Андрей Иванцов: Во времени путешествовать можно, но только в будущее

Гость «Звезды» — Андрей Иванцов, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры теоретической физики Пермского классического университета. Андрей Иванцов читает в университете курс астрофизики.

Во-первых, «Интерстеллар» — фильм, у которого в центре сюжета зияет чёрная дыра. А чёрными дырами, как известно, вдохновенно занимаются и астрофизика, и космология. Кстати, чем эти науки отличаются друг от друга?

— Космология — это раздел астрофизики, который изучает устройство Вселенной в целом. Космология отвечает на вопрос, как Вселенная эволюционирует во времени. В настоящее время наша Вселенная расширяется. Это значит, что когда-то она была меньше. А ещё раньше произошло рождение Вселенной.

Астрофизику интересуют «частности»: свойства планет, комет, туманностей...

И чёрные дыры? В том, как чёрная дыра показана в фильме Нолана, что, на ваш взгляд, уже факт, а что — вымысел?

— Прежде всего, стопроцентно сказать, что чёрные дыры существуют, нельзя. Но то, как чёрная дыра показана в фильме, соответствует современному представлению науки о чёрных дырах. Вокруг чёрной дыры настолько сильное гравитационное поле, что она притягивает к себе любые объекты, даже движущиеся со скоростью света, в том числе и сам свет. Наблюдать чёрные дыры сложно, потому что в космосе мы видим только то, что излучает свет. Тогда мы можем этот свет изучить, проанализировать и понять что-то про объект, от которого идёт этот свет.

Чёрная дыра свет не излучает, если не считать некоторых оговорок — таких, как излучение Хокинга. Но оно очень слабое, зафиксировать его не удаётся. Поэтому за всеми объектами, которые считаются чёрными дырами, наблюдают косвенно. Свет, проходя около чёрной дыры, отклоняется. И вот по тому, как он отклоняется, а также по тому, как ведут себя другие видимые объекты, можно сделать вывод, что где-то рядом есть чёрная дыра.

Чёрные дыры, как я поняла, очень важны: они структурируют галактики. Значит в центре нашей галактики Млечный Путь тоже есть чёрная дыра?

— Да, в центре нашей галактики находится так называемая сверхмассивная чёрная дыра, которая в миллионы раз тяжелее Солнца.

Почему тогда туда не улетают спутники и ракеты, ведь чёрные дыры славятся мощнейшим притяжением, как вы сказали?

— Звёзды нашей галактики вращаются вокруг центра галактики, как планеты Солнечной системы вокруг Солнца. Кроме того, наша галактика очень большая, просто огромная, поэтому её центр находится далеко от нас. Сила гравитации, что притягивает нас к чёрной дыре, находящейся в центре галактики, очень мала.

Насколько велика наша Вселенная? Она бесконечна?

— Она не бесконечна, хотя есть разные теории, но большинство учёных считают, что у Вселенной есть определённый размер, то есть она конечна.

Мне почему-то легче представить бесконечность Вселенной, чем наличие у неё конца. Если Вселенная конечна, что за её границами?

— Считается, что пространство наше трёхмерное и замкнутое. Представить себе это сложно. Но если немного упростить и перейти от трёхмерного к двухмерному пространству, то можно увидеть это как поверхность сферы или шара. И вот в некоторой точке на данной поверхности находится наша планета Земля, наша Солнечная система. У Вселенной нет ни начала, ни конца... Она замкнутая. И при этом она ещё расширяется. Шарик со временем надувается.

А если теперь от этого упрощённого взгляда перейти обратно в трёхмерное пространство, то мы получим примерно то, что есть на самом деле.

Таким образом, если долго-долго лететь в одну сторону, то мы вернёмся обратно к Земле. Только такой полёт займёт миллиарды лет, а когда космический корабль вернётся к Земле, её уже, скорее всего, не будет.

Давайте вернёмся к чёрной дыре. Вокруг этого объекта, наверное, много разных гипотез. К какой склоняетесь вы?

— О причинах появления чёрных дыр представление сегодня у всех примерно одинаковое. Чёрная дыра ранее была большой и яркой звездой. Звёзды светятся, потому что в них происходят термоядерные реакции синтеза. Это препятствует сжатию звезды, но с течением времени элементы, которые необходимы для синтеза, заканчиваются. И звезда начинает сжиматься. И если она большая, то сжиматься она будет до чёрной дыры, то есть до бесконечности. Если масса звезды не достаточно велика, то сжатие может остановиться и раньше.

Менее массивные звёзды сожмутся до размера пульсара, или нейтронной звезды. Наша звезда, Солнце, как и большинство звёзд, сначала перейдёт в стадию красного гиганта, а потом превратится в белого карлика. Словом, всё зависит от массы звезды.

Разногласия по поводу чёрных дыр возникают тогда, когда разговор заходит об эффектах, которые могут проявляться при приближении к чёрной дыре. Поверхность чёрной дыры называется горизонтом событий. Вблизи горизонта событий сила гравитации становится невероятно большой. В нашей Солнечной системе такой силы гравитации больше нигде нет. Существует серьёзное количество теорий, описывающих процессы, происходящие на горизонте событий, но к настоящему времени проверить их экспериментально не удаётся.

Притяжение чёрной дыры вблизи горизонта событий человек вряд ли может пережить, хотя в фильме «Интерстеллар» показано, что может...

Есть предположение, что людей в чёрной дыре вытягивает в длинные «макаронины»...

— Это возможно. При приближении к горизонту событий гравитационное поле становится сильно неоднородным. И если, например, вытянуть руку в сторону горизонта событий, то рука, оказавшись ближе к чёрной дыре, начнёт притягиваться гораздо сильнее, чем остальное тело. Эта разница будет так велика, что руку может и оторвать.

В чёрной дыре возникают силы, которые растягивают объекты. Их называют приливными силами. При приближении к горизонту событий они усиливаются. В результате действия этих сил объект может быть разрушен.

Чёрная дыра — сингулярность — кротовая нора — червоточина — пространственно-временной тоннель... Как это всё соотносится?

— Чёрная дыра и сингулярность — это одно и то же.

Сингулярность — это бесконечность по-другому. В чёрной дыре бесконечна плотность вещества. У каждого объекта есть размер. А сила гравитации в чёрной дыре так велика, что объект сжимается до бесконечности, потому что ничто это сжатие остановить не может. Вот это бесконечное сжатие и называется сингулярностью. Получается бесконечно плотная точка. Эта точка находится в центре чёрной дыры.

А вот червоточина, пространственно-временной тоннель, кротовая нора... Это уже нечто другое — некоторый космический объект, связанный с кривизной пространства. На больших масштабах пространство не прямолинейное, а искривлённое.

Если опять же перейти в двухмерную плоскость и, как показано в фильме «Интерстеллар», представить, что наше пространство — это лист бумаги, и по разным сторонам этого листа поставить две точки... Тогда из одной точки в другую можно попасть либо следуя по поверхности листа, либо (что будет быстрее!) напрямую, сложив лист пополам точка к точке. Две точки пространства могут быть связаны друг с другом посредством искривлённости пространства... Это и есть червоточина. Теория гравитации Эйнштейна допускает возможность появления таких объектов, но до сих пор физикам не удалось обнаружить их в космосе.

Но в червоточине ещё как будто кривится и время? У Бродского есть такие строчки: «Время больше пространства./ Пространство — вещь./Время же, в сущности, мысль о вещи». Как может кривиться мысль о вещи?

— Если вспомнить фильм, то червоточина привела команду «Интерстеллара» в другую галактику, никаким искривлением времени это движение не сопровождалось.

Но в фильме есть эта мысль — герои Мэттью Макконахи и Энн Хэтэуэй остаются в конце путешествия такими же молодыми, какими отправились в путь. Как будто бы прошло самое большее несколько месяцев.

— Этот эффект не связан с червоточиной, кротовой норой...

Эффект замедления времени связан с чёрной дырой, зависит от гравитации, которая вблизи чёрной дыры велика. Объекты, находящиеся в зоне гравитации, стареют медленнее, чем удалённые от неё. И это относится не только к чёрным дырам, но ко всем объектам с достаточно большой массой. Вблизи такого объекта пространство искривляется и время замедляется.

Даже на Земле это заметно. Система GPS, например, работает с поправками на то, что время на Земле течёт медленнее, чем в космосе. А чёрная дыра имеет невероятно большую массу, и эффект замедления времени рядом с ней очень большой.

Помните, герои «Интерстеллара» высадились на планету, которая была рядом с чёрной дырой, и провели там один час? В это время на корабле, который, по сравнению с той планетой, был дальше от чёрной дыры, прошло много лет.

Сюжет «Интерстеллара» построен во многом на идеях американского физика и астронома Кипа Торна. Понятно, почему фантастика тяготеет к науке. А почему наука тяготеет к фантастике? Целый ряд серьёзных учёных, включая Эйнштейна, как будто бы на полном серьёзе размышляют о путешествиях во времени...

— Во времени можно путешествовать, конечно же.

Можно вернуться в прошлое?

— Нет, только в будущее. И в фильме это было показано. Герой попадает в будущее. По теории относительности Эйнштейна (общей и специальной), если находиться вблизи объектов, имеющих большую массу (например, около чёрной дыры) или разогнаться до скоростей, близких к скорости света, то время будет замедляться. И мы попадём в будущее.

Но!.. Одна из главных задач героя Макконахи — добыть информацию из чёрной дыры. Однако по современным представлениям никакую информацию из чёрной дыры достать нельзя. И это принципиально! С точки зрения науки узнать о том, что скрывает в себе чёрная дыра, нельзя. А раз так, то фантазировать на тему, что происходит внутри чёрной дыры, можно довольно свободно. Ограничений нет!

Так, в «Интерстелларе» люди будущего, научившись управлять временем-пространством, помогли герою Макконахи, когда он очутился в чёрной дыре, связаться со своей дочерью в прошлом, чтобы передать ей формулу гравитации, необходимую для спасения человечества.

Что касается момента приближения к чёрной дыре? В принципе, более или менее описать и предсказать то, что там будет происходить, современная физика может. И молодость героев «Интерстеллара», пролетевших рядом с чёрной дырой, несмотря на прошедшие годы и годы, соотносится с существующими теориями.

Назовите самый большой обман о космосе, который получил широкое распространение среди людей?

— Когда-то считалось, что Земля плоская и лежит на трёх китах. Было мнение, что Луна — это диск, который прибит к небесному своду. Нельзя сказать, что всё это был обман, продуманная ложь. Люди просто знали только то, что знали.

Поэтому и сейчас нельзя сказать, что вот это, например, обман, а то есть истина. Наука просто не может ответить на какие-то вопросы. Но она их задаёт! Есть теория относительности Эйнштейна. И есть учёные, которые пытаются опровергнуть её.

Я так понимаю, что современная физика стоит всё-таки на Эйнштейне, на его теории относительности. И есть, значит, ереси?

— Не ереси. Альтернативные теории, которые описывают пространство и время несколько иначе.

Они также подтверждаются расчётами?

— Да, есть альтернативные теории, которые, может быть, что-то даже лучше описывают, по мнению их авторов. Но оснований считать, что теория относительности (или какая-то другая основополагающая теория) сегодня неверна, нет, потому что нет доказательств.

А что такое «нет доказательств»? Ведь доказывал Коперник в своё время, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, как считало большинство. Но его никто не слушал. Джордано Бруно за инакомыслие и вовсе бросили в костёр. Может быть, и сейчас есть такие Коперник и Джордано Бруно?

— Может быть. Наверное, я неточно выразился. Если появится более полная по сравнению с теорией относительности Эйнштейна теория гравитации, скажут, что новая теория говорит о явлениях в более широком классе: лучше описывает, например, кротовые норы или чёрные дыры. Область применения старой тогда будет просто ограничена.

В Европе и Америке, сужу по огромному количеству научно-популярных фильмов, много делается для изучения космоса. Орбитальные телескопы, зонды, вояджеры... Насколько серьёзно работает в этом направлении Россия?

— Большинство современных экспериментов по изучению космоса совместные: проводятся международными группами учёных. Российские учёные принимают участие и в работе Международной космической станции, и в экспериментах Большого адронного коллайдера, и в других международных программах.

А можно назвать какие-то имена современных российских астрофизиков и космологов. Западные назвать можно: Стивен Хокинг, Эдвин Хаббл...

— У нас тоже есть имена.

Начну издалека. С точки зрения современной науки, Вселенная расширяется. Но такая точка зрения существовала не всегда. Эйнштейн, например, считал, что наша Вселенная стационарна, то есть её размеры не меняются. И в своих уравнениях он даже добавлял специальное слагаемое, которое позволяло получить стационарность Вселенной.

Потом было экспериментально обнаружено расширение Вселенной. А вот математически обосновал это, согласовав с теорией относительности Эйнштейна, Александр Александрович Фридман. Решение так и называется — космологическое решение Фридмана. Правда, вклад в это дело внесли также английские и американские учёные, но первым это сделал Александр Фридман в 1922 году. И это основополагающая вещь!

Но самое интересное, что Фридман работал в Пермском государственном университете. Работал он в Перми примерно с 1918 по 1921 год. В 1922 году у него вышла статья на эту тему. И получается, что свою модель расширения Вселенной Фридман, скорее всего, рассчитал в стенах Пермского университета.

Как работает на общее дело изучения Вселенной пермская наука сегодня?

— Основные направления работы пермских физиков — это гидродинамика и механика твёрдого тела. Большое количество учёных Перми занимается изучением движения жидкостей и твёрдых тел в различных природных и технических системах. Однако такие исследования часто имеют космическое приложение.

Несколько лет назад группа учёных ПГНИУ разработала прибор для измерения уровня гравитации на космической станции. В настоящее время ведётся работа над новой версией прибора, которую планируется доставить на Международную космическую станцию в 2018 г.

Кроме преподавательской деятельности, я работаю в Институте механики сплошных сред Уральского отделения РАН (ИМСС УрО РАН). В Пермском крае действует программа поддержки международных исследовательских групп («МИГ»), связывающая пермских учёных с учёными мира, в том числе и по вопросам изучения космоса. Я участвую в одной из таких групп, объединяющих учёных ПГНИУ и лаборатории вычислительной гидродинамики ИМСС УрО РАН. В рамках проекта мы изучаем поведение гидродинамических систем, в частности процессы диффузии (смешивания) вещества. Причём исследования проходят в космических условиях, чтобы исключить влияние гравитации.

Кроме того, в лаборатории физической гидродинамики ИМСС УрО РАН проводится эксперимент, в котором пытаются получить аналог магнитного поля Земли — так называемое магнитное динамо. Другими словами, изучается генерация магнитных полей в движущихся потоках проводящей жидкости. Это позволит лучше понять происхождение магнитных полей планет, звёзд и даже галактик.

А сейчас, если позволите, несколько вопросов от наших читателей. Приближается ли Луна к Земле или отдаляется от неё?

— Известный факт. На 3,8 см в год Луна отдаляется от Земли. Луна и Земля воздействуют друг на друга за счёт гравитации. Масса Луны сравнительно велика, и находится Луна довольно близко к нашей планете, поэтому движение Луны вызывает на Земле приливы. Приливы изменяют гравитационное поле Земли, так как форма поверхности океанов немного меняется. Это изменение гравитационного поля, в свою очередь, оказывает влияние на Луну.

При этом Земля вращается вокруг своей оси, а Луна вокруг Земли. Скорости вращений у них разные. Земля вращается быстрее. А гравитационное взаимодействие Земли и Луны стремится выравнять эти скорости. Поэтому вращение Земли со временем замедляется, а скорость вращения Луны (как ни странно!) не возрастает. Возрастает её момент импульса. В результате Луна отдаляется от Земли. Данный эффект очень сложно описать без использования закона сохранения импульса механической системы.

Когда космический мусор начнёт мешать полётам в космос?

— Да, в космосе уже довольно большое количество обломков. Не так давно взорвался китайский спутник. Образовалось ещё некоторое количество мусора. Но пространство огромно, а обломки маленькие, поэтому вероятность их столкновения с космическими кораблями невелика. Кроме того, за всеми этими мусорными объектами следят, орбиты больших обломков есть в каталогах, при полётах их учитывают, чтобы минимизировать столкновение. Орбита Международной космической станции регулярно корректируется опять же для того, чтобы исключить возможность столкновения с космическим мусором.

Назовите самые реальные угрозы Земле из космоса?

— Метеорит. Пока метеорит не упал в Челябинске, никто про него ничего не знал. Значит, метеорит может упасть неожиданно. Это такой объект, который засечь сложно, размер метеорита по космическим меркам мал.

На самом деле можно придумать много угроз. Например, к Солнечной системе может прилететь чёрная дыра малой массы. Такую чёрную дыру тоже будет сложно увидеть.

А она летает?

— В космосе всё в некотором смысле летает. Не исключено существование блуждающих чёрных дыр. Подлетит такая к Солнцу и... Не обязательно даже, чтобы чёрная дыра на Землю упала. Ей достаточно приблизиться к нашей Солнечной системе...

Что будет тогда?

— Под влиянием чёрной дыры изменятся орбиты планет и сильно возрастёт вероятность столкновения, скажем, с кометой или астероидом.

***

В качестве десерта — видео от кинокомпании Warner Bros. о том, как создавалась чёрная дыра в фильме «Интерстеллар».