Известный американский физик Фримен Дайсон пишет: «Законы термодинамики утверждают, что любое количество энергии обладает характерным качеством, связанным с ним, — энтропией. Энтропия измеряет степень беспорядка, хаотичности, связанной с энергией. Энергия всегда будет превращаться из одной формы в другую так, чтобы энтропия возрастала. Воспользовавшись этим обстоятельством, мы можем расположить разные формы энергии „по порядку значимости“, где высшее место займет форма, которой присуща минимальная энтропия или минимальный хаос… Направление потока превращений энергии во Вселенной задается, главным образом, свойствами гравитации: прежде всего тем, что она преобладает в космосе количественно, а кроме того, тем, что гравитация является высшей формой энергии. Высшей — ибо она обладает нулевой энтропией».
Низшая форма энергии в этом смысле — тепло, теплота. В теплоту могут превращаться все виды энергии — от гравитационной до химической.
Но тогда встает вопрос: почему Вселенная еще существует? Ведь перед нами энергетический поток, который течет в одну сторону. Океан гравитационной энергии изливается могучими реками, непрерывно переходит в свет и тепло. И остается все тем же неиссякаемым океаном. Почему? Мало того, по Дайсону, закон всемирного тяготения отпускает нашей Галактике всего сто миллионов лет существования, причем не с сегодняшнего дня, а так сказать, с того момента, как она приняла тот вид, который имеет последние несколько миллиардов лет. Расчет прост. В одном кубометре нашей Галактики, если учесть и звезды, и планеты (правда, пока достоверно известна лишь одна планетная система — Солнечная), и межзвездный газ, в среднем находится миллион атомов. Сто миллионов лет — время, которое должно было бы запять свободное падение всего этого вещества к общему гравитационному центру Галактики. Но закон всемирного тяготения при грандиозных масштабах своего действия все-таки не один управляет развитием Вселенной.
Мы обязаны сменой дня и ночи вращению Земли. Но точно так же вращаются все небесные тела. Когда Солнечная система возникала из сгустившегося межзвездного газа, именно вращение облака, из которого образовались и светило, и его планеты, помешало всему этому облаку собраться под воздействием сил тяготения в единый центр.
Наконец, термоядерные процессы, идущие в недрах звезд, не дают им сжиматься слишком сильно, противостоя силе тяготения, стремящейся стянуть массу звезды к ее центру.
Словом, гравитация, которую мы только что осыпали комплиментами (самая могучая… высшая форма энергии… и тому подобное) оборачивается злобным демоном вселенской истории, угрожающим разрушить нашу Галактику. А вращательное движение и термоядерные реакции выступают как защитники Галактики (и Метагалактики— в ней, правда, вещество в миллион раз разреженней, и сроки жизни соответственно в тысячу раз — по закону Ньютона — дольше) от этого злого гения Вселенной. Но ведь и вращательное движение звезд и звездных систем тесно связано, как подчеркивал Дайсон, с гравитационной энергией. Мало того. Сами термоядерные реакции возможны только при высоких температурах, а в разогреве масс протозвезд играло весьма значительную роль гравитационное сжатие.
Гравитация ведет себя как копье Геракла: рапы, которые наносило его острие, можно было вылечить прикосновением древка.
Во внутризвездных масштабах, как и в галактических, тяготение играет важнейшую роль. Жизнь звезды — борьба, как и жизнь галактики, как и жизнь человека. Три главные силы встречаются здесь в чудовищном противоборстве: гравитация, ядерные реакции и центробежная сила. Ярче всего это видно на примере событий, которые называют гравитационным коллапсом.
Встреча у черной дыры
Коллапс — термин, первоначально гораздо более популярный в медицине, чем в космологии. Сосудистый коллапс может привести к гибели человека. Гравитационный коллапс может привести звезду если не к гибели, то к перерождению. Он может произойти не со всякой звездой, а только с такой, масса которой превышает солнечную процентов по меньшей мере на двадцать. И может произойти, а может и не произойти. Это, как пишут физики, один из возможных путей завершения эволюции звезд. Возможных, но не обязательных.
Чем станет звезда после гравитационного коллапса? Может быть, нейтронной звездой, а может быть, даже черной дырой.
Термоядерные реакции, по наиболее признанной сегодня теории, дают звезде энергию, которую она тратит на излучение[16]. Но термоядерные реакции ведут к образованию все более тяжелых ядер элементов из ядер легких, пока, наконец, дело не дойдет до появления в центральной области звезды огромного количества ядер группы железа. Ядра железа и его химических сородичей относительно весьма прочны. Нуклоны в них связаны друг с другом так крепко, что синтез на этой «железной» основе более тяжелых ядер не только не ведет к выделению энергии, но, наоборот, требует се затрат.
Центр звезды, ее топка, перестает работать, затухает. Однако потери звездою энергии не только не падают, но растут. А между тем внутри каждой звезды на всем протяжении ее развития борются силы гравитационного притяжения и силы отталкивания частиц, притиснутых друг к другу чудовищным давлением и «желающих» чувствовать себя попросторнее в каждой ее точке. Наступает, наконец, момент, когда гравитационные силы решительно берут верх над силами отталкивания. Разумеется, это означает, говоря философски, что рассматриваемое природное явление должно после некоторых изменений прийти в повое состояние равновесия. Да, конечно, такое состояние возникает. Но какой ценой! Бывшая топка звезды, ее сердцевина, оказывается сжатой действием неуравновешиваемых сил тяготения. Их нажима не выдерживают и прочнейшие связи между нуклонами в ядре железа и его родственников. Ядро разваливается, или, лучше сказать, разламывается. На это разламывание тоже уходит энергия, потому топка становится теперь топкой наоборот: берет энергию, а не отдает ее, в недрах звезды идет вывернутая наизнанку реакция синтеза ядер. Впрочем, температура топки все же не падает, ведь звезда сжимается, а гравитационная энергия, как мы знаем, способна переходить в тепло не хуже любой другой..
Если бы температура в центре звезды поднималась быстро, разогретое вещество набралось бы силы, чтобы побороться с тяготением, чтобы остановить сжатие. Но большая часть тепла расходуется все на ту же «обратную термоядерную реакцию».
Сжатие продолжается, пока не превращается в сжатие взрывное, когда вещество центральной области звезды устремляется к центру ее со скоростью, достигающей на определенных этапах многих километров в секунду. Естественно, что на место уже обрушившихся более близких к центру слоев рушатся слои, более близкие к поверхности. Катастрофа развивается!
Нашему Солнцу взрывной коллапс не угрожает, Слишком для этого мала масса светила. Вот если бы оно было больше хотя бы в один и два десятых раза… Впрочем, в Галактике множество звезд, больших, чем Солнце. Гравитация в конце концов приведет их к сжатию, и они превратятся в нейтронные звезды.
Но и нейтронная звезда еще не дает нам предела плотности, возможного для вещества. Если гравитационный коллапс не остановился, она схлопывается — при определенных условиях — еще примерно на треть своего диаметра. И вот тут-то из нее получается черная дыра. Космическое тело исчезает с небосклона, потому что тяготение вблизи его поверхности достигает такой фантастической величины, что даже и свет оказывается «прикован» и не может уйти в пространство. То же относится и к любым другим формам вещества. Все, что достигает этого района, заглатывается черной дырой безвозвратно. Она становится грандиозной гравитационной ловушкой. Даже гравитационным гробом, как назвал ее академик Я. Зельдович. И не только для вещества. Само пространство-время приобретает здесь новые свойства.
Немецкий астроном Карл Шварцшильд в первые же месяцы после появления теории относительности нашел на основе ее уравнений, что если достаточно плотная звезда сожмется до определенных размеров, до своего так называемого гравитационного радиуса (в каждом случае зависящего от ее массы), то никакие сигналы с этой звезды уже не смогут выйти наружу. Слишком сильно будет искривлено окружающее ее пространство-время.
Черные дыры долю оставались, однако, да периферии космологии и астрофизики. Но с шестидесятых годов положение изменилось. Число посвященных им работ растет чуть ли не с той же быстротой, с какой они сами — в теории — схлопываются.
Какой реально должна быть черкая дыра, первыми показали советские физики А. Г. Дорошкевич, Я. Б. Зельдович и И. Д. Новиков в 1965 году.
Вращающаяся черная дыра становится центром вихря, засасывающего по воронкообразным орбитам частицы и газ. Она имеет четко очерченный горизонт, через который вещество и свет могут проходить только в одну сторону — внутрь, но не наружу[17]; окружность ее экватора должна быть равна девятнадцати километрам, помноженным на число масс Солнца, которым соответствует масса черной дыры. «Типичная» черная дыра имеет в «охвате» от шестидесяти до тысячи километров, и масса ее может содержать от трех до пятидесяти солнечных масс.
Кроме «типичных» черных дыр, могут существовать еще и дыры сверхгигантские. Ими, возможно, становятся центры галактик, в ядрах которых в прошлом происходили мощные взрывы. Если такая дыра есть и в центре нашей Галактики, то ее масса должна быть в сто миллионов раз больше массы нашего Солнца.
Наконец, теория учитывает возможность существования в нашем мире и минидыр массой всего лишь в несколько сот масс самой большой египетской пирамиды— пирамиды Хеопса. По космическим масштабам это и вправду минимасса, и вся она сосредоточена в объеме, который в нормальных условиях занимает одна (одна!) элементарная частица. Такие минидыры должны в соответствии с законами квантовой механики понемногу «испаряться». Один из «фокусов» квантовой механики состоит в том, что в определенных условиях элементарные частицы способны делать «скачки» сквозь как будто непреодолимые для них энергетические барьеры. Здесь не место вдаваться в подробности, заменим их аналогией. Сколько бы раз автомобиль ни подъезжал к глухой каменной степе, преодолеть ее он не в состоянии: он может либо остановиться перед ней, либо разбиться вдребезги. А вот подчиняйся он законам квантовой механики, в одном случае из очень многих автомобиль очутился бы «вдруг» позади стены, не повредив