Млечный Путь, 21 век, No 2(47), 2024 - Наталья Владимировна Резанова
Черные дыры встречаются часто. Но где же белые дыры? В общей теории относительности белые дыры столь же математически правдоподобны, как и черные. Черные дыры реальны; а как насчет белых дыр?
В нашей Вселенной законы физики говорят нам обо всех возможностях того, что предположительно может существовать, но только путем фактического наблюдения, измерения и экспериментирования с самой нашей Вселенной мы можем определить, что действительно реально. В общей теории относительности Эйнштейна одной из самых первых когда-либо открытых возможностей была черная дыра: область пространства с таким большим количеством материи и энергии, что внутри этого объема ничто, даже свет, не может когда-либо осуществить побег.
Обратной стороной этого является столь же возможное математическое решение, противоположное черной дыре: белая дыра, из которой спонтанно возникают материя и энергия. С помощью множества различных типов наблюдений было продемонстрировано, что черные дыры не только физически реальны, но и широко распространены по всей Вселенной.
А как насчет белых дыр? Что они собой представляют, и реальны ли они физически?
Давайте внимательно посмотрим на все, что мы знаем. Когда материя коллапсирует, она неизбежно может образовать черную дыру. Роджер Пенроуз был первым, кто разработал физику пространства-времени, применимую ко всем наблюдателям во всех точках пространства и во все моменты времени. С тех пор его концепция стала золотым стандартом в общей теории относительности. Однако, хотя это вполне применимо к невращающимся черным дырам, в рассуждениях для реалистичных вращающихся черных дыр, может быть изъян.
Идея белых дыр обретет гораздо больше смысла, если начать с ее гораздо более знакомого аналога: черной дыры. Впервые придуманная в 18 веке Джоном Митчеллом, который называл их "темными звездами", черная дыра, точно так же, как все массы во Вселенной, имеет "скорость убегания", то есть существует определенная скорость, которую необходимо достичь, чтобы полностью освободиться от гравитационного притяжения. Если в достаточно маленьком объеме собрано достаточно массы, то 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 с определенного расстояния: своего горизонта событий.
Первоначальная идея была выдвинута в контексте ньютоновской гравитации, но в 1915 году была создана Общая теория относительности Эйнштейна, заменившая теорию Ньютона более всеобъемлющим законом гравитации. Тем не менее, черные дыры существовали: их возникновение в рамках теории Эйнштейна было показано еще в 1916 году, а также были открыты версии черных дыр с электрическими зарядами и угловым моментом (то есть спином), а также массой. Опять же, при наличии достаточной массы в одной области пространства создание черной дыры было бы практически неизбежным.
Согласно законам относительности, одна из удивительных вещей, которая должна произойти внутри горизонта событий черной дыры, - это образование сингулярности. Сингулярность, которую иногда в шутку называют местом, где "Бог делится на ноль", - это место, где законы физики нарушаются. В случае с черной дырой правила, описывающие пространство и время, больше не применимы; как будто в этом месте вы не получаете ничего, кроме чепухи, в ответ на любой физический вопрос, который вы можете задать системе.
Независимо от того, какая конфигурация исходной материи и энергии была у вас до образования черной дыры, однажды этот материал коллапсирует и образует Еву. На горизонте невозможно избежать создания сингулярности. Если у вашей черной дыры есть только масса, эта сингулярность будет точкой, окруженной сферическим горизонтом событий. Если ваша черная дыра имеет угловой момент (т. е. если она вращается), то сингулярность размазывается в одномерное кольцо: и тем не менее законы физики повсюду на этом кольце нарушаются, снова давая бессмысленные ответы на любые вопросы. включая время или пространство.
Несмотря на то, что черные дыры сами не излучают никакого света, однако их воздействие на материю - от двойных звезд-компаньонов до падающего газа и фотонов, траектории которых искажаются гравитацией черной дыры - выявило их присутствие, что привело несколько лет назад к тому, что удалось получить прямое изображение света, огибающего горизонт событий черной дыры.
Как внутри, так и за пределами горизонта событий черной дыры Шварцшильда пространство течет либо как движущаяся дорожка, либо как водопад, в зависимости от того, как вы хотите его визуализировать. На горизонте событий, даже если бы вы бежали (или плыли) со скоростью света, не было бы преодоления потока пространства-времени, который затягивает вас в сингулярность в центре. Однако за пределами горизонта событий другие силы (например, электромагнетизм) часто могут преодолеть притяжение гравитации, заставляя даже падающую материю улетучиваться.
Итак, если это черная дыра, то что такое белая дыра? Есть два способа взглянуть на это. Один из них - просто признать, что Общая теория относительности - это симметричная во времени теория: если вы наблюдаете систему материи и энергии, движущуюся сквозь ткань пространства во времени, вы не можете сказать, идут ли часы вперед или назад. Предсказания общей теории относительности симметричны во времени, а это означает, что в обоих случаях объекты движутся, ускоряются и взаимодействуют по одним и тем же законам. Это касается даже странных случаев. Две черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга и излучающие гравитационные волны, подчиняются тем же физическим правилам, что и две черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга и поглощающие гравитационные волны из своего окружения, со временем удаляясь друг от друга все дальше и дальше. Облако сжимающейся материи, которое распадается на сгустки, которые в конечном итоге образуют звезды, подчиняется тем же правилам, что и серия расширяющихся сгустков материи, которые расходятся от своих точек происхождения и диффундируют в большое пушистое облако. И материя, которая коллапсирует, образуя горизонт событий, а затем сингулярность, то есть черную дыру, подчиняется точно тем же правилам, что и сингулярность, из которой возникают материя и энергия, а также пространство и время.
Рассмотрение случая черной дыры, обращенной во времени, - один из эффективных способов представить себе белую дыру.
Точно так же, как вся Вселенная, находящаяся за пределами сферического зеркала, будет закодирована в отражении на поверхности зеркала, возможно, что то, что происходит внутри черной дыры, кодирует внутри совершенно новую Вселенную. Возможно, это относится и к нашей Вселенной.
Другой способ подумать о белой дыре - это не повернуть вспять стрелу времени, а подумать о том, что произойдет, если рассматривать пространство как обратимое
