Стоит пересечь горизонт событий чёрной дыры, и пути назад уже нет. Но может ли рождение сингулярности внутри неё породить новую Вселенную?
- Всё, что мы знаем о нашей Вселенной, началось с горячего Большого взрыва около 13,8 миллиарда лет назад. При этом в нашей Вселенной любая материя или энергия, попавшая в чёрную дыру, уже не может из неё выбраться.
- Тем не менее существует множество интересных параллелей между внутренним устройством чёрной дыры и ранним горячим, плотным и полным энергии состоянием нашей Вселенной после Большого взрыва, что заставляет многих задаваться вопросом, не связаны ли эти два явления.
- Могла ли наша Вселенная возникнуть в результате образования чёрной дыры в «родительской» Вселенной? Это захватывающая возможность, и вам наверняка понравится исследовать её глубже!
Чёрные дыры — одни из самых загадочных объектов в нашей Вселенной. Хотя их существование было предсказано ещё до того, как была сформулирована Общая теория относительности, и хотя тысячи из них уже были обнаружены по всей Вселенной, мы можем наблюдать лишь то, что происходит за пределами их горизонтов событий. То, что у них внутри навсегда отрезано от нас горизонтом событий — границей, отделяющей то, что может взаимодействовать с внешней Вселенной, от того, что не может. Теоретически, внутри каждой чёрной дыры существует сингулярность: место, где все законы физики перестают работать и где даже пространство и время в нашем привычном понимании прекращают своё существование.
С другой стороны, наша Вселенная изначально могла образоваться из сингулярности, что привело к состоянию космической инфляции, за которым последовало то, что мы называем горячим Большим взрывом: отправная точка для всей известной материи и излучения, возникших в пределах нашей наблюдаемой Вселенной. Возможно ли, что эти две концепции — формирование чёрной дыры, с одной стороны, и появление нашей наблюдаемой Вселенной, с другой — связаны между собой? Давайте попробуем разобраться.
Начнём с чёрных дыр. Впервые их идея была выдвинута в конце XVIII века в контексте ньютоновской гравитации, когда учёный Джон Митчелл размышлял о Солнце. Митчелл понял: если бы существовал объект той же плотности, что и Солнце, но примерно в 500 раз больше, то вторая космическая скорость на его поверхности превысила бы скорость света. Следовательно, рассуждал он, никакой свет не смог бы вырваться наружу, и в итоге в космосе оказался бы тёмный, плотный и массивный объект — то, что мы сегодня называем чёрной дырой. В контексте общей теории относительности решение для невращающихся чёрных дыр было найдено Карлом Шварцшильдом в 1916 году, а решение для (физически реальных) вращающихся чёрных дыр было открыто в 1963 году Роем Керром.
Роджер Пенроуз был удостоен Нобелевской премии по физике в 2020 году за свою новаторскую работу по астрофизическим механизмам образования чёрных дыр и за демонстрацию того, что в их центрах неизбежно должна существовать физическая сингулярность. Сингулярность могла быть точечной (для невращающихся чёрных дыр) или «размазанной» в одномерное кольцо (для вращающихся), но ключевой момент заключался в следующем:
- если собрать достаточно массы/энергии в одной конкретной области пространства,
- так, что образуется горизонт событий — область, из которой ничто, даже свет, не может вырваться,
- и потребовать, чтобы всё по-прежнему подчинялось законам общей теории относительности,
то внутри этой чёрной дыры, без каких-либо исключений, неизбежно образуется сингулярность. Важно отметить, что сингулярность представляет собой место, где сами законы физики и даже наше понимание существования пространства и времени перестают работать.
Однако чёрные дыры не являются вечными, неизменными объектами. Они существуют в нашей квантовой Вселенной и, следовательно, подчиняются правилам квантовой теории поля. Кроме того, это очень массивные объекты, занимающие очень малые объёмы, и поэтому они вызывают сильное искривление пространства-времени вблизи своих сингулярностей, в том числе на горизонте событий и даже за его пределами. Если объединить эти два аспекта реальности, то окажется, что вакуум пустого пространства за пределами горизонта событий нестабилен и испускает постоянный поток несущего энергию излучения — излучения Хокинга. В течение чрезвычайно долгих временных промежутков, даже если их оставить в полном покое, чёрные дыры будут распадаться и испаряться, медленно теряя массу в виде этой формы энергии согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc².
Кроме того, у чёрных дыр есть одна очень интересная особенность: каждая точка, описывающая внешнюю область чёрной дыры, включая абсолютно всё, к чему мы можем получить доступ и что можем наблюдать извне тех, что находятся в нашей Вселенной, может быть сопоставлена, в математическом смысле один к одному, с соответствующей точкой внутри чёрной дыры. Например, можно взять (невращающуюся) чёрную дыру Шварцшильда и, просто заменив радиальную координату «r» на обратную ей величину «1/r» (или, точнее, заменив каждое вхождение «r/R» на «R/r», где R — радиус Шварцшильда вашей чёрной дыры), вы как бы меняете местами внутреннюю и внешнюю её части. Складывается впечатление, будто наше представление о реальности — о том, как выглядит «внутренность» и «внешность» чёрной дыры, — зависит исключительно от того, как мы определяем координаты.
Теперь перейдём ко Вселенной, какой мы её наблюдаем. Хотя она подчиняется тому же закону гравитации, что и чёрные дыры, — общей теории относительности Эйнштейна, — между пространствами-временами, описывающими нашу Вселенную и чёрные дыры, есть два ключевых различия.
- Наша Вселенная, как мы её понимаем, однородна в больших масштабах. Если вы представите, что берёте гигантский трёхмерный «ковш» — размером в несколько миллиардов световых лет — и зачерпываете им в любой области пространства, вы извлечёте одинаковое количество материи и энергии, где бы вы ни зачерпнули. Не будет ни предпочтительного направления, ни места; все области с точностью до ~99,997% эквивалентны. Мы говорим, что это означает, что Вселенная одновременно и гомогенна (однородна, то есть одинакова везде), и изотропна (одинакова во всех направлениях). Этот факт о Вселенной настолько хорошо установлен, что известен как космологический принцип.
- И поскольку она изотропна, однородна и наполнена хотя бы одним видом материи и/или энергии, эта Вселенная не может быть статичной и стабильной, что было доказано ещё в 1922 году. Вместо этого сама Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься, подобно тому как квадратный корень из четырёх может быть как +2, так и -2; уравнения допускают оба типа решений. Единственный способ узнать, какой из них описывает Вселенную, в которой вы живёте, — это провести измерения, что подчёркивает разницу между физикой и математикой: математика говорит вам, какие решения возможны, в то время как физика — какое из них описывает вашу физическую реальность. В нашем случае Вселенная однозначно расширяется.
Может показаться, что эти два явления никак не могут быть связаны. Как может расширяющаяся, равномерно заполненная Вселенная иметь какое-либо отношение к концентрированному скоплению материи и энергии, включая огромную массу, которое притягивает всё к центральной области?
В конце концов, это одна из отличительных черт чёрной дыры: в рамках общей теории относительности Эйнштейна она является так называемым статическим решением. В статическом решении, которое мы получаем после образования горизонта событий, само пространство будет как бы «течь» с определённой скоростью в определённом направлении. Например, Солнечную систему можно рассматривать как приблизительно статическое решение, где масса Солнца доминирует в пространстве, и, следовательно, Земля движется не по прямой, а по искривлённой геодезической (или «мировой линии»), определяемой тем, насколько масса Солнца искривляет пространство вокруг себя.
Аналогично, пространство вокруг чёрной дыры, а также пространство внутри неё (после образования центральной сингулярности) как бы «течёт» к центральной сингулярности, как внутри, так и снаружи горизонта событий. Снаружи горизонта событий реальные физические объекты в нашей Вселенной (материя, антиматерия, излучение или что-либо, состоящее из квантов) всё ещё могут вырваться в более широкую Вселенную, если у них есть нужная скорость/импульс, но изнутри горизонта событий вы неизбежно попадёте в центральную сингулярность.
На первый взгляд, эти два случая — наша наблюдаемая, расширяющаяся Вселенная и внутренность чёрной дыры — кажутся настолько разными, что непонятно, как вообще можно было подумать, что они могут быть связаны. И всё же, если присмотреться повнимательнее, оказывается, что они могут быть связаны гораздо теснее, чем можно было бы предположить.
Например, можно признать, что для любой расширяющейся Вселенной существует критическая плотность массы: если плотность вашей Вселенной ниже этого значения, она будет расширяться вечно, а если выше — она достигнет максимального размера, прекратит расширяться и в конечном итоге снова сколлапсирует. Когда это произойдёт, вся материя и энергия внутри неё сконцентрируются в одной точке бесконечной плотности — сингулярности. Другими словами, конечное состояние сверхплотной Вселенной может быть идентично чёрной дыре!
Затем можно измерить всю материю во Вселенной, включая как обычную, так и тёмную материю, и вычислить фактическую плотность массы Вселенной. После этого можно измерить (или рассчитать) размер наблюдаемой Вселенной и сравнить, каким был бы радиус Шварцшильда для чёрной дыры с такой же массой, содержащейся в наблюдаемом объёме. Оказывается, такая чёрная дыра была бы огромной: её радиус Шварцшильда составил бы около 15 миллиардов световых лет. Это близко, но всё же значительно меньше, чем радиус нашей реальной наблюдаемой Вселенной, составляющий около 46 миллиардов световых лет.
Также верно и то, что, если посмотреть на уравнения, управляющие образованием чёрной дыры и структурой её пространства-времени, можно сделать нечто захватывающее: обратить течение времени. Мы часто отмечаем, что почти все уравнения и взаимодействия во Вселенной подчиняются симметрии обращения времени: они одинаковы как при движении времени вперёд, так и назад. Тогда можно задать себе вопрос: каковы будут последствия обращения времени для чёрной дыры? Оказывается, ответом будет белая дыра: сингулярность, из которой внезапно возникают пространство, время и огромное количество материи и энергии.
Можете ли вы вспомнить событие в нашем космическом прошлом, которое могло бы быть похоже на белую дыру?
Если вы подумали о «Большом взрыве», то вы не одиноки — это самое близкое из известных нам событий такого рода. Вся материя и энергия в нашей наблюдаемой Вселенной возникли на ранних стадиях горячего Большого взрыва, и по мере расширения и охлаждения они породили Вселенную, которую мы знаем и наблюдаем сегодня. Это убедительная линия рассуждений, но два открытия, сделанные в конце XX века, показывают, что аналогия лишь поверхностная.
- Сам горячий Большой взрыв не мог начаться с сингулярности; ему предшествовал несингулярный период, известный как космическая инфляция. Инфляцию лучше всего описать как быстрое, непрерывное состояние постоянного, экспоненциального расширения, и только когда она заканчивается, начинается горячий Большой взрыв.
- И наша Вселенная заполнена не только материей (включая тёмную) и излучением, но и формой энергии, присущей самому пространству, — тёмной энергией, которая заставляет расширение Вселенной не замедляться, а ускоряться.
Но, возможно, эти детали — не проблемы для гипотезы о том, что внутренность чёрной дыры в одной Вселенной приводит к рождению новой Вселенной внутри неё. Возможно, эти детали — намёки на то, как это на самом деле может работать!
Подумайте вот о чём: с одной стороны, мы говорили об излучении Хокинга как о способе испарения чёрных дыр в течение очень длительных периодов времени. С другой стороны, мы только что упомянули, что в две разные эпохи — одну, предшествующую Большому взрыву, при высоких энергиях, и другую, вызывающую позднее ускоренное расширение Вселенной, при низких энергиях — похоже, существует форма энергии, присущая самому пространству. Может ли излучение Хокинга от чёрной дыры в одной Вселенной быть каким-то образом связано с формой тёмной энергии внутри дочерней Вселенной, которая рождается внутри неё?
Давайте поразмыслим. Чёрные дыры набирают массу, когда в них падает материя, и распадаются, теряя массу, через излучение Хокинга. По мере изменения размера горизонта событий, возможно, наблюдатель внутри этого горизонта, соответствующий наблюдателю в дочерней Вселенной, видит, как меняется и энергия, присущая ткани его пространства. Возможно, нынешние намёки на то, что тёмная энергия в нашей Вселенной может эволюционировать, на самом деле указывают на этот сценарий и отражают рост или сжатие горизонта событий нашей «родительской» чёрной дыры с течением времени.
Один примечательный факт об астрофизических чёрных дырах, которые мы обнаружили в нашей Вселенной, заключается в том, что все они, насколько мы смогли измерить, не только вращаются, но и делают это довольно быстро. И вот какой замечательный вопрос можно задать:
Если вы наблюдатель, который падает в такую чёрную дыру и пересекает горизонт событий, что вы на самом деле увидите вокруг себя, при условии, что останетесь целы и вас не разорвут приливные силы?
Ответ, как выяснил астрофизик из Университета Колорадо Эндрю Гамильтон в 2010-х годах, заключается в том, что при приближении или достижении внутреннего горизонта событий (поскольку у вращающихся чёрных дыр горизонт событий разделён на «внутренний» и «внешний»), вы увидите нечто, что поразительно похоже на эпоху космической инфляции, породившую наблюдаемую Вселенную. (При этом внутри самой чёрной дыры действительно происходит коллапс в пространственноподобную сингулярность.)
Следуя разным линиям рассуждений — некоторые из них более насыщены математикой, чем другие — вполне резонно предположить, что действительно может существовать связь между:
- рождением нашей Вселенной и созданием чрезвычайно массивной чёрной дыры из Вселенной, существовавшей до нашей,
- и образованием чёрных дыр в нашей наблюдаемой Вселенной и созданием дочерних, «карманных» Вселенных внутри каждой из них.
Сами по себе эти идеи всё ещё носят умозрительный характер, поскольку мы надеемся связать надёжные, однозначные математические предсказания с непосредственно наблюдаемыми параметрами в нашей собственной Вселенной. Тем не менее они заслуживают дальнейшей разработки и исследования.
Наконец, на протяжении всей истории, и в настоящее время тоже, некоторые предполагали, что наша Вселенная на самом деле может вращаться, хотя и в масштабах, превышающих те, что мы можем измерить (и на временных отрезках длиннее, чем мы можем охватить). Вспомним, что чёрная дыра Керра — это решение для пространства-времени с вращающейся чёрной дырой. Как показано выше, чем быстрее вращение, тем больше асимметрия между различными измерениями, в которых существует чёрная дыра. Если окажется, что тёмная энергия анизотропна — то есть различна в разных направлениях, — что должен выяснить уже построенный, но пока ожидающий финансирования для запуска телескоп Нэнси Грейс Роман, это может стать косвенным доказательством того, что наше конечное космическое происхождение связано с внутренностью быстро вращающейся чёрной дыры.
Несмотря на соблазн просто сказать: «Нет, у чёрных дыр одни свойства, а у нашей наблюдаемой Вселенной — другие, совершенно отличные, и поэтому они не связаны», — такое рассуждение слишком упрощённо. Факт в том, что мы не понимаем всего, что можно понять о нашей Вселенной, и эти направления мысли не только по-прежнему актуальны, но и (наряду со многими другими) активно прорабатываются сегодня авторитетными исследователями в области астрофизики, космологии, общей теории относительности и фундаментальной физики. Пока невозможно сказать, верна ли эта идея; на данный момент наука этого не знает.
Всё, что мы можем сказать, — это то, что есть причины продолжать её исследовать. И, надеюсь, однажды мы поймём Вселенную достаточно хорошо, благодаря сочетанию теории, эксперимента и наблюдений, чтобы выяснить, связана ли внутренность чёрной дыры со Вселенной, в которой мы живём, и если да, то каким образом.
Читайте также: Что случится, если крошечная черная дыра пролетит сквозь вас?
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.