Найбільша помилка Ейнштейна. Чому видатний вчений не міг повірити в існування чорних дір

У цій ілюстрованій статті письменник і художник Бен Платтс-Міллс пояснює, чому Альберт Ейнштейн та інші видатні фізики відмовлялися вірити в існування чорних дір. Чи були вони надто дивними та складними для розуміння?

Усі зірки врешті-решт помирають - але коли це відбувається, починається їхнє загробне життя.

Менші небесні тіла - такі як наше Сонце - швидше за все, стиснуться і стабілізуються у вигляді надщільних "карликів". Більша зірка може перетворитися на нейтронну зірку - кулю субатомних частинок лише кілька миль у поперечнику, але з гравітацією такої сили, щоб уповільнити час і перетворити сусідні тіла на "подібні до спагетті" потоки матерії.

Але для наймасивніших зірок смерть - це перетворення на щось таке, що неможливо не лише описати, але й уявити. Коли їх долає власна сила тяжіння, їхнє руйнування виходить за межі будь-якого стійкого стану матерії, і спричиняє раптовий, експоненціальний злам - вибух настільки абсолютний, що він пронизує просторово-часовий континуум і знищує довкола себе всі наші уявлення про фізику.

Гравітаційний вихор, що виникає – так звана чорна діра, – поглинає всю матерію, всю енергію, все сяйво - включно з зіркою, яка його створила. Від нього не може втекти навіть світло. Як невидимий стібок на одязі, чорна діра створює своєрідну складку у Всесвіті, щільно згортаючи навколо себе тканину, як оболонку непроглядної темряви. Її можна пізнати лише за її ефектами: надзвичайним гравітаційним полем і викривленням, або "лінзуванням" просторово-часового континууму, яке вона створює.

Існування чорних дір почали визнавати в 1960-х роках, а нещодавно його довели зображення, зроблені такими телескопами, як Event Horizon. Зараз вважають, що вони перебувають у центрі більшості галактик, а це означає, що по всьому космосу їх можуть бути мільярди.

Проте теоретичні основи їхнього існування були описані понад сто років тому. Як писав фізик Вернер Ісраель, "до 1916 року докази вже не можна було ігнорувати", - але протягом десятиліть їх заперечували найвидатніші вчені світу, зокрема Альберт Ейнштейн, чия власна робота призвела до їхнього відкриття.

Чорні діри були надто дивними та надто тривожними для фізиків початку ХХ століття, й провокували, за словами Ісраеля, "опір, що межує з ірраціональним".

Це історія ілюструє, чому фізикам знадобилося пів століття, щоб визнати реальність чорних дір.

Теорія відносності

Хоча деякі вчені припускали існування подібних об’єктів під назвою "темні зірки" понад 200 років тому, саме теорія загальної відносності Ейнштейна заклала основу для розуміння того, як можуть утворюватися чорні діри.

Цей глибокий перегляд класичної фізики, яка домінувала в науці та філософії протягом століть, вперше опублікували у жовтні 1915 року, Як пояснив Ейнштейн у 1921 році: "Раніше вважали, що якщо всі матеріальні речі зникнуть із Всесвіту, залишиться час і простір. Однак згідно з теорією відносності,...

Ейнштейн показав, що простір і час постійно розтягуються і спотворюються масами, такими як зірки та планети, і що це пояснює силу тяжіння. Те, як тіла притягуються одне до одного, пояснюється не "силою", яка їх притягує, стверджував він, а "викривленням" Всесвіту, спричиненим масою. Чим більша маса, тим більше викривлення вона спричиняє, а отже, тим сильніший гравітаційний ефект.

Коли Ейнштейн вперше опублікував свою теорію, він не знайшов відповіді на свої власні рівняння, які б дали йому зрозуміти всі 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 листа у відповідь.

Його лист надав відповіді, яких бракувало, та показав, як їх можна використати для моделювання гравітації зірки. Пізніше Шварцшильд зазначив, що однією з особливостей моделі був радіус стиснення, нижче якого зірка або будь-яка інша сферична маса почала б нескінченно вибухати під дією власної гравітації.

Для фізики реального світу це мало жахливі наслідки. Це означало, що зірка продовжуватиме самознищуватися вічно, а її маса зменшуватиметься. Її гравітація ставатиме все більш потужною, оскільки вона ненаситно пожиратиме інші маси довкола, поки, нарешті, не досягне точки так званої "сингулярності" - моменту, коли закони фізики порушуються, а час і простір перестають існувати.

Через кілька десятиліть сингулярність Шварцшильда визнають поворотним пунктом у теоретичній фізиці – першим натяком на чорні діри. Сам Шварцшильд, однак, цю ідею відкидав.

Шварцшильд дійшов висновку, що критичний радіус був просто межею стиснення зірки – точкою, після якої вона припиняла б своє руйнування. Замість того, щоб відкрити чорні діри, він став першою людиною, яка принципово заперечила докази їхнього існування. Ми ніколи не дізнаємося, чи міг він переглянути свої ідеї - вчений помер від аутоімунного захворювання у 1916 році.

Реакція Ейнштейна на розв'язання рівнянь Шварцшильда була неоднозначною. З одного боку, відомо, що він був задоволений, тому що допоміг Шварцшильду опублікувати їх у науковому журналі перед смертю.

З іншого боку, схоже, його непокоїли сингулярності, які вони містили. У 1935 році разом зі своїм колегою Натаном Розеном він представив нову концепцію, спрямовану на їхнє усунення.

Поєднуючи одну надзвичайну гравітаційну подію з іншою, так званий "міст" Ейнштейна-Розена, – який пізніше став відомий як "кротова нора", – утворив своєрідний тунель між двома зонами простору-часу, замінивши сингулярності матерії, що руйнується, швидкоплинним порожнім тунелем.

Ейнштейн і Розен чітко висловлювали свої мотиви оприлюднення цієї ідеї: "Ми взагалі не можемо прийняти сингулярності. Бо сингулярність вносить стільки довільності в теорію, що фактично зводить нанівець її закони".

У 1939 році Ейнштейн знову переглянув цю задачу - він продемонстрував, що зірка, яка руйнується, не може стати стабільною за критичного радіуса, визначеного Шварцшильдом, і дійшов висновку, що сингулярності "не існують у фізичній реальності".

Виглядає так, ніби найвидатніший фізик свого часу чомусь не хотів – або навіть був нездатний – думати про сингулярності та нескінченності, які вони містили.

Він був такий не один.

Сер Артур Еддінгтон був секретарем Королівського астрономічного товариства Британії та головним поборником Ейнштейна в англомовному світі. Він переклав загальну теорію відносності для англійських журналів, а потім, у 1919 році, організував експедицію, щоб перевірити одне з її головних передбачень.

Він вирушив на західноафриканський острів Принсіпі та зробив серію фотографій під час сонячного затемнення. Фотографії показали, що зірки, які стали видимими через темряву затемнення, розташовані у дещо відмінних положеннях, ніж ті, у яких їх видно вночі, за відсутності Сонця. Це довело, що сила тяжіння Сонця – викривлення простору-часу – змінює напрямок світла зірок - саме так, як передбачала загальна теорія відносності.

За іронією долі, доклавши таких зусиль, щоб продемонструвати ефект відносності, Еддінгтон, як і Ейнштейн, не зміг прийняти її найважливіші наслідки.

У своїй фундаментальній книзі "Внутрішня структура зірок", опублікованій у 1926 році, він чітко висловив своє припущення про те, що існування астрального тіла, досить масивного, щоб уловлювати світло, є неможливим.

Гігантська зірка Бетельгейзе, наприклад, "не могла мати таку високу щільність, як Сонце", бо "сила тяжіння була б настільки великою, що світло не могло б вирватися з неї", і тому, що ця маса настільки сильно викривлювала б простір та час, що "простір замкнувся навколо зірки, залишивши нас зовні (тобто ніде)", писав він.

Але математика була не на його боці.

У липні 1930 року 19-річний студент на ім’я Субрахманян Чандрасекар прямував на пароплаві зі своєї рідної Індії до Англії, щоб розпочати навчання в аспірантурі Кембриджського університету. Під час подорожі він провів кілька розрахунків і виявив, що доля зірки, що вмирає, неминуче залежить від її маси.

Зірка розміром із Сонце поступово зменшуватиметься й стабілізуватиметься як надщільний "білий карлик" - але зірка, яка буде лише трохи більшою, створюватиме надто сильну гравітацію для такого поступового зменшення.

"Тоді я не розумів, що означало це обмеження, - писав він пізніше, - і не знав, чим це все закінчиться".

Еддінгтону не сподобалися ці "інші можливості", тож на конференції в 1935 році він озвучив своє заперечення проти ідеї руйнування зірок.

"Різні події можуть втрутитися, щоб врятувати зірку, - сказав він, - але я хочу, що існував іще більший захист. Я вважаю, що має існувати закон природи, який би не давав зірці поводитися таким абсурдним чином!"

Зрештою Чандрасекар отримав Нобелівську премію за роботу, присвячену зіркам, але на той момент Еддінгтон взяв гору. Чандрасекар, ще молодий вчений, якому бракувало професійного авторитету, відмовився від суперечки з ним.

У 1931 році Ейнштейн і Еддінгтон відреагували подібним чином, коли бельгійський священник і фізик Жорж Леметр припустив, що сам Всесвіт виник із сингулярності. Зрештою ця ідея перетворилася на теорію Великого вибуху, але тоді Еддінгтон назвав її "огидною", а Ейнштейн сказав Леметру:

Саме це мав на увазі Вернер Ісраель десятиліттями пізніше, коли казав про "опір Ейнштейна та Еддінгтона, що межує з ірраціональним". Але, можливо, вони чинили опір саме тому, що сингулярність означала для них занурення в незрозуміле, виклик їхньому розумінню "раціонального".

Вони обидва розуміли різницю між науковими доказами та особистим переконанням. За словами Ейнштейна, наука мала "єдину мету - визначити, що є", а "визначення того, що має бути, не має до неї відношення".

Але, згідно з розповідями фізика Кіпа Торна в 1990-х роках, саме питання про те, що "має бути", визначало їхнє сприйняття чорних дір. За його словами, чорні діри "порушили інтуїтивне сприйняття Ейнштейна та Еддінгтона того, як має поводитися наш Всесвіт".

На початку ХХ століття чорні діри були недоступні для спостереження – якщо вони не випускали жодного світла, не було можливості спостерігати за ними або дізнатися, що вони містять. Телескопи, які уможливили спостереження за цими інакше невидимими явищами, винайдуть лише через багато десятиліть. Саме тому Ейнштейн і Еддінгтон повернулися до наявних філософських припущень про те, що вважається раціональним, і про те, як працює Всесвіт.

У листі, який Ейнштейн написав у 1951 році, він згадував про своє "емоційне або психологічне ставлення" та "впевненість у раціональній природі реальності".

Він також неодноразово згадував про свою віру в ідею філософа Спінози про Бога: божественну істоту, яка існує в усьому. Ейнштейн приписував цьому Богу красу і "логічну простоту" Всесвіту і вважав, що він проявляє себе в його "законній гармонії".

Еддінгтон, який все життя був квакером, вірив у Бога як у "всепроникну силу", яку можна ототожнити з "природою". Він писав про "містичний досвід", який об’єднав розум із "гармонією та красою" ширшого Всесвіту.

Але попри те, що природа була прекрасною, часом він висловлював почуття огиди до деяких її проявів - і не в останню чергу до людей.

Можливо, він задумував своє твердження як жарт, але реакція Еддінгтона на сингулярності – його бажання "більшого захисту" від цих "огидних" ідей – передає відчуття огиди, наче вони були якимись екзистенційно потворними чи брудними.

І для Ейнштейна, і для Еддінгтона сингулярності були неспівмірними з красою та гармонією, на яких ґрунтувався їхній світогляд, і з раціональним богом, якого вони вбачали за цим.

Озираючись на свою кар’єру в подальшому житті, Чандрасекар висловив таку ж містичну – хоча й емоційно іншу – реакцію на чорні діри.

"За все моє наукове життя, - писав він у 1975 році, - найбільш приголомшливим було усвідомлення того, що саме розв'язання рівнянь загальної теорії відносності Ейнштейна... дає абсолютно точне уявлення про незліченну кількість масивних чорних дір, які існують у Всесвіті".

На відміну від очевидної огиди Ейнштейна та Еддінгтона, Чандрасекар описував своє ставлення як "тремтіння перед прекрасним".

У тій самій лекції Чандрасекар процитував фізика Вернера Гайзенберга, який обговорював з Ейнштейном відчуття наукового одкровення: "Ви, мабуть, теж це відчули: майже лякаючу простоту і цілісність взаємозв’язків, які природа раптово розкриває перед нами і до яких жоден із нас не був підготовлений".

Жах і побожна покора перед нескінченним, конфлікт між красою та огидою - хоча ці імпульси можуть здаватися дуже особистими, насправді вони вкорінені у довгій культурній історії. В Європі огида до нескінченного бере свій початок принаймні з часів стародавніх греків, які, за словами історика Тобіаса Данціга, "намагалися триматися від нього якомога далі за будь-яку ціну".

Розвиток телескопів у ХVII столітті дозволив побачити нескінченність Всесвіту, яка лякала.

"Вічна тиша цих нескінченних просторів наповнює мене жахом", - писав французький ерудит Блез Паскаль у 1650-х роках.

У 1750-х роках англійсько-ірландський аристократ Едмунд Берк формалізував цю духовну тривожність в концепції "піднесеного". У 1780-х роках німецький філософ Іммануїл Кант – також зачарований піднесеним – називав Землю "лише цяткою у Всесвіті". Розмірковуючи про безмежність космосу, Кант писав:

Іншим письменником, чиї слова передвіщали вплив чорних дір - дивним чином – був американець Едгар Аллан По. У своєму оповіданні 1841 року "Спуск у вир" він розмірковує про трансформаційну силу нескінченності, коли безіменний оповідач дивиться на жахливий вир і слухає розповідь про боротьбу рибалки з тим самим виром кілька років тому.

"Розповіді про цей вир аж ніяк не підготували мене до того, що я бачив... вони не можуть передати навіть найменшого уявлення ані про велич, ані про жах цієї сцени...", - каже оповідач.

Ці описи перегукуються як із "тремтінням" Чандрасекара, так і з дискомфортом Ейнштейна та Еддінгтона.

Однак на початку ХХ століття був принаймні один вчений, якого не лякали сингулярності. У вересні 1939 року Роберт Оппенгеймер і його колега опублікували першу статтю, яка описувала чорні діри не просто як теоретичні артефакти, а як реальні зоряні явища.

"Коли всі термоядерні джерела енергії будуть вичерпані, - писали вони, - достатньо важка зірка зруйнується".

У випадку найбільших зірок, без втручання інших факторів, колапс тривав би нескінченно довго, і зірка відокремила б себе від решти Всесвіту. Дехто назвав цю статтю найбільшим внеском Оппенгеймера в науку, але на той час її ледве помітили.

Того ж місяця, коли її опублікували, нацисти вторглися до Польщі, і в жовтні 1941 року Оппенгеймера залучили до керівництва розробкою атомної бомби. Він ніколи не повертався до теми гравітаційного колапсу.

Хоча він не пов’язував його безпосередньо з чорними дірами, Оппенгеймер часто говорив про почуття благоговіння та дезорієнтації у своїй роботі. В одній характерній промові 1960 року він сказав, повторюючи слова Гайзенберга: "До нових знань приєднується страх. І застає людей неготовими до боротьби з ним".

У 1965 році він фактично прирівняв страх до величі відкриття.

"Я чув від деяких видатних людей нашого часу, - писав він, - що коли вони відкривали щось вражаюче…"

Хоча вони по-різному реагували на докази, що були перед ними, цих вчених – від Ейнштейна до Оппенгеймера – об’єднувало те, що в найважливіших питаннях вони керувалися своїми почуттями.

Але ці ж почуття їх і відрізняли. Коли Ейнштейн відчував непевність, він ставав обережним. Еддінгтон відчував відразу. Чандрасекар натомість тягнувся до піднесеного. Нарешті Оппенгеймер міг вітати те, що його лякало, міг зрозуміти це як ознаку трансцендентності. Як незабаром дізнався світ - завдяки створеній ним бомбі, - страх не стримав його прагнення до відкриттів.

Навіть сьогодні чорні діри продовжують викликати суперечливі емоції. Цього року команда австралійських астрономів ідентифікувала найяскравіший відомий об’єкт у Всесвіті – масивну чорну діру, оточену газоподібним "акреційним диском" діаметром сім світлових років.

Цей диск приблизно у 500 трильйонів разів яскравіший за Сонце і містить міжзоряну грозу з температурою 10 000C і вітер такої швидкості, що здатен облетіти Землю за секунду. Діра в його центрі щодня поглинає еквівалент сонячної маси.

В інтерв’ю в лютому керівник групи Крістіан Вольф повторив реакцію своїх попередників: радість від нового відкриття, але також "шок і благоговіння, коли уявляєш це пекельне місце… уявляєш ці умови і те, що природа створює щось іще більш екстремальне, ніж ми передбачали раніше".

Чорна діра - загадка без розгадки. З неї не може вийти жодне світло, жодна енергія в будь-якій формі: ані звук, ані зображення, ані сигнал - нічого, за допомогою чого можна було б дослідити чи зрозуміти те, що міститься всередині.

Фактично, навіть з реальними астрономічними чорними дірами, які зараз спостерігають, досі існує імовірність того, що Ейнштейн мав рацію – що всередині них немає сингулярності, – бо наразі немає способу дізнатися це безпосередньо.

Але якщо чорні діри такі, як вважають більшість фізиків, то вони бездонні та нескінченно ведуть всередину себе. Їх не можна усвідомити за визначенням. Вони втілюють нескінченність темряви та руйнування: протилежність просвітленню.

Вони є випробуванням як мужності, так і розуму - темна калюжа, в якій ми бачимо відображення космосу та самих себе.

Бен Платтс-Міллс — письменник і художник, який досліджує, як наука представлена в популярній культурі. Його мемуари Tell Me The Planets були опубліковані в 2018 році.

Редактор - Річард Фішер.