"«Если», 1995 № 05" - читать интересную книгу автора (Хигон Альбер, Барретт Нил, Кусов Владимир,...)

«Если», 1995 № 05 Альбер Хигон СНАНТ — ЭТО НЕ СМЕРТЬПРОГНОЗНил Барретт МИЛЫЕ ДОМАШНИЕ ЗВЕРЮШКИВладимир Кусов, народный артист РФ ЖИВЫЕ КУКЛЫДжон Варли ОХОТААлексей Бялко, кандидат физико-математических наук ГАДАНИЕ ПО ЗВЕЗДАМ ПО-НАУЧНОМУСвятослав Логинов ЧАСЫНиколай Агаджанян, академик РАМН ВРЕМЯ И МЫДж. Т. Макинтош СТРАХОВОЙ АГЕНТГлава 1Глава 2Глава 3Глава 4Глава 5Глава 6Глава 7Глава 8Глава 9Глава 10Глава 11Глава 12Маргарита Шурко, Илья Сальцовский ТЕНИ ЛЮБВИЗАВТРА«ИНТЕРКОМЪ» Журнал в журналеАндрей Чертков в рубрике МЕСТО ВСТРЕЧИСергей Бережной в рубрике ДИСПЛЕЙ-КРИТИКАВячеслав Рыбаков в рубрике БЛИЗКИЕ КОНТАКТЫ ТРЕТЬЕЙ СТЕПЕНИСергей Переслегин в рубрике КРИТИЧЕСКИЕ КОНСПЕКТЫСтарый Фэн в рубрике ИНФОРМАРИУМНиколай Викторов в рубрике SCIENCE FICTION NEWSАлан Ностромов в рубрике ВИДЕО-ГАДЗАВТРАPERSONALIA

Алексей Бялко, кандидат физико-математических наук ГАДАНИЕ ПО ЗВЕЗДАМ ПО-НАУЧНОМУ

Подходит к концу двадцатое столетие. Много чем будет оно памятно, но попробуем выделить его главные достижения в познании окружающего нас мира. Считается общепризнанным, что это теория относительности, но лично я все же поставил бы на первое место квантовую механику. Психологически квантовая механика скорее неожиданна и возникла словно бы непредсказуемо. Кроме того, с ее проявлениями мы сталкиваемся повседневно, ведь почти все вокруг состоит из отдельных атомов, квантов вещества, и напротив, большие скорости, которыми оперирует теория относительности, далеки от нас, землян. Если обратиться к наиболее яркому в XX веке техническому воплощению мысли и наиболее ужасному по своим последствиям — взрыву ядерной бомбы, — то в его создании равно проявились обе теоретические вершины знания. Они же помогли нам понять цепочку наиболее удивительных наблюдаемых явлений, обнаруженных в нашем (пока еще — нашем) столетии: это существование белых карликов, пульсаров и черных дыр. Наконец, особенно потрясающее: самый экзотический объект этой цепочки, черная дыра, была предсказана заранее, задолго до ее открытия, причем первой из всей этой последовательности.

В книге видного американского астрофизика К. С. Торна «Черные дыры и искривление времени: дерзкое наследие Эйнштейна» подробно и на редкость увлекательно рассказана история борьбы идей в астрофизике, которая закончилась (или заканчивается) на наших глазах признанием реальности черных дыр. К сожалению, невозможно воспроизвести суть книги в короткой статье простыми цитатами, поэтому здесь будут перечислены только основные вехи этих открытий и их осознания.

Началось все с того, к чему пришло: с черных дыр. Вскоре после 1916 года Эйнштейн выписал уравнения гравитации, немецкий астроном и теоретик, К. Шварцшильд нашел их частное решение. Оно содержало ясный намек на то, что если собрать очень большую массу в малом объеме, то гравитация станет так сильна, что начнет сжимать эту массу беспредельно. Ничто, даже свет, не сможет выйти из такой черной дыры. Впрочем, само название было придумано много позже.

А астрономы открыли первыми белые карлики. Самая известная из этих звезд — спутник Сириуса. Сириус — одна из ближайших к нам и самая яркая звезда на небе. Ее спутник, который обращается вокруг Сириуса с периодом 50 лет, назвали Сириус Б. Период обращения дает возможность вычислить его массу, она равна 1,05 солнечной, однако диаметр Сириуса Б оказался вдвое меньше диаметра Земли, поэтому плотность этого белого карлика в 4 млн. раз выше плотности воды и в 3 млн. раз выше плотности Солнца.

Астрономы и теоретики были озадачены, может ли существовать столь плотное вещество. Каждая звезда (кроме сверхновых во время их взрыва) находится в механическом равновесии между силами гравитации и давлением в ее недрах. От величины давления зависит, насколько сжата звезда; давление вместе с температурой определяет плотность вещества. В 1926 году английский физик-теоретик Р. Х. Фаулер с помощью только что созданной квантовой механики сумел объяснить, что давление внутри Сириуса Б и других белых карликов обусловлено не тепловым движением атомов, а вырожденным движением электронов.

Электронное вырождение проще всего понять в рамках дуализма волна-частица. Когда вещество сжато до высокой плотности и каждый электрон среды заключен в чрезвычайно малом пространстве, сдавленный электронами соседних ячеек, он начинает вести себя во многом как волна. Длина электронной волны (расстояние между ее гребнями) не может быть больше, чем размер ячейки: если бы она была больше, волна выходила бы за пределы этой ячейки. Далее, частицы, имеющие очень малую длину волны обязательно будут обладать высокой энергией. (Типичный пример — частица, связанная с электромагнитной волной, — фотон. Фотон рентгеновских лучей имеет гораздо более короткую длину волны, чем у видимого света и, как следствие, фотоны рентгеновских лучей гораздо более энергичны, чем фотоны видимого света.)

В случае электронов внутри очень плотного вещества короткая длина волны и, соответственно, высокая энергия приводят к их быстрому движению; это означает, что электрон должен двигаться в своей ячейке, ведя себя как странный сверхбыстрый мутант: наполовину волна, наполовину частица. Физики говорят, что электрон «вырожден», и называют давление, вызываемое этим беспорядочным высокоскоростным движением, «давлением вырожденных электронов» Не существует способа избавиться от этого давления; оно является неизбежным следствием

заключения электрона в малом объеме. Более того, чем больше плотность вещества, тем меньше ячейка и меньше длина волны электрона — и выше его энергия, быстрее движение, а следовательно, больше давление вырождения. В обычном веществе с обычной плотностью давление вырождения настолько мало, что им можно пренебречь, но при огромных плотностях белых карликов оно должно быть чрезвычайно большим.

Я пи любой ли массе возможно существование белых карликов? Ответ на этот вопрос дал в 1930 году молодой индийский ученый С. Чандрасекхар, получивший за это Нобелевскую премию лишь 54 (!) года спустя. Этот срок, достойный книги рекордов, подчеркивает, насколько поразительным оказался результат. Вещество с высокой плотностью с трудом может сдерживать гравитацию, да и то в том случае, если масса звезды меньше 1,4 солнечной. Это означает, что вообще не может существовать белых карликов массой, превышающей 1,4 массы Солнца! А что же дальше? Если белый карлик тяжелее Солнца в 1,4 раза, гравитация полностью превозмогает давление вырождения. Когда более тяжелая звезда истощает свой внутренний запас тепла и остывает, тяготение выигрывает противоборство с давлением и заставляет звезду неминуемо сжиматься. Но до каких пор? Окончательный ответ: в зависимости от массы — в нейтронную звезду или черную дыру. Однако для обретения уверенности в таком утверждении потребовалось еще 60 лет.

До этого события развивались так. В феврале 1932 года английский экспериментатор Дж. Чедвик открыл нейтрон, нейтральную частицу, существование и свойства которой до этого предсказал Резерфорд. Это позволило теоретикам предсказать наличие еще одного типа звезд — нейтронных. Их средние плотности больше по сравнению с белыми карликами, причем больше в миллион раз! Первым о нейтронных звездах сказал в 1937 году Л. Д. Ландау, но его качественная модель оказалась не самой удачной. Незадолго до второй мировой войны она была существенно улучшена Р. Оппенгеймером, впоследствии отцом атомной бомбы, и его аспирантом, эмигрантом из России Г. Волковым. Но их теория показала, что и нейтронная звезда не может существовать, если ее масса превосходит некоторый предел. Впоследствии этот предел был вычислен, он равен всего 2 солнечным массам. Если же масса больше, то холодная звезда претерпевает так называемый гравитационный коллапс: она необратимо сжимается в черную дыру.

В предыдущей фразе есть одно важное слово: «холодная». Дело в том, что астрономы прекрасно знают о существовании звезд с массами и в 10, и в 20 раз больше солнечной. Как правило, большие звезды светят ярко, их температуры очень высоки, а плотности — обычные. Существование горячих звезд с практически любой массой не противоречило теории. Но в процессе горения звезды исчерпывают запасы своей энергии: сперва выгорает водород, превращаясь в гелий, затем гелий должен сгореть с образованием углерода и так далее вплоть до железа. Железо — самый устойчивый химический элемент, оно уже гореть не может. Поэтому теоретики и интересовались судьбой остывших железных звезд. Но именно по этой же причине теоретические предсказания нейтронных звезд, а тем более черных дыр воспринимались наблюдателями с известной долей скепсиса. Так продолжалось до 1967 года, когда неожиданно для всех нейтронные звезды были обнаружены.

Точнее говоря, английский радио-астроном Хьюиш заметил пульсары, источники, пульсирующие в радиодиапазоне с такой высокой точностью, что она может служить эталоном времени, кое в чем превосходящим атомные часы. Но единственным объяснением этого удивительного феномена, появившимся через год-два после открытия пульсаров и быстро ставшим общепризнанным, стала именно модель быстровращающейся нейтронной звезды с очень сильным магнитным полем. Это открытие, в свою очередь, вдохнуло энтузиазм в поиски черных дыр, последней из, теоретически возможных звездных формаций.

Черные дыры были найдены. Но процесс поиска, как это часто бывает, даже интереснее конечного результата. Книга ярко иллюстрирует, как живо пульсировала мысль по обе стороны Атлантического океана и как исследования черных дыр пересекались с работами по ядерному оружию.

В конце 50-х годов Зельдовичу начала надоедать его работа по разработке оружия. Большая часть интересных проблем уже была решена. В поиске новых задач он часть своего времени обращал сначала на теорию элементарных частиц, а затем на астрофизику, продолжая руководить командой разработчиков бомбы на «Объекте», а также другой группой, проводящей вспомогательные расчеты в Институте прикладной математики в Москве. В работе по созданию бомб Зельдович «бомбардировал» свою команду идеями, а члены группы проводили вычисления, чтобы проверить, будут ли идеи работать. «Искры — Зельдовича, бензин — его группы», — так это описывал Гинзбург.

Схлопывание звезд было одной из астрофизических проблем, захвативших воображение Зельдовича. Так же, как и Уиллеру, Колгейту, Мэю и Уайту в Америке, ему было очевидно, что методы, разработанные при конструировании водородной бомбы, идеально подходили для математического моделирования схлопывающихся звезд.

Чтобы разгадать детали схлопывания, Зельдович «взял в оборот» нескольких молодых коллег: Дмитрия Надеждина, Владимира Имшен-ника из Института прикладной математики и Михаила Подуреца с «Объекта». В серии интенсивных дискуссий он передал им свое видение того, как схлопывание звезд может моделироваться на компьютере, при учете всех ключевых эффектов, которые были столь же важны и для водородных бомб: давления, ядерных реакций, ударных волн, теплоты, излучения, выброса массы.

Вдохновленные этими дискуссиями, Имшенник и Надеждин смоделировали схлопывание звезд малой массы, а также — независимо от Колгейта и Уайта в Америке — представления Цвики о сверхновых. Параллельно Подурец смоделировал схлопывание массивных звезд. Результаты Подуреца, опубликованные почти одновременное результатами Мэя и Уайта, были почти идентичны американским. Сомнений не оставалось: схлопывание порождает черные дыры — и именно так, как предсказали Оппенгеймер и Снайдер.

Адаптация машинных программ разработки бомбы для моделирования схлопывания звезд — лишь одна из многих близких связей между ядерным оружием и астрофизикой. Эти связи были очевидны и Сахарову в 1948 г. Когда ему приказали вступить в группу разработчиков бомбы под руководством Тамма, для освоения проблемы он погрузился в изучение астрофизики. В 1969 г. неожиданной К. Торн наткнулся на эту взаимосвязь.

«В действительности я никогда не стремился знать, в чем именно состоит идея Теллера-Улама/Сахарова-Зельдовича — пишет автор. — Супербомба, которая (если исходить из главного достоинства их идеи) могла бы быть «сколь угодно мощной», казалась мне чем-то непристойным, и мне даже не хотелось рассуждать о том, как она работает. Однако в процессе поиска понимания роли нейтронных звезд во Вселенной идея Теллера-Улама проникла в мое сознание».

За несколько лет до этого Зельдович обратил внимание на то, что газ из межзвездного пространства или от близлежащей звезды, падая на нейтронную звезду, должен нагреваться и ярко светиться. Фактически газ должен стать настолько горячим, что сможет испускать в основном рентгеновские лучи высокой энергии, а не обычный свет. Падающий газ определяет уровень испускания рентгеновских лучей. Зельдович доказывал, что верно и обратное: рентгеновское излучение контролирует количество падающего газа. Таким образом, оба фактора — и газ, и рентген — работая сообща, дают устойчивый, саморегулируемый поток. Если скорость газа при падении слишком велика, то он будет порождать много рентгеновского излучения и испускаемые рентгеновские лучи будут ударяться о падающий газ, создавая давление, направленное наружу, которое замедлит падение газа. Если же газ падает с малой скоростью, он дает так мало рентгеновских лучей, что они будут не в состоянии замедлить падающий газ, и падение будет увеличиваться. Существует только один уровень падения газа, не слишком высокий и не слишком малый, при котором рентгеновское излучение и газ находятся во взаимном равновесии.

«Эта картина падения газа и рентгеновского излучения не давала мне покоя — замечает К. Торн. — Я хорошо знал, что если попытаться удержать плотную жидкость на Земле, такую, как жидкая ртуть, с помощью менее плотной жидкости, такой, как вода, находящаяся ниже, то языки ртути быстро проложат себе в воде дорожки вниз, и ртуть моментально проскочит вниз, а вода поднимется наверх. Это явление называется нестабильностью Рэлея-Тейлора. В картине Зельдовича рентгеновские лучи подобны воде, имеющей малую плотность, а падающий газ — плотной ртути. Не «проедят» ли себе дорогу языки газа сквозь рентгеновские лучи, и не будет ли после этого газ свободно падать вдоль этих языков, разрушая саморегулирующийся поток Зельдовича?»

Тщательный расчет, проведенный в соответствии с физическими законами, помог бы ученому узнать, происходит ли все это в действительности. Однако подобный расчет был бы очень сложным и отнял много времени, поэтому вместо того, чтобы делать его, Торн решил поговорить об этом с Зельдовичем. Разговор состоялся в Москве, в 1969 г.

«Я задал вопрос, Зельдович выглядел немного смущенным, но его ответ был уверенным: «Нет, Кип, этого не происходит. В рентгеновских лучах нет языков. Поток газа стабилен». «Откуда вы знаете, Яков Борисович?» — спросил его я. Удивительно, но ответа я не смог получить. Казалось ясным, что Зельдович (или кто-то еще) проделал детальный расчет или эксперимент, показывающий, что рентгеновское излучение может оказывать давление на газ без образования языков Рэлея-Тейлора, разрушающего это давление. Но Зельдович не мог мне указать на такой расчет или эксперимент, описанный в опубликованной работе, не мог он мне описать и физику происходящего. Как это было для него нехарактерно!»

Несколькими месяцами позже Торн путешествовал с Колгейтом в горах Калифорнии. Он вспоминает: «Колгейт, один из лучших экспертов в Америке по течению жидкости и излучению, был глубоко вовлечен в американский проект супербомбы на его последнем этапе и был одним из тех трех ливерморских физиков, которые смоделировали схлопывание звезд на компьютере. Я поставил перед Колгейтом тот же самый вопрос, который раньше задавал Зельдовичу, и мне был дан тот же самый ответ: поток устойчив; газ не может обойти силы давления рентгеновского излучения образованием языков.

«Откуда ты знаешь, Стирлинг?» — спросил я. «Это было показано», — ответил он. «Где я могу найти этот расчет или результаты эксперимента?» — спрашиваю я. «Не знаю»…

«Это очень странно, — заявил я Стирлингу. — Зельдович сказал мне а точности то же самое — поток стабилен. Но он, как и ты, не представил мне никаких доказательств».

«О! Это очаровательно. Значит, Зельдович действительно знал», — ответил Стирлинг. И тогда я все понял. Я не хотел знать, но аывод напрашивался сам собой. ИдеяТел-лера-Улама, судя по всему, состояла в использовании рентгеновского излучения, испущенного в первую микросекунду начала распада (атомной бомбы), для того, чтобы помочь сжать и поджечь термоядерное горючее супербомбы. То, чтоэтодей-ствительно было частью идеи Тел-лера-Улама, было подтверждено в 80-х несколькими открытыми публикациями в Америке, иначе я бы об этом здесь не упоминал».