Млечный Путь, 21 век, No 2(47), 2024 - Наталья Владимировна Резанова
Что ж, пространство-время внутри и снаружи горизонтов событий черной дыры ведет себя очень похоже именно на эту ситуацию. Если вы рассматриваете черную дыру, которая определяется только точечной массой, то есть черную дыру Шварцшильда, то для любого значения массы/энергии, которое имеет черная дыра, мы также можем определить определенный радиус (мы называем его "R") для горизонта событий черной дыры.
Вы можете задавать всевозможные вопросы о том, "как ведет себя пространство" на любом расстоянии от этой черной дыры, и вместо этого мы можем назвать это расстояние "r". Есть три случая:
r > R, что ставит нас за горизонт событий.
r = R, что помещает нас на горизонт событий.
И r < R, что помещает нас внутри горизонта событий.
Иллюстрация сильно искривленного пространства-времени для точечной массы, что соответствует физическому сценарию нахождения за горизонтом событий черной дыры.
Теперь самое сложное: перевернуть пространство. Все, что нам нужно сделать, это заменить r, где бы мы его ни видели, на его инверсию относительно горизонта событий: величину ℛ, которую мы можем определить как ℛ = R²/r. Удивительно, но сейчас мы имеем те же три случая, но все наоборот!
ℛ > R, что помещает нас внутрь горизонта событий,
ℛ = R, что помещает нас на горизонт событий, и
ℛ < R, что ставит нас за горизонт событий.
Несмотря на то, что сейчас это противоположный набор условий для черной дыры, уравнения, описывающие пространство и время, идентичны для обоих случаев. Единственная разница в том, что то, что было снаружи, теперь внутри, а то, что было внутри, теперь снаружи. Вместо черной дыры этот "перевернутый" объект теперь можно рассматривать как белую дыру.
Когда наблюдатель входит в невращающуюся черную дыру, выхода нет: его раздавливает центральная сингулярность. Однако во вращающейся черной дыре (Керра) возможно прохождение через центр диска, ограниченного предполагаемой кольцевой сингулярностью, и хотя это может привести вас в расширенную часть пространства, известную как антивселенная, может случиться так, что "кольцевая сингулярность" - всего лишь фантазм.
Один из вопросов, которым часто задаются физики, заключается в следующем: когда что-то переходит на другую сторону (то есть внутрь) горизонта событий черной дыры, куда оно направляется? Конечно, вы можете просто заявить: "Она попадает в центральную сингулярность черной дыры", но это неудовлетворительный ответ, особенно потому, что мы знаем, что законы физики нарушаются в этой сингулярности. Одна из возможностей, которую часто рассматривают, заключается в том, что сингулярность может быть не просто точкой, куда вещи "переходят" после попадания в горизонт событий, но также может быть и точкой, из которой вещи "появляются".
Вместо того, чтобы быть "концом" истории, это могло бы стать "началом" новой, другой истории. Другими словами, вполне вероятно, что произойдут события, соответствующие появлению большого количества материи и энергии в определенном месте и времени, которые также будут соответствовать сингулярности. В нашей Вселенной могут быть не только черные дыры, но также и белые дыры: места, где все, кажется, начинается с изначальной сингулярности. Физики не упускают из виду, что во многих отношениях это соответствует замечательному событию, произошедшему 13,8 миллиардов лет назад: горячему Большому взрыву.
Иллюстрация нашей космической истории от Большого взрыва до наших дней в контексте расширяющейся Вселенной. Мы не можем быть уверены, несмотря на утверждения многих, что Вселенная возникла из сингулярности. Однако возможно, подобно тому, как черные дыры "заканчиваются" в сингулярности, наша Вселенная и ее инфляционное состояние, породившее горячий Большой взрыв, возникли из сингулярности.
Это открывает удивительную возможность существования связи между черными дырами и возникновением новой Вселенной. Каждый раз, когда наша Вселенная образует новую черную дыру, возникает ли где-то по другую сторону сингулярности детская Вселенная, аналогичная белой дыре? Означает ли это также, что наша Вселенная и наш собственный горячий Большой Взрыв возникли из состояния, мало чем отличающегося от состояния белой дыры, и было ли это, возможно, вызвано тем, что предыдущая Вселенная сформировала черную дыру, последствием которой было наше появление?
Есть забавный расчет, который можно выполнить, приложив лишь небольшие усилия. Если бы вы сложили всю материю и излучение наблюдаемой Вселенной - все атомы, все черные дыры, всю темную материю, все фотоны и все нейтрино - вы бы получили 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 найти эквивалент массы для всех вещей, обладающих энергией.) И если бы вы затем представили, что вся эта масса пошла на создание черной дыры, то могли бы вычислить ожидаемый радиус черной дыры с горизонтом событий и с массой, эквивалентной тому, что находится внутри нашей наблюдаемой Вселенной.
Во время космологической инфляции пространство, содержащееся в инфляционной области, растет экспоненциально, удваиваясь во всех трех измерениях с каждой крошечной проходящей долей секунды. Там, где заканчивается инфляция, наступает горячий Большой взрыв. Но из-за квантовых эффектов каждая область, где происходит Большой Взрыв, будет окружена все более раздувающимся, экспоненциально расширяющимся пространством, гарантируя, что никакие две области, где произойдет горячий Большой Взрыв, никогда не столкнутся, не пересекутся или не перекроются.
Ответ, который вы получите на вопрос "Насколько велик будет горизонт событий черной дыры с массой, эквивалентной всей материи и излучения в наблюдаемой Вселенной?" около 16,5 миллиардов световых лет. Это около трети фактического радиуса края наблюдаемой Вселенной: 46,1 миллиарда световых лет. Фактически, если бы не присутствие темной энергии - если бы у нас было больше нормальной материи, темной материи, нейтрино или фотонов вместо темной энергии - эти два значения фактически равнялись бы друг другу. Несмотря на то, что мы не наблюдаем никаких доказательств существования белых дыр в нашей Вселенной, тот факт, что у нас был Большой Взрыв, и тот факт, что у нас есть черные дыры в нашей Вселенной, вполне согласуется с идеей о том, что в нашей Вселенной существует "белая дыра". другой конец каждой черной дыры, которая когда-либо была создана. На самом деле, если очень глубоко заглянуть в дебри, если вы спросите, что происходит, когда вы падаете за внешний горизонт событий вращающейся черной дыры, то
