Что такое «белые дыры» и существуют ли они на самом деле?
Законы физики говорят нам обо всех возможных явлениях и сущностях, которые в принципе могут появиться в нашей Вселенной —, но только наблюдая, измеряя и экспериментируя с реальной Вселенной, мы можем определить, что может появиться на самом деле. Одним из самых первых следствий общей теории относительности Эйнштейна стала чёрная дыра: область пространства с таким количеством материи и энергии, собранных в одном месте, что из этого объёма ничто, даже свет, никогда не сможет выйти. Но у этого явления математически есть и противоположная сторона, обратная чёрной дыре: белая дыра, из которой материя и энергия будут спонтанно выходить.
Чёрные дыры, как показали многочисленные наблюдения, не только физически реальны, но и весьма многочисленны во Вселенной. А как насчёт белых дыр? Что это такое, и существуют ли они физически? В конце концов, это одно из самых захватывающих и необычных явлений, допустимых физикой. Давайте посмотрим на то, что мы знаем по этому поводу.
Идея белых дыр обретает гораздо больше смысла, если начать с её более знакомого антипода — чёрной дыры. Впервые эту идею высказал в 18 веке Джон Мичелл — священник из деревни Торнхилл, видный английский естествоиспытатель и геолог. Он назвал эти объекты «тёмными звёздами», и понял, что у них, как и у всех остальных масс во Вселенной, есть своя «скорость убегания» от поверхности — т. е. такая скорость, которой нужно достичь, чтобы полностью избавиться от гравитационного притяжения тела. И если собрать достаточно много массы в достаточно малом объёме, то эта скорость убегания достигнет или превысит скорость света. Поскольку ничто не может двигаться быстрее этой скорости, такие объекты будут только поглощать свет и материю, но никогда не будут излучать их в пределах определённой области в пространстве, которую теперь называют горизонтом событий.
Первоначальная идея была выдвинута в контексте ньютоновской гравитации, но в 1915 году была опубликована общая теория относительности Эйнштейна, вытеснившая ньютоновскую теорию и заменившая её более общим законом гравитации. Тем не менее, чёрные дыры никуда не делись: ещё в 1916 году было показано, что они возникают при решении уравнений в рамках теории Эйнштейна. Также были открыты версии чёрных дыр с электрическими зарядами и угловым моментом (т. е. вращением). И снова, при наличии достаточной массы в определённой области пространства появление чёрной дыры становилось практически неизбежным.
Одна из интересных вещей, которая должна произойти внутри горизонта событий чёрной дыры, согласно законам относительности, — это образование сингулярности. Сингулярность, которую иногда в шутку называют местом, где «Бог делится на ноль» — это место, где законы физики разрушаются. В случае чёрной дыры, это место, где правила, описывающие пространство и время, больше не применимы. Как будто в этом месте вы получаете только бессмыслицу в качестве ответа на любой физический вопрос, который вы можете задать системе.
Независимо от того, какая конфигурация исходной материи и энергии была у вас до образования чёрной дыры, как только эта материя схлопнется и образует горизонт событий, появления сингулярности не избежать. Если у вашей чёрной дыры есть только масса, то сингулярность будет точкой, окружённой сферическим горизонтом событий. Если ваша чёрная дыра также обладает угловым моментом (т. е. если она вращается), то сингулярность размазывается в одномерное кольцо: и всё равно законы физики нарушаются повсюду вдоль этого кольца, снова давая бессмысленные ответы на любые вопросы, связанные со временем или пространством.
Однако, несмотря на то, что сами чёрные дыры не излучают свет, их воздействие на материю — от бинарных звёзд-компаньонов, падающего газа и вещества до фотонов, которые изгибаются и искажаются под действием гравитации чёрной дыры — выдавало их присутствие на протяжении многих десятилетий. Кульминацией наблюдений стало полученное несколько лет назад прямое изображение света, изгибающегося вокруг самого горизонта событий чёрной дыры.
Сравнение размеров двух чёрных дыр, полученных с помощью телескопа Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration: M87*, в центре галактики Messier 87, и Sagittarius A* (Sgr A*), в центре Млечного Пути
Хотя чёрную дыру Мессье 87 легче изобразить из-за медленного изменения времени, чёрная дыра в центре Млечного Пути является самой большой, если смотреть с Земли.
Итак, если с чёрной дырой всё (или многое) понятно, то что тогда такое белая дыра?
Есть два способа рассуждать на эту тему. Можно просто признать, что общая теория относительности — это теория, симметричная по времени: если вы наблюдаете систему из материи и энергии, движущихся сквозь ткань пространства во времени, вы не можете сказать, идут ли часы вперёд или назад. Предсказания общей теории относительности симметричны по времени, что означает, что объекты движутся, ускоряются и взаимодействуют по одним и тем же законам в обоих случаях.
Ситуации могут быть весьма причудливыми. Две чёрные дыры, вращающиеся по орбите вокруг общего центра масс и излучающие гравитационные волны, подчиняются тем же физическим правилам, что и две чёрные дыры, которые вращаются друг вокруг друга и поглощают гравитационные волны из окружающей среды, отдаляясь друг от друга со временем всё дальше и дальше. Облако сжимающейся материи, которое распадается на сгустки, которые в конечном итоге образуют звёзды, подчиняется тем же правилам, что и ряд расширяющихся сгустков материи, которые удаляются от своих исходных точек и рассеиваются в большое рассеянное облако.
А материя, которая коллапсирует, образуя горизонт событий, а затем сингулярность, т. е. чёрную дыру, подчиняется точно таким же правилам, как и сингулярность, из которой возникают материя и энергия, а также пространство и время. Рассмотрение случая обращённой во времени чёрной дыры — это один из способов представить себе белую дыру.
Другой способ описать белую дыру, вместо оборота стрелы времени вспять — подумать о том, что произойдёт, если обратить вспять пространство. Аналогом этой странной идеи в реальном мире будет сферическая зеркальная сфера. В идеальном сферическом зеркале, размещённом в пространстве, теоретически можно увидеть отражение всей окружающей Вселенной.
Пространство внутри и снаружи горизонтов событий чёрной дыры ведёт себя очень похожим образом. Если мы рассмотрим чёрную дыру, которая определяется только точечной массой — т. е. чёрную дыру Шварцшильда — то для любого значения массы/энергии чёрной дыры мы можем подсчитать радиус R горизонта событий чёрной дыры.
Допустим, мы будем задавать вопросы о том, «как ведёт себя пространство» на любом расстоянии от центра чёрной дыры — назовём это расстояние «r». У нас будет три случая:
- r > R, когда мы находимся вне горизонта событий;
- r = R, когда мы находимся на горизонте событий;
- r < R, когда мы находимся внутри горизонта событий.
Теперь предпримем кое-что посложнее: изменим направление пространства. Всё, что нам нужно сделать, это заменить везде r на его обратную величину (относительно горизонта событий): ℛ. Её можно определить как ℛ = R2/r.
У нас получатся те же три случая, только обратные:
- ℛ > R, когда мы находимся внутри горизонта событий;
- ℛ = R, когда мы находимся на горизонте событий;
- ℛ < R, когда мы находимся вне горизонта событий.
Несмотря на то, что теперь это противоположный набор условий для чёрной дыры, уравнения, описывающие пространство и время, идентичны для обоих случаев.
Это означает, что если мы представим, что чёрная дыра вывернута наизнанку — так, что каждая точка изнутри горизонта событий чёрной дыры (включая её сингулярность при r = 0) теперь соответствует точке вне горизонта событий чёрной дыры (где сингулярность теперь появляется везде при r = ∞), и наоборот — мы получим идентичное поведение уравнений. Разница лишь в том, что то, что было снаружи, теперь внутри, а то, что было внутри, теперь снаружи. Всё просто поменялось местами. Вместо чёрной дыры этот «вывернутый» объект теперь можно обозначить как белую дыру.
Один из вопросов, который часто интересует физиков: когда что-то переходит на другую сторону (т. е. внутрь) горизонта событий чёрной дыры, куда оно попадает? Конечно, можно просто заявить: «Оно попадает в центральную сингулярность чёрной дыры», но этот ответ нам ничего не говорит, особенно потому, что мы знаем, что в этой точке сингулярности законы физики нарушаются.
Одна из возможностей, которая часто рассматривается, заключается в том, что сингулярность может быть не только точкой, куда всё просто «попадает» после падения в горизонт событий, но и точкой, откуда всё «выходит». Вместо того, чтобы быть просто «концом истории» для материи, она может быть «началом» новой, другой истории.
Другими словами, вполне правдоподобно, что будут происходить события, соответствующие появлению большого количества материи и энергии в определённом месте в определённое время — и эта точка пространства-времени тоже будет сингулярностью. В нашей Вселенной могут существовать не только чёрные, но и белые дыры: места, где всё начинается с начальной сингулярности. Физики считают, что во многом это очень напоминает удивительное событие, произошедшее 13,8 миллиарда лет назад: горячий Большой взрыв.
Это наводит на мысль, что между чёрными дырами и возникновением новой Вселенной есть связь. Каждый раз, когда в нашей Вселенной образуется новая чёрная дыра, не возникает ли где-то по другую сторону сингулярности новорождённая Вселенная, что аналогично белой дыре?
Означает ли это, что наша Вселенная и наш собственный горячий Большой взрыв возникли из состояния, не сильно отличающегося от состояния белой дыры, и, возможно, всё это случилось благодаря существованию предыдущей Вселенной, сформировавшей чёрную дыру, следствием чего и стало наше появление?
Есть забавный и довольно несложный расчёт, который наводит на мысль о том, что эту идею можно рассматривать всерьёз. Если сложить всю материю и излучение в пределах наблюдаемой Вселенной — все атомы, все чёрные дыры, всю тёмную материю, все фотоны и все нейтрино, — то получится значение эффективной «массы» наблюдаемой Вселенной. (В конце концов, если самое известное уравнение Эйнштейна говорит нам, что E = mc², то верно и то, что m = E/c², поэтому мы можем придумать эквивалентное значение массы для всего, что обладает энергией). Если представить, что вся эта масса ушла на создание чёрной дыры, то можно рассчитать ожидаемый радиус чёрной дыры с горизонтом событий с массой, эквивалентной той, что находится внутри нашей наблюдаемой Вселенной.
И ответ на вопрос «насколько большим будет радиус горизонта событий чёрной дыры с массой, эквивалентной всей материи и излучению в пределах наблюдаемой Вселенной?» даёт весьма примечательное число: около 16,5 миллиарда световых лет. Это примерно треть фактического радиуса до края наблюдаемой нами Вселенной: 46,1 миллиарда световых лет. На самом деле, если бы не присутствие тёмной энергии — если бы вместо тёмной энергии у нас было больше нормальной материи, тёмной материи, нейтрино или фотонов — эти два значения были бы равны друг другу.
Даже если мы не наблюдаем никаких доказательств существования белых дыр в нашей Вселенной, тот факт, что у нас был Большой взрыв, и тот факт, что в нашей Вселенной есть чёрные дыры, вполне согласуется с идеей, что на другом конце каждой чёрной дыры, которая когда-либо была создана, может быть «белая дыра».
На самом деле, если заглянуть совсем глубоко, и спросить, что происходит, когда вы падаете за горизонт событий вращающейся чёрной дыры, то окажется, что то, что вы испытываете, очень похоже на то, что, по нашему мнению, испытывала наша Вселенная непосредственно перед началом горячего Большого взрыва: период экспоненциального расширения. Сегодня мы называем это явление космической инфляцией.
Но существуют ли белые дыры на самом деле? В реальности мы ещё никогда не видели таких дыр и не ожидаем, что когда-нибудь найдём их в нашей Вселенной. Горизонты событий, к сожалению, очень хорошо «скрывают» всё, что происходит по другую сторону от них. Возможно, в центральных точках внутри каждой чёрной дыры в нашей Вселенной есть что-то очень интересное, но мы, вероятно, никогда не сможем получить к ним доступ. Возможно, какой-то очень интересный процесс породил и нашу Вселенную перед началом космической инфляции, вследствие которой произошёл и горячий Большой взрыв —, но у нас нет возможности получить какую-либо информацию о том времени.
Как бы нам ни была неприятна горькая правда, но количество информации во Вселенной ограничено, и поэтому мы не можем восстановить, что происходит (или что происходило) «по ту сторону» этих событий. Стоит помнить, что общая теория относительности допускает белые дыры как равную возможность с чёрными дырами, но в нашей Вселенной были найдены только явные доказательства существования чёрных дыр. В то время как математика может рассказать вам обо всех возможностях того, что теоретически может произойти, только наблюдения, измерения и эксперименты могут рассказать вам о том, что действительно происходит во Вселенной. Белые дыры остаются интригующей возможностью, но их существование на данный момент можно назвать в лучшем случае умозрительной идеей.
Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх
