній реальності».
Здається, що найбільший фізик свого часу чомусь не хотів — навіть не міг — думати про сингулярності та нескінченності, які вони містили.
Він був не один у цьому.
Сер Артур Еддінгтон був секретарем Королівського астрономічного товариства Великобританії та головним популяризатором Ейнштейна в англомовному світі.
Він переклав загальну теорію відносності для англійських журналів, а потім, у 1919 році, очолив експедицію, щоб перевірити одне з її найбільших передбачень.
Подорожуючи на західноафриканський острів Прінсіпі, він зробив серію фотографій під час сонячного затемнення.
Коли їх стало видно в темряві затемнення, фотографії показали, що зірки на тому самому полі зору, що й Сонце, виявилися в дещо іншому положенні, ніж під час перегляду вночі, за відсутності Сонця.
Це довело, що гравітація Сонця викривляє світло зірок — викривляє простір-час — як і передбачала загальна теорія відносності.
Принаймні одне можна сказати точно: світло має вагу
Одне можна сказати напевно, решта залишається предметом обговорення
Світлові промені, коли вони близькі до Сонця,
вони збиваються зі шляху
Парадоксально, що після таких зусиль, щоб продемонструвати ефекти відносності, Еддінгтон, як і Ейнштейн, не зміг прийняти її найважливіші наслідки.
У своїй впливовій книзі «Внутрішня структура зірок», опублікованій у 1926 році, він чітко висловив припущення про те, що астральне тіло є достатньо масивним, щоб утримувати світло, неможливо.
Гігантська зірка Бетельгейзе, наприклад, «не може бути такою ж щільною, як Сонце», тому що «сила тяжіння була б настільки великою, що світло не могло б вирватися з неї», і тому що маса створила б такий викривлений простір-час, що « простір замкнувся навколо зірки, залишивши нас поза (тобто ніде)».
Але математика була не на його боці.
- Що таке математика: Між цифрами та реальністю
- Мало хто чув про цю систему числення, а в Європі вона використовується століттями
У липні 1930 року 19-річний студент Субраманджан Чандрасекар прямував на пароплаві зі свого дому в Індії до Англії, щоб розпочати аспірантуру в Кембриджському університеті.
Ще на борту він провів деякі розрахунки і виявив, що доля вмираючої зірки неминуче залежить від її маси.
Зірка розміром приблизно з Сонце поступово зменшуватиметься і стабілізуватиметься як надщільний «білий карлик», але лише трохи більша зірка створюватиме надто сильну гравітацію, щоб не відставати від цього поступового зниження.
«Тоді я не розумів, що означає це обмеження, — писав він пізніше, — і не знав, чим усе закінчиться».
Зірка великої маси не може перейти в стадію білого карлика і починають просто міркувати про інші можливості.
Еддінгтону не сподобалися звуки цих «інших можливостей», і на конференції в 1935 році він почав приголомшливу публічну атаку, виклавши свою опозицію до ідеї колапсу зірок.
«Різні нещасні випадки можуть втрутитися, щоб врятувати зірку, — сказав він, — але я хочу більшого захисту, ніж це. Я вважаю, що повинен існувати закон природи, який запобігатиме зірці від такої абсурдної поведінки!»
Зрештою Чандрасекар отримає Нобелівську премію за свою роботу, але на той час атака Едінгтона була ефективною.
Чандрасекар, ще молодий науковець, якому бракувало професійної ваги, відійшов від суперечки.
У 1931 році Ейнштейн і Еддінгтон відповіли подібним чином, коли бельгійський священик і фізик Жорж Леметр припустив, що сам Всесвіт виник із сингулярності.
Згодом ця ідея розвинулась у теорію Великого вибуху, але тоді Еддінгтон назвав її «огидною», а Ейнштейн сказав Леметру:
«Твої розрахунки правильні, але твоя фізика погана».
Вернер Ізраель посилався на це десятиліттями пізніше, коли описував «опір Ейнштейна та Еддінгтона, що межує з ірраціональним».
Але вони, можливо, чинили опір саме тому, що для них сингулярність означала занурення в божевілля, атаку на їхнє розуміння того, що може означати «раціональне».
Обидва розуміли різницю між науковими доказами та особистим переконанням.
За словами Ейнштейна, «єдина мета науки — визначити, що є», і «визначення того, що повинно бути, не має до цього нічого спільного».
Але згідно зі свідченням фізика Кіпа Торна в 1990-х роках, саме питання «що має бути» домінувало в їх прийнятті чорних дір.
За його словами, чорні діри «порушили інтуїцію Ейнштейна та Еддінгтона про те, як повинен поводитися наш Всесвіт».
На початку 20-го століття чорні діри були практично недоступні для спостереження - якщо вони не могли пропускати світло, не було можливості спостерігати за ними або з'ясувати, що вони містять.
Тип телескопа, необхідного для спостереження за цими інакше невидимими явищами, був ще через багато десятиліть у майбутньому.
Зіткнувшись з цим фактом, Ейнштейн і Еддінгтон звернулися до існуючих раніше філософських — навіть духовних — припущень про те, що вважається раціональним і як працює Всесвіт.
У листі, написаному в 1951 році, Ейнштейн посилався на своє «емоційне чи психологічне ставлення», свою «віру в раціональну природу реальності».
У багатьох випадках він підкреслював свою власну віру в ідею філософа Спінози про Бога: божественну істоту, яка існує у всьому.
Ейнштейн приписував красу і «логічну простоту» Всесвіту цьому Богу, Богу, який з’явився в «законній гармонії».
Еддінгтон, який все життя був квакером, вірив у Бога як у «всепроникну силу», яку можна ототожнити з «природою».
Він писав про «містичні переживання», які поєднували розум із «гармонією та красою» ширшого Всесвіту.
Але, незважаючи на те, що природа була для нього прекрасною, він час від часу говорив про почуття огиди до деяких її проявів, серед яких навіть люди.
«Через незначну помилку в машині, — писав він у 1934 році, — час від часу утворювалися деякі грудки матерії неправильного розміру. Їм бракує очищувального захисту від сильної спеки або настільки ж ефективного абсолютного холоду космосу...»
Людина є одним із жахливих наслідків цих випадкових недотримання антисептичних заходів.
Можливо, він хотів пожартувати, але реакція Едінгтона на сингулярності — його вимога «більшого захисту» від цих «огидних» ідей — здавалося, виражала таку ж огиду, ніби вони були якось екзистенційно потворними чи брудними.
І для Ейнштейна, і для Еддінгтона сингулярності були несумісні з красою та гармонією, на яких вони ґрунтували свій світогляд, і з раціональним богом, який стояв за ними.
Озираючись на свою власну кар’єру пізніше, Чандрасекар мав таку ж містичну — хоча й емоційно іншу — реакцію на чорні діри.
«За все моє наукове життя, — писав він у 1975 році, — найбільш приголомшливим був досвід, коли я зрозумів, що точний розв’язок рівнянь загальної теорії відносності Ейнштейна забезпечує абсолютно точне уявлення про незліченну кількість масивних чорних дір, які населяють Всесвіт».
На відміну від відкритої огиди Ейнштейна та Едінгтона, Чандрасекар описав власний досвід як «тремтіння перед красою».
Вираз взято з Платона Федра, діалог, написаний філософом понад 2.000 років тому:
Душа переповнюється трепетом і тремтить від побаченого
краса, тому що він відчуває, що в ньому щось прокинулося
яка вже існує в ній глибоко в області несвідомого
У тій самій лекції Чандрасекар процитував розмову фізика Вернера Гейзенберга з Ейнштейном про досвід наукових відкриттів: «Ви, мабуть, теж відчули це: майже лякаючу простоту відносин, які природа раптово розкриває перед нами і для яких ніхто з ми були найменше підготовлені».
Жах і трепет перед нескінченним; конфлікт між красою та огидою: хоча ці імпульси можуть здаватися надзвичайно особистими, насправді вони пов’язані з довгою культурною історією.
У Європі відраза до нескінченного бере свій початок принаймні від стародавніх греків, для яких, за словами історика Тобахаса Данціга, «слід було триматися на відстані будь-якою ціною».
Розробка телескопа в 17 столітті висунула жахливу нескінченність Всесвіту на перший план.
«Вічна тиша цих нескінченних просторів наповнює мене жахом», — писав французький ерудит Блез Паскаль у 1650-х роках, описуючи людей як «нікчемних порівняно з нескінченністю».
У 1750-х роках англо-ірландський аристократ Едмунд Берк формалізував цю духовну муку в концепції «піднесеного».
- Таємниця пустелі розгадана: як утворюються зоряні дюни
- Дивовижна перевага зморщених від води пальців
Цей «спокій, приправлений жахом», ніде не виявляється краще, ніж у спогляданні нескінченності, яка наповнює розум «чудовим жахом».
У 1780-х роках німецький філософ Іммануїл Кант, також зачарований піднесеним, писав, що «зоряне небо розширює зв’язок, у якому я стою в необмеженій множині світів за межами світів і систем за системами», і описав Землю як « лише цятка у Всесвіті».
Розмірковуючи про нескінченність космосу, Кант писав:
...незліченні безлічі світів руйнують моє значення як тваринного створіння...
Іншим письменником, чиї слова передбачили вплив чорних дір у моторошний спосіб, був американець Едгар Аллан По.
У своєму оповіданні 1841 року «У вирі» він розмірковує про трансформаційну силу піднесеної нескінченності, коли його неназваний оповідач дивиться на жахливий вир — «вир» — і слухає свідчення про боротьбу рибалки з тим самим виром багато років тому.
Історія стикає почуття раціональності оповідача зі страхом, який загрожує охопити його.
«Я марно боровся, — каже оповідач під час шаленої бурі, — щоб позбутися думки, що самі основи гори в небезпеці від люті вітрів».
Про вир він каже: «Звичайні свідчення про цей вир жодним чином не підготували мене до побаченого... вони не можуть передати навіть найменшого уявлення ні про пишність, ні про жах тієї сцени...»
... ні про заплутане відчуття чогось нового, з яким стикається віруючий.
Ці описи відображають як «тремтіння» Чандрасекара, так і дискомфорт, виражений Ейнштейном і Еддінгтоном.
За своєю образністю оповідання По також є предтечею ідеї Ейнштейна про червоточини.
Оповідач згадує, як місцеві норвежці «майже всі загони вірили» в уявлення, «що в центрі каналу Мальстрем є безодня, яка проходить через планету і виникає в якійсь дуже віддаленій її частині».
Джерелом цієї ідеї для По був німецький священик і ерудит Афанасіус Кірхер, чия книга 1664 року Mundus Subteraneus містила карти тунелів під Норвегією, які з’єднували описаний По з виром, подібним до Ботнічної затоки, на іншому кінці Швеції, як і один, який показав вплив подібного підземного каналу на вихор Харибди на узбережжі Сицилії.
Ідея дуже схожа на просторово-часові тунелі, уявлені Ейнштейном як вихід із екзистенційного виру бездонної сингулярності.
Проте був принаймні один учений початку 20-го століття, якого не вплинули на сингулярності.
У вересні 1939 року Роберт Оппенгеймер і його колега опублікували перше дослідження, яке описувало чорні діри не як просто теоретичні артефакти, а як справжній зоряний феномен.
«Коли всі термоядерні джерела енергії будуть вичерпані, — писали вони, — відповідна важка зірка розпадеться».
У найбільших зірок і в тих, де не втручався жоден інший фактор, розпад тривав би нескінченно довго, і зірка була б відрізана від решти Всесвіту.
Дехто назвав цю статтю найбільшим внеском Оппенгеймера в науку, але в той час її майже ніхто не помітив.
Того ж місяця, коли вона була опублікована, нацисти вторглися до Польщі, і в жовтні 1941 року Оппенгеймера залучили для перекладу роботи над атомною бомбою.
Він ніколи не повертався до теми гравітаційного колапсу.
Подивіться відео: як звучить чорна діра
Хоча він явно не пов’язував це з чорними дірами, Оппенгеймер часто говорив про відчуття страху та дезорієнтації у своїй власній роботі.
У характерній промові 1960 року він сказав словами, що нагадують слова Гейзенберга: «Жах приєднується до нових знань. Він має властивість висмикувати килимок з-під ніг; він знаходить людей, не готових зустрітися з ним».
У 1965 році він описав «почуття нещастя, коли ти занурюєшся в нове невідоме», посилаючись на страх перед мальтеною як на сигнал масштабності відкриття.
«Я чув від деяких видатних людей нашого часу, — писав він, — що коли вони відкривали щось приголомшливе...
...вони знали, що це добре, тому що їм було страшно.
Хоча вони по-різному реагували на наявні у них докази, спільним для всіх цих вчених — від Ейнштейна до Оппенгеймера — було те, що вони керувалися своїми почуттями в найважливіших питаннях.
Але ці почуття також розділяють їх.
Коли Ейнштейн був засмучений, він ставав обережним; Едінгтон огидний; Чандрасекар виявляв більше симпатії до піднесеного.
Нарешті Оппенгеймер зміг прийняти те, що його лякало, він міг зрозуміти це як знак трансцендентності.
І оскільки незабаром світ побачив зроблену ним бомбу, страх не став на заваді його пошукам відкриттів.
Навіть сьогодні чорні діри продовжують викликати суперечливі емоції.
На початку цього року команда австралійських астрономів ідентифікувала найяскравіший відомий об’єкт у Всесвіті – масивну чорну діру, оточену газоподібними «акреційними дисками» розміром сім світлових років у поперечнику.
Приблизно в 500 трильйонів разів яскравіший за Сонце, диск містить міжзоряну грозу з температурою 10.000 XNUMX градусів за Цельсієм і вітром, що дме настільки швидко, що міг би обігнути Землю за секунду.
Діра в її центрі щодня поглинає еквівалент сонячної маси.
В інтерв’ю в лютому лідер групи Крістіан Вольф згадав реакцію своїх предків: він зрадів новому відкриттю, але «був водночас шокований і здивований моментом благоговіння, уявляючи те пекельне місце... уявляючи ті умови і що природа створює щось навіть більш екстремальне, ніж те, що ми собі уявляли раніше».
Чорна діра - непроникна загадка.
Жодне світло не може проникнути через нього, жодна енергія в будь-якій формі: ні звук, ні зображення, ні сигнал, ніщо, за допомогою чого можна було б дослідити чи зрозуміти його нутро.
Більше того, навіть з реальними астрономічними чорними дірами, які зараз спостерігаються, все ще можливо, що Ейнштейн мав рацію – що в них немає сингулярностей – оскільки, очевидно, немає способу дізнатися безпосередньо на даний момент.
Але якщо більшість фізиків вважає чорні діри, вони не мають дна і ведуть лише всередину, у нескінченність.
За визначенням, з ними не можна сперечатися, входити в них, знайомитися з ними.
Вони пропонують нескінченність темряви та руйнування: протилежність просвітленню.
Вони є випробуванням як на мужність, так і на раціональність, темна калюжа, в якій ми бачимо відображення космосу — і самих себе.
Бен Платтс-Міллс — письменник та ілюстратор, у чиїх роботах досліджується сила, міркування та вразливість, а також способи представлення науки в масовій культурі. Його мемуари Tell Me the Planets були опубліковані в 2018 році. Слідкуйте за ним в Instagram @benplattsmills
Відтепер BBC сербською мовою та на YouTube, слідкуйте за нами ТУТ.
Слідкуй за нами на Facebook, Twitter, Instagram, YouTube i Viber. Якщо у вас є пропозиція щодо теми, зв’яжіться з нами за адресою bbcnasrpskom@bbc.co.uk
Бонусне відео:
