Черные дыры и молодые вселенные

Я видел для себя две фундаментальные области теоретической физики, которыми мог бы заняться: одна – космология, изучение необъятного, другая – элементарные частицы, изучение бесконечно малого. Элементарные частицы казались мне менее привлекательными, потому что для них не было соответствующей теории, несмотря на то что ученые все время находили множество новых частиц. Исследователи просто разбивали их на семейства, как в ботанике. А в космологии существовала хорошо проработанная теория – общая теория относительности Эйнштейна

Что можно сделать, чтобы направить этот интерес в нужное русло и дать народу научную подготовку, необходимую для принятия обоснованных решений в таких вопросах, как кислотные дожди, парниковый эффект, ядерное оружие и генная инженерия? Ясно, что фундамент должен быть заложен в школе. Но школьная наука часто преподается в сухой и неинтересной форме. Дети учатся механически запоминать, чтобы сдать экзамен, и не видят связи науки с окружающим миром. Более того, наука часто преподносится в виде формул. Хотя формулы являются сжатым и точным способом описания математической мысли, большинство людей их пугаются. Когда я недавно писал научно-популярную книжку, меня предупредили, что каждая формула в ней вдвое уменьшит объем продаж. Я включил только одну – знаменитую формулу Эйнштейна E = mc². Возможно, без нее мне бы удалось продать вдвое больше экземпляров.
Ученые и инженеры стремятся выразить свои мысли в виде формул, потому что им нужно знать точные количественные значения величин. Но для всех остальных достаточно качественного понимания научных концепций, а это можно передать словами и диаграммами, без формул. Я не изучал в школе молекулярную биологию и транзисторы, но генная инженерия и компьютеры – это два достижения, которые, скорее всего, изменят наш будущий образ жизни. Научно-популярные книги и статьи в журналах могут помочь в объяснении новых достижений науки, но даже самые удачные из них читает лишь малая часть населения. Только телевидение может собрать поистине массовую аудиторию. На телевидении есть несколько очень хороших научно-популярных программ, но остальные представляют чудеса науки просто как волшебство, без объяснений, не демонстрируя, как они вписываются в рамки научных идей. Продюсеры этих программ должны понять, что в их обязанность входит просвещать народ, а не только развлекать его.

Позвольте мне кратко описать, как могли возникнуть черные дыры. Представьте себе звезду с массой в десять раз больше солнечной. Большую часть своей жизни, то есть около миллиарда лет, звезда генерирует в своих недрах тепло, преобразуя водород в гелий. Высвобожденная энергия создает достаточное давление, чтобы уравновешивать созданную звездой силу тяжести и поддерживать размеры звезды с радиусом примерно в пять раз больше солнечного. Скорость для отрыва от поверхности такой звезды будет около 1000 км/с. То есть объект, выстреленный с поверхности звезды вертикально вверх со скоростью меньше 1000 км/с, будет притянут гравитационным полем звезды назад и вернется на поверхность, в то время как объект, вылетевший с большей скоростью, улетит в бесконечность.
Когда звезда выработает все свое ядерное топливо, ничто уже не сможет поддерживать внутреннее давление, и под действием собственной силы тяжести она начнет сжиматься. По мере сжатия звезды сила тяжести на ее поверхности становится все больше и необходимая для отрыва скорость возрастает. Когда радиус уменьшится до 30 км, необходимая для отрыва скорость достигнет 300 000 км/с - скорости света. После этого никакой свет, испускаемый звездой, не сможет уйти в бесконечность, а будет притягиваться обратно гравитационным полем. Согласно специальной теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, так что если не может вырваться свет, то не может и ничто другое.
В результате получается черная дыра - область пространства-времени, откуда ничто не может улететь в бесконечность. Границы черной дыры называются горизонтом событий. Его образует свет, едва не вырвавшийся из черной дыры, но оставшийся парить на краю.

(Стивен Хокинг)

Наблюдения отдаленных галактик показывали, что они движутся от нас, – Вселенная расширяется. Это подразумевало, что в прошлом галактики должны были быть ближе друг к другу. Возникал вопрос: было ли в прошлом такое время, когда галактики находились все вместе и плотность Вселенной была бесконечной? Или до того была фаза сжатия, когда галактикам удалось избежать столкновения? Возможно, они пронеслись мимо друг друга и начали разлетаться? Для ответа на этот вопрос требовались новые математические методы.