Объяснение метода возмущений для читателей, любящих алгебру

Из алгебры все мы знаем формулу квадрата суммы двух чисел: (а + Ь)² = а² + 2 ab + b².

Предположим, что а — большое число, например, 1000, а b —  очень маленькое, например, 3. В таком случае третий член этой формулы, b, будет очень мал по сравнению с остальными двумя и может быть отброшен без большой ошибки:

(1000 + 3)² = 1000² + 2x1000x3 + з² = 1006009 ≡ 1000² + 2x1000x3 = 1 006 000.

Методы возмущения основаны на этом приближении. Выражение а = 1000 соответствует точно сферической звезде, b = 3 — маленькой горе на ее поверхности, а выражение (а + b) — кривизне пространства-времени, созданной совместно звездой и горой. При расчете кривизны методами возмущений остаются только линейные эффекты свойств

горы (эффекты типа 2 ab = 6000, линейные по отношению к b— 3); эти

2

методы не учитывают все остальные эффекты горы (такие, как b ²— 9). Поскольку гора ничтожно мала по отношению к звезде, эти методы являются достаточно точными. Тем не менее, если гора вырастает до размеров звезды (т. е. звезда становится, скорее, квадратной, чем круглой), в этом случае методы возмущений приведут к серьезной ошибке, подобно той, которая возникла бы в случае а = 1000 и b = 1000:

(1000+1000)²=1000²+2x1000x1000+1000²=4000000≠1000²+2x1000x100=3000000.

Эти два результата сильно отличаются друг от друга.

Большинству коллег Уилера трудно было поверить, что этот консервативный, в высшей степени порядочный человек был осведомлен об игривой, если не сказать больше, интерпретации своего высказывания. Но я подозреваю обратное — я наблюдал проявления хулиганских черт его характера, правда, это случалось достаточно редко.[58]Фраза Уилера стала общей, несмотря на сопротивление Саймона Пастернака, главного редактора журнала Physical Review, в котором Уилер опубликовал большинство своих исследований по черным дырам. В конце 1969 г. Вернер Израэль попробовал использовать эту фразу в своей статье, на что Пастернак ответил категорическим отказом: ни при каких обстоятельствах он не разрешит употреблять в своем журнале такие непристойности. Но Пастернак не мог сдержать поток «безволосых» статей. Во Франции и в СССР, где перевод фразы Уилера также выглядел двусмысленно, сопротивление продолжалось дольше. Но к концу 1970-х годов фраза Уилера уже использовалась физиками повсеместно, причем совершенно серьезно.

***

К зиме 1964—1965 гг. Гинзбург и Дорошкевич, а также Новиков и Зельдович предложили свою гипотезу об отсутствии волос и доказали ее. Надо сказать, что каждые три года специалисты по общей теории относительности собирались где-нибудь на недельную научную конференцию для обмена идеями и знакомства с результатами исследований друг друга. Четвертая такая конференция должна была собраться в Лондоне в июне.

Никто из группы Зельдовича еще не бывал за пределами стран Варшавского договора. Самому Зельдовичу точно не разрешили бы поехать — совсем недавно он участвовал в разработке ядерного оружия. Новиков был слишком молод и не участвовал в работе над водородной бомбой. Его знания общей теории относительности были лучшими в группе Зельдовича (именно поэтому Зельдович и взял его к себе), кроме того, он удовлетворительно владел английским. Выбор Зельдовича был очевиден.

Это была эпоха относительного потепления отношений между Востоком и Западом. Ушел в прошлое «железный занавес», количество контактов и визитов между советскими учеными и их западными

коллегами возросло (хотя и не достигло уровня 20-х — 30-х годов). Советские ученые участвовали теперь почти во всех значительных международных конференциях. Такие делегации были важны не только для поддержки советской науки, но и для демонстрации ее силы на Западе. Руководство СССР стремилось показать, что советским ученым есть чем гордиться.

Так получилось, что Зельдович, получив приглашение из Лондона для Новикова, который должен был прочитать один из основных докладов на конференции по общей теории относительности, смог убедить власти включить своего молодого коллегу в советскую делегацию. Новикову было о чем рассказать, он вполне мог создать определенно положительное впечатление о мощи советской физики.

В Лондоне Новиков прочел часовой доклад для трех сотен ведущих мировых специалистов по общей теории относительности. Его доклад был настоящим триумфом. Результаты по гравитационному схлопыванию «гористой» звезды были только небольшой частью доклада. Остальной доклад был посвящен достижениям теории релятивистской гравитации, нейтронным звездам, схлопыванию звезд, черным дырам, природе квазаров, гравитационному излучению и происхождению Вселенной. Сидя в Лондоне и слушая Новикова, я был ошеломлен широким размахом и мощью исследований Зельдовича и его группы. Никогда прежде я не видел ничего подобного!

После доклада Новикова я присоединился к группе энтузиастов, собравшейся вокруг него, и обнаружил к моему вящему удовольствию, что мой русский немного лучше, чем его английский, и моя помощь в переводе была востребована в ходе дискуссии. Когда толпа растаяла, мы с Новиковым продолжили нашу беседу в частном порядке. Так началась наша дружба.

***

Ни я и никто другой не мог в Лондоне понять всех деталей анализа, проделанного группой Зельдовича по проблемам «безволосости». Это было слишком сложно. Мы ждали опубликования работы, в которой все было бы подробно объяснено.

Печатная версия прибыла в Принстон в сентябре 1969 г. на русском языке. И снова я был благодарен судьбе за то, что в свое время провел много скучных часов, изучая русский язык. Анализ состоял из двух частей. Первая часть, над которой работали Дорошкевич и Новиков, представляла собой математическое рассмотрение эволюции статичной звезды с малой горкой. Когда такая звезда становится все более компактной, возможны два результата. Либо вокруг звезды возникает совершенно сферическая черная дыра, либо из-за горки появляется такая огромная кривизна пространства-времени при приближении звезды к критической окружности, что влияние горы нельзя больше рассматривать как «малое возмущение»; в этом случае такой метод расчета применять нельзя, и результат схлопывания непредсказуем. Выводы второй части статьи были основаны на подходах, которые я стал называть «Типичными аргументами Зельдовича»: если гора первоначально мала, интуитивно ясно, что она не может создать огромную кривизну при приближении звезды к критической окружности. Мы должны отвергнуть эту возможность. Правильным будет другой ответ: звезда должна образовать совершенно сферическую черную дыру.

То, что было интуитивно ясно Зельдовичу (и, в конце концов, оказалось верным), было далеко не очевидно большинству западных физиков. Вокруг этого утверждения развернулась дискуссия.

Дискуссии такого рода крайне полезны. Они привлекают физиков, как пикники привлекают муравьев. Так было и с «безволосыми» аргументами группы Зельдовича. Физики сначала «полезли» на спор, как муравьи-одиночки, а потом набросились гурьбой.

***

Первым был Вернер Израэль. Он родился в Берлине, воспитывался в Южной Африке, изучал законы относительности в Ирландии. Позднее он пытался организовать группу по исследованию теории относительности в Эдмонтоне, в Канаде. Вначале он улучшил первую, математическую часть статьи, которую разработали Дорошкевич и Новиков: он рассмотрел не только крошечные горки, как сделали советские ученые, но рассмотрел горы любого размера и формы. По сути дела, его расчеты подходили для любого типа схлопывания, в том числе несферического, и даже квадратного. Он рассмотрел также динамический процесс схлопывания, а не только идеализированную последовательность статичных звезд. Замечателен был также вывод Израэля. Он был похож на вывод Дорошкевича—Новикова, но оказался гораздо сильнее его: у несферического схлопывания может быть только два результата. Либо черной дыры вообще не возникает, либо черная дыра получается совершенно сферической. Но для того чтобы этот вывод был верен, схлопывающееся тело должно обладать двумя особенностями: оно должно быть совершенно лишено электрического заряда и не должно вращаться. Почему это так, станет ясно ниже.

О результатах своего анализа Израэль впервые рассказал 8 февраля 1967 г. на лекции в Королевском колледже в Лондоне. Название его лекции было загадочным, но Деннис Сиама из Кембриджа направил своих студентов в Лондон послушать ее. Один из этих студентов, Джордж Эллис, вспоминает: «Это была очень-очень интересная лекция. Это было что-то совершенно новое, совершенно неожиданное. Ничего подобного мы никогда прежде не слышали». Когда Израэль закончил, Чарльз Мизнер (бывший студент Уилера) встал и спросил: Что произойдет, если схлопывающаяся звезда вращается и имеет электрический заряд? Могут ли и здесь появиться две возможности: вообще не будет черной дыры или дыра будет иметь уникальную форму, полностью определяемую массой, вращением и зарядом охлопывающейся звезды? Ответ, в конце концов, оказался положительным, но только после того, как интуитивный вывод Зельдовича был подвергнут проверке.

***

Вспомним, что Зельдович, Дорошкевич и Новиков изучали слабодеформированные звезды. Они исследовали звезды почти сферической формы с маленькими горками. Проведенный ими анализ и утверждения Зельдовича вызвали множество вопросов.

Каков будет результат схлопывания звезды, имеющей небольшую горку на поверхности? Приведет ли гора к огромному искривлению пространства-времени при приближении звезды к критической поверхности (вывод, отвергнутый интуицией Зельдовича)? Или же влияние горы исчезнет и останется совершенно сферическая черная дыра (вывод, к которому пришел Зельдович)? И если образуется совершенно сферическая черная дыра, как удается ей избавиться от гравитационного влияния горы? Что заставляет черную дыру становиться сферической?

Будучи одним из студентов Уилера, я взялся ответить на эти вопросы. Но не сам, а с помощью своих студентов. Шел 1968-й год. Я закончил свою диссертацию в Принстоне и вернулся в альма-матер, Калифорнийский технологический институт, сначала в качестве постдока, а затем профессора. И я начал собирать вокруг себя группу студентов, подобно тому, как это делал Уилер в Принстоне.

Со мной работал некто Ричард Прайс из Бруклина. Это был сильный молодой человек с лохматой бородой и весом фунтов в двести (плюс черный пояс по карате). Он уже принимал участие в нескольких моих исследованиях, включая работы с методами возмущений. Эти математические методы могли оказаться полезными при ответе на выше сформулированные вопросы. Теперь он был достаточно зрел и для того, чтобы взяться за более сложную задачу. Проверка интуитивного вывода Зельдовича вполне подходила для этой цели, если бы не одно обстоятельство: слишком многие взялись за нее. Муравьи гурьбой повалили на пикник. Прайсу следовало торопиться.

Он не успел. Другие обошли его на повороте. Он пришел на финиш третьим, после Новикова и Израэля. Но он смог получить гораздо более основательный и полный результат.

Достижения Прайса стали бессмертными благодаря перу Джека Смита, юмориста из Лос-Анджелес Таймс. В выпуске от 27 августа 1970 г. Смит описал свой визит в Калифорнийский технологический институт накануне: «После завтрака в местной столовой я в одиночестве прогуливался по университетскому городку. В воздухе была разлита Высокая Мысль. Оливковые ветви колыхались под ее порывами. Я заглянул в окно. Там стояла доска, усеянная уравнениями так плотно, как дорожка листьями в осеннем парке. Меж ними выделялись три английские фразы. Теорема Прайса: все, что может быть излучено, излучается. Наблюдение Шутца: все, что излучается, может быть излучено. ВСЕ может излучаться тогда и только тогда, когда оно излучается. Я шел и думал, до подобных ли перлов будет студентам осенью, когда в этих стенах появятся девушки-первокурсницы. Держу пари, «излучения» будет много».

Эта цитата требует пояснений. «Наблюдение Шутца» приведено для красного словца, но теорема Прайса «все, что может быть излучено, излучается» представляла собой серьезное доказательство утверждения Роджера Пенроуза, сделанного им в 1969 г.

Теорему Прайса можно проиллюстрировать с помощью схлопывания гористой звезды. На рис. 7.4 изображено такое схлопывание. В левой части рисунка дана пространственно-временная диаграмма (см. также рис. 6.7 главы 6). В правой части показана эволюция формы звезды и горизонта событий в последовательные моменты времени, снизу вверх («моментальные кадры»).

При схлопывании звезды (два нижних кадра на рис. 7.4) ее гора становится больше и, соответственно, растет «гористое» искажение пространственно-временной кривизны вокруг звезды. Затем, когда звезда ныряет под свою критическую поверхность и создает вокруг себя горизонт событий (средний кадр), искаженная пространственно-временная кривизна деформирует этот горизонт, на котором возникает гористый выступ. Последний, однако, не может существовать долго. Звездная гора, которая породила его, находится теперь внутри черной

 

дыры, поэтому горизонт событий не может больше чувствовать ее влияния. Выступ на горизонте событий не поддерживается больше этой горой. Горизонт отделывается от этого выступа единственным доступным способом: он преобразует его в «складки» кривизны пространства-времени (гравитационные волны — глава 10), которые распространяются во всех направлениях (два верхних кадра). Некоторые «складки» попадают в черную дыру, другие вылетают в окружающую Вселенную и, отлетая, оставляют черную дыру совершенной сферической формы.

Нечто подобное происходит, когда мы дергаем скрипичную струну. Пока мы держим струну, она остается деформированной; пока гора выступает из черной дыры, она деформирует вновь родившийся горизонт событий. Когда мы убираем палец со струны, она начинает колебаться и посылать звуковые волны в комнату. Они уносят энергию деформации струны, и струна вновь распрямляется. То же происходит тогда, когда гора скрывается внутри черной дыры. Она не может больше поддерживать горизонт событий деформированным, он начинает вибрировать и испускать гравитационные волны. Волны уносят энергию деформации горизонта событий, и горизонт принимает совершенно сферическую форму.

Как это схлопывание с горой связано с теоремой Прайса? В соответствии с законами физики, гористый выступ на горизонте событий может превратиться в гравитационное излучение (складки кривизны). Теорема Прайса утверждает, что этот выступ должен превратиться в гравитационные волны и исчезнуть. Это и есть механизм «безволосости».

Теорема Прайса объясняет не только то, как деформированная черная дыра избавляется от своей деформации, но и то, как замагниченная черная дыра теряет свое магнитное поле (рис. 7.5). (Этот последний случай был рассчитан на компьютере Вернером Израэлем и двумя его студентами из Канады, Виценте де ла Круз и Тедом Чейзом, еще до открытия теоремы Прайса.) В результате схлопывания замагниченной звезды возникает замагниченная черная дыра. Перед тем, как горизонт событий поглощает схлопывающуюся звезду (рис. 7.5 а), магнитное поле становится неотъемлемой частью звезды; электрические токи внутри звезды препятствуют исчезновению этого поля. После того как горизонт событий поглотил звезду (рис. 7.5 б), поле больше не чувствует электрических токов звезды; они больше не удерживают его. Поле теперь пронизывает не звезду, а горизонт событий, но горизонт не способен его удержать. В соответствии с законами физики, поле может превратиться в электромагнитное излучение

 

(«дрожание» магнитной и электрической силы), а теорема Прайса утверждает, что это так и будет (рис. 7. 5в). Электромагнитное излучение рассеивается, частично внутрь черной дыры и частично от нее, а дыра становится незамагниченной (рис. 7.5г).

Итак, как мы видели, горы и магнитные поля могут рассеиваться. Что же тогда остается? Что не может превратиться в излучение? Ответ простой: среди законов физики существуют особые законы, называемые законами сохранения. В соответствии с этими законами, существуют некоторые величины, которые никогда не могут колебаться и превращаться в излучение и покидать окрестности черной дыры. Этими сохраняющимися величинами являются: гравитационное притяжение черной дыры, закручивание пространства из-за ее вращения (которую мы будем обсуждать дальше) и радиальные линии электрического поля, возникающие благодаря электрическому заряду черной дыры и направленные наружу (мы вернемся к этому позже).[59]

Таким образом, в соответствии с теоремой Прайса, единственное, что останется после всех излучений, — это влияние массы черной дыры, ее вращения и заряда. Все остальные характеристики черной дыры будут утеряны. Их унесет с собой излучение. Это означает, что, наблюдая черную дыру, мы можем получить данные только о массе, вращении и заряде первоначальной звезды. Из свойств черной дыры мы даже не можем выяснить (в соответствии с расчетами Джеймса Хартла и Якоба Бекенштейна, студентов Уилера), была ли звезда — родоначальница черной дыры сделана из вещества или антивещества, протонов и электронов, или из нейтрино и антинейтрино. Более точно, говоря словами Уилера, у черной дыры почти нет волос. Ее единственные «волосы» — масса, вращение и электрический заряд.

***

Окончательное доказательство отсутствия волос у черной дыры (за исключением ее массы, вращения и электрического заряда) было сделано немного позднее Прайса. Его анализ был ограничен почти сферическими схлопывающимися звездами, которые если и вращались, то очень медленно. Это ограничение было обусловлено методами возмущений, которыми он пользовался. Для изучения окончательной судьбы очень сильно деформированной и быстровращающейся схлопывающейся звезды требовался совсем другой математический аппарат.

Ученики Денниса Сиамы из Кембриджского университета хорошо владели математическим аппаратом, но он был очень сложен. Им и их интеллектуальным потомкам понадобилось пятнадцать лет, чтобы окончательно доказать, что у черных дыр нет волос. Даже если черная дыра быстро вращается и из-за этого сильно деформирована, окончательные свойства черной дыры (после испускания всего излучения) определяются только массой, вращением и зарядом черной дыры. Львиная доля этого доказательства пришлась на долю трех человек — учеников Сиамы: Брэндона Картера и Стивена Хокинга, а также Вернера Израэля. Большой вклад внесли также Дэвид Робинсон, Гэри Бантинг и Павел Мазур.

***

В главе 3 я обсуждал большую разницу, которая существует между законами физики в нашей, реальной Вселенной и в обществе муравьев, которое описано в книге Т. X. Уайта «Король сегодня и навсегда». Основное правило муравьев в книге Уайта — «Все, что не запрещено,

- ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И СКЛАДКИ ВРЕМЕНИ

является принудительно-обязательным». Но законы физики сильно нарушают это правило. Множество вещей, разрешаемых законами физики, настолько маловероятны, что никогда не происходят. Теорема Прайса является замечательным исключением. Это одна из немногих ситуаций, с которыми я встречался в физике, где твердо поддерживается муравьиное правило: если закон физики не запрещает черной дыре испускать какое-нибудь излучение, то это излучение является обязательным.

Очень необычными являются следствия безволосого состояния черной дыры. Обычно мы, физики, строим упрощенные теоретические или компьютерные модели в попытках понять сложную Вселенную вокруг нас. Например, чтобы понять погоду, физики-атмосферщики строят компьютерные модели циркуляции земной атмосферы. Чтобы понять землетрясения, геофизики строят простые теоретические модели перемещения земных платформ друг относительно друга. Чтобы понять схлопывание звезд, Оппенгеймер и Снайдер в 1939 г. построили простую теоретическую модель, в которой рассмотрели охлопывающееся облако вещества, совершенно сферическое, однородное и полностью лишенное давления. Строя все эти модели, физики понимают, что они достаточно условны. Эти модели являются всего лишь бледными отражениями сложных структур реальной Вселенной.

Не так обстоит дело с черной дырой, по крайней мере, «безволосой». Такая черная дыра настолько проста, что мы можем описать ее точными математическими формулами. Здесь нам не нужны идеализации. Нигде больше в макроскопическом мире (на масштабах больших, чем размер элементарной частицы) это не выполняется. Нигде больше математические уравнения не являются настолько близкими к реальности. Только с черной дырой можно обрести такую свободу.

Почему черные дыры так отличаются от всех остальных объектов в макроскопической Вселенной? Почему они, и только они, такие элегантно простые? Если бы я знал ответ, я бы смог проникнуть глубоко в природу физических законов. Но я не знаю. Возможно, следующее поколение физиков поймет.