И рождают ли наши черные дыры дочерние вселенные?
Когда дело доходит до нашего понимания Вселенной, XX век был полон сюрпризов. Чуть более 100 лет назад мы думали, что галактика Млечный Путь является домом для всего, что мы можем видеть в небе. Мы думали, что Вселенная статична, неизменна и, возможно, вечна, управляемая законом всемирного тяготения Ньютона.
Все это резко изменилось за несколько коротких лет. Общая теория относительности Эйнштейна заменила тяготение Ньютона, показав нам взаимосвязь между материей, энергией и тканью пространства-времени. Согласно ее уравнениям, Вселенная не может быть статичной, она должна меняться со временем: факт, подтвержденный открытием расширяющейся Вселенной. Его теория также предсказывала существование черных дыр, которые позже были обнаружены и даже получены их изображения.
Это привело к дикой (но все же умозрительной) идее: возможно, наша Вселенная возникла из черной дыры. Вот что делает эту идею такой убедительной.
Как внутри, так и за пределами горизонта событий Шварцшильда черной дыры пространство течет как движущаяся дорожка или водопад, в зависимости от того, как вы хотите его визуализировать. На горизонте событий, даже если вы бежите (или плывете) со скоростью света, вы не сможете преодолеть поток пространства-времени, который втягивает вас в сингулярность в центре. Однако за пределами горизонта событий другие силы (например, электромагнетизм) часто могут преодолевать силу тяжести, вызывая улетучивание даже падающей материи. (ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSITY OF COLORADO)
Определяющей чертой черной дыры является наличие горизонта событий: границы, которая показывает совершенно другую историю для объекта за ее пределами, чем для объекта внутри нее. За пределами горизонта событий черной дыры любой объект будет испытывать ее гравитационные эффекты, поскольку пространство будет искривлено присутствием черной дыры, но он все равно сможет ускользнуть. Если он движется достаточно быстро или достаточно быстро ускоряется в нужном направлении, он не обязательно упадет в черную дыру, но сможет вырваться из-под ее гравитационного воздействия.
Однако, как только объект переходит на другую сторону горизонта событий, он немедленно обречен на включение в центральную сингулярность черной дыры. Так как ткань пространства-времени изогнута внутри черной дыры, падающий объект достигнет сингулярности за секунды после пересечения горизонта событий, увеличивая при этом массу черной дыры. Для кого-то, кто находится за пределами горизонта событий, черная дыра кажется формирующейся, набирающей массу и со временем увеличивающейся.
Одним из наиболее важных вкладов Роджера Пенроуза в физику черных дыр является демонстрация того, как реалистичный объект в нашей Вселенной, такой как звезда (или любой сгусток материи), может образовывать горизонт событий и как вся материя, связанная с ним, неизбежно достигнет центральной сингулярности. (NOBEL MEDIA, THE NOBEL COMMITTEE FOR PHYSICS; ANNOTATIONS BY E. SIEGEL)
Но при чем тут наша Вселенная? Если бы вы взяли все известные измеримые формы материи и излучения в наблюдаемой Вселенной, вам пришлось бы сложить все следующее:
- нормальная материя, состоящая из протонов, нейтронов и электронов;
- нейтрино, призрачные фундаментальные частицы, которые редко взаимодействуют с нормальной материей;
- темная материя, которая доминирует в массе Вселенной, но до сих пор не поддавалась прямому обнаружению;
- фотоны или частицы света, которые переносят энергию от каждого электромагнитного события на протяжении всей истории Вселенной;
- и гравитационные волны, которые создаются каждый раз, когда масса движется и ускоряется через искривленную ткань пространства-времени.
На самых дальних границах того, что могут обнаружить наши инструменты, мы можем видеть до 46 миллиардов световых лет во всех направлениях. Если вы сложите всю энергию всех этих форм по всей наблюдаемой Вселенной, вы сможете получить эквивалентную «массу» Вселенной, используя самое известное соотношение Эйнштейна: E = mc².
Звезды и галактики, которые мы видим неподалеку, очень похожи на наши собственные. Но когда мы смотрим дальше, мы видим Вселенную такой, какой она была в далеком прошлом: менее структурированной, более горячей, молодой и менее развитой. Измерение Вселенной в разные эпохи помогает нам понять все различные формы материи и энергии, присутствующие в ней, включая нормальную материю, темную материю, нейтрино, фотоны, черные дыры и гравитационные волны. (NASA, ESA, AND A. FEILD (STSCI))
Затем, если хотите, вы можете задать довольно глубокий вопрос: если бы вся Вселенная была сжата в одну точку, что бы произошло? Ответ такой же, как если бы вы сжали любой достаточно большой набор массы или энергии в одну точку: это образовало бы черную дыру. Что примечательно в теории гравитации Эйнштейна, так это то, что если эта совокупность массы и/или энергии не заряжена (электрически) и не вращается (т. е. без углового момента), общее количество массы является единственным фактором, который определяет размер черной дыры: то, что астрофизики называют радиусом Шварцшильда.
Примечательно, что радиус Шварцшильда черной дыры с массой всей материи в наблюдаемой Вселенной почти точно равен наблюдаемому размеру видимой Вселенной! Это осознание само по себе кажется замечательным совпадением, поднимающим вопрос о том, может ли наша Вселенная действительно быть внутренним пространством черной дыры. Но это только начало истории; чем глубже мы погружаемся, тем интереснее становится.
Когда образуется черная дыра, масса и энергия схлопываются до сингулярности. Точно так же продолжение экстраполяции расширяющейся Вселенной назад во времени приводит к сингулярности, когда температуры, плотности и энергии достаточно высоки. Могут ли быть связаны эти два явления? (NASA / CXC / M. WEISS)
В середине 1960-х годов было сделано открытие, которое произвело революцию в нашем представлении о Вселенной: однородный всенаправленный фон низкоэнергетического излучения исходит из всех точек неба. Это излучение имело одинаковую температуру во всех направлениях, которая теперь составляет 2,725 К, что всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Излучение имело практически идеальный спектр черного тела, как если бы оно имело горячее, тепловое происхождение, и выглядело идентичным с точностью до 1 части на 30 000 независимо от того, куда вы смотрите на небе.
Это излучение, первоначально называвшееся первичным огненным шаром, а теперь известное как космический микроволновый фон, представляет собой решающее свидетельство того, что наша Вселенная расширяется и охлаждается, потому что в прошлом она была горячее и плотнее. Чем дальше назад мы экстраполируем, тем меньше, однороднее и компактнее были объекты. Возвращаясь к прошлому, эта картина горячего Большого взрыва, кажется, приближается к сингулярности, к тому же состоянию, которое наблюдается в центральных областях черных дыр: месте, где плотности, температуры и энергии настолько экстремальны, что сами законы физики нарушаются.
Когда материя коллапсирует, она неизбежно будет образовывать черную дыру. Пенроуз был первым, кто разработал физику пространства-времени, применимую ко всем наблюдателям во всех точках пространства и во все моменты времени, которая управляет такой системой, как эта. Его концепция с тех пор является золотым стандартом в общей теории относительности. (JOHAN JARNESTAD/THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES).
Когда вы смотрите на уравнения, которые управляют черной дырой, происходит нечто замечательное. Если вы начнете сразу за горизонтом событий и уйдете на бесконечное расстояние от черной дыры, вы обнаружите, что ваше расстояние (r), начинаясь с R, радиуса Шварцшильда, растет до бесконечности: ∞. С другой стороны, если вы начнете прямо внутри горизонта событий и измерите свое расстояние до центральной сингулярности, вы обнаружите, что такое же расстояние (r) вместо этого уменьшается от R, радиуса Шварцшильда, до нуля: 0.
И что в этом странного?
Нет, на самом деле это имеет большое значение по следующей причине: если вы исследуете все свойства пространства за пределами горизонта событий черной дыры, от R до ∞, и сравните их со всеми свойствами пространства внутри горизонта событий черной дыры , от R до 0, они идентичны в каждой точке. Все, что вам нужно сделать, это заменить расстояние r на его обратное значение 1/r (или, точнее, заменить все экземпляры r/R на R/r), и вы обнаружите, что внутренность черной дыры математически идентична внешнему пространству за пределами черной дыры.
Иллюстрация сильно искривленного пространства-времени для точечной массы, которая соответствует физическому сценарию нахождения за пределами горизонта событий черной дыры. Интересно, что математическая структура внутренней части черной дыры эквивалентна математической структуре пространства, внешнего по отношению к горизонту событий. (PIXABAY USER JOHNSONMARTIN)
По мере того, как наше понимание Вселенной улучшалось и уточнялось за последние несколько десятилетий, два новых открытия потрясли основы космологии. Первой была космическая инфляция: вместо того, чтобы возникнуть из сингулярности, теперь кажется, что Вселенная была создана в быстром, неуклонном состоянии постоянного экспоненциального расширения, которое предшествовало горячему Большому взрыву. Как будто существует какое-то поле, которое обеспечивает энергию, присущую самому космосу, заставляя Вселенную раздуваться, и только когда инфляция закончилась, начался горячий Большой взрыв.
Второй - темная энергия: по мере того, как Вселенная расширяется и становится менее плотной, далекие галактики начинают удаляться от нас с ускоряющейся скоростью. И снова, хотя и с гораздо меньшей величиной, Вселенная ведет себя так, как будто есть какая-то энергия, присущая самому пространству, отказываясь снижать свою плотность даже при продолжении расширения пространства. Люди предполагали, что существует связь между инфляцией и темной энергией.
На самых ранних стадиях развития Вселенной установился инфляционный период, который привел к горячему Большому взрыву. Сегодня, миллиарды лет спустя, темная энергия вызывает ускорение расширения Вселенной. Эти два явления имеют много общего и могут даже быть связаны, возможно, через динамику черных дыр. (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, AND L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))
Что это за связь? И снова ответом могут быть черные дыры. Они набирают массу по мере того, как в них попадает материя, и распадаются, теряя массу, под действием излучения Хокинга. При изменении размера горизонта событий возможно ли, чтобы это изменило «энергию», присущую ткани пространства для наблюдателя, находящегося внутри горизонта событий? Возможно ли, что то, что мы воспринимаем как космическую инфляцию, знаменует создание нашей Вселенной из сверхмассивной черной дыры? Возможно ли, что темная энергия также каким-то образом связана с черными дырами?
И означает ли это, что, поскольку астрофизические черные дыры сформировались в нашей Вселенной, каждая из них порождает свою собственную «маленькую Вселенную» где-то внутри нее? Эти предположения существуют уже много десятилетий, но без окончательного или доказуемого заключения. Тем не менее, существует множество моделей и идей, и эта линия мысли продолжает привлекать многих, кто исследует черные дыры, термодинамику и энтропию, общую теорию относительности, а также начало и конец Вселенной.
В течение примерно 10 лет Роджер Пенроуз выдвигал крайне сомнительные утверждения о том, что Вселенная демонстрирует свидетельства множества особенностей, которые соответствуют тому, что наша Вселенная сталкивается с тем, что произошло до Большого взрыва, и подвергается "ушибам". Эти свидетельства не являются надежными и достаточными для поддержки утверждений Пенроуза. (V.G. GURZADYAN AND R. PENROSE, ARXIV:1302.5162)
К сожалению, каждая выдвинутая физическая модель - по крайней мере, до сих пор, не смогла дать уникальных прогнозов, которые могут делать следующие три вещи:
- Воспроизвести все успехи, подобные уже наблюдаемым явлениям, которые уже успешно объяснил инфляционный горячий Большой взрыв.
- Объяснять наблюдаемые явления, которые преобладающая теория не может объяснить.
- Сделать новые прогнозы, которые отличаются от тех, которые предсказывает текущая ведущая модель, и которые затем мы сможем проверить.
Возможно, самой известной попыткой этого является конформная циклическая космология Роджера Пенроуза (CCC), которая действительно дает уникальное предсказание, отличное от стандартной космологической модели: существование точек Хокинга или кругов с необычно низкой температурой на космическом микроволновом фоне. К сожалению, эти особенности не отражаются четко в данных, отодвигая идею о том, что наша Вселенная возникла из черной дыры, и идею о том, что черные дыры порождают дочерние вселенные, и возвращая ее к чисто умозрительной.
С внешней стороны черной дыры вся падающая материя будет излучать свет и всегда будет видна, в то время как ничто из-за горизонта событий не может выйти наружу. Но если бы вы были тем, кто упал в черную дыру, ваша энергия могла бы возродиться снова как часть горячего Большого взрыва в новорожденной Вселенной. (ANDREW HAMILTON, JILA, UNIVERSITY OF COLORADO)
В идее о том, что между черными дырами и рождением вселенных есть связь, есть много чего, как с физической, так и с математической точек зрения. Вполне вероятно, что существует связь между рождением нашей Вселенной и созданием чрезвычайно массивной черной дыры из Вселенной, существовавшей до нашей; вполне вероятно, что каждая черная дыра, созданная в нашей Вселенной, дала начало новой Вселенной внутри нее.
К сожалению, не хватает ключевого шага: уникально идентифицируемой подписи, которая могла бы сказать нам, так ли это на самом деле. Это один из самых сложных шагов для любого физика-теоретика: определить отпечаток новой идеи в нашей наблюдаемой Вселенной, отделив эту новую идею от наших старых, преобладающих идей. Пока мы не сделаем этот шаг, работа над этими идеями, скорее всего, будет продолжаться, но они останутся только спекулятивными гипотезами. Мы не знаем, родилась ли наша Вселенная в результате образования черной дыры, но на данный момент было бы глупо исключать такую возможность.
Комментариев нет:
Отправить комментарий