Куда ведут чёрные дыры?

Представьте, что вы вот-вот нырнёте в чёрную дыру. Что будет ожидать там, если вы, вопреки всему, выживете? Куда попадёте и какие удивительные истории сможете поведать, если найдёте дорогу назад?

Самый простой ответ на все эти вопросы даёт профессор Ричард Мэсси: “Это никому неизвестно”. Являясь научным сотрудником Королевского Исследовательского Общества при Институте космологических вычислений Даремского университета, Мэсси ясно осознаёт тот факт, что тайны чёрных дыр имеют очень глубокий характер. По его словам, “пройти через горизонт событий – это всё равно, что скрыться за вуалью; никто и никогда не сможет отправить какое-либо сообщение наружу. Попавший внутрь объект был бы раздавлен гравитацией чудовищной силы, так что я сильно сомневаюсь в том, что таким способом можно куда-либо попасть”.

Если такой ответ вас разочаровывает, то это не удивительно. Когда Альберт Эйнштейн разрабатывал свою общую теорию относительности, он предсказал особую связь пространства-времени с действием гравитационных сил чёрных дыр, а теперь известно и то, что эти космические аномалии появляются в результате смерти массивных звёзд, от которых остаётся лишь маленькое ядро высокой плотности.

Масса этого ядра по самым грубым расчётам превышает массу Солнца минимум в три раза, а сила гравитации достигает настолько высоких значений, что такое тело будет сжиматься в одну точку пространства (сингулярность), пока не станет ядром чёрной дыры бесконечной плотности. Таким образом, внутри чёрной дыры невозможна никакая жизнь, и даже свет не способен сопротивляться притяжению гравитационного поля. Так что, случись вам оказаться у горизонта событий (этот термин предложил немецкий астроном Карл Шварцшильд для обозначения границы чёрной дыры, после которой свет и материя могут двигаться только внутрь, но не наружу) – выхода больше нет. По словам Мэсси, приливные силы гравитационного поля превратят ваше тело в нити из атомов (этот эффект называется “спагеттификацией”), пока сингулярность не расщепит его полностью. Сама идея о том, что после такого можно куда-нибудь выскочить – включая “другую сторону” – кажется чрезвычайно фантастичной.

А как же червоточины?

Или не кажется? Многие годы учёные рассматривают вероятность того, что чёрные дыры могут являться червоточинами в другие галактики. Они могут быть даже – как некоторые предполагают – дверью в другую Вселенную.

Эта идея некоторое время витает в научных кругах: ещё в 1935 году Эйнштейн объединился с Натаном Розеном для того, чтобы вывести теорию о “мостах” между двумя разными точками пространства-времени. Новый виток обсуждений пришёлся на 1980 год, когда физик Кип Торн – один из главных мировых экспертов по общей теории относительности – поднял дискуссию о возможности физического перемещения объектов по таким “мостам”.

Мэсси признаётся: “будучи ребёнком, я вдохновился на изучение физики именно после прочтения научно-популярной книги Торна о червоточинах. Но сейчас мне не кажется, что они существуют”.

Сам Торн (который, кстати, консультировал режиссёрскую команду фильма “Интерстеллар”), пишет в своей новой книге: “сейчас мы не наблюдаем во Вселенной объекты, которые могли бы являться червоточинами”. В своём интервью для SpaceCom он заявил, что путешествия через такие гипотетические туннели скорее всего останутся научной фантастикой. Твёрдых доказательств того, что чёрные дыры могут для этого сгодиться, на данный момент нет.

Проблема в том, что мы не можем подобраться поближе и выяснить всё наверняка. Мы даже не можем сфотографировать то, что происходит внутри такого тела: так как весь свет вокруг поглощается центром дыры, то камера запечатлеет только черноту. На данный момент считается, что любой объект, пересёкший горизонт событий, просто становится частью чёрной дыры. А поскольку время искажается при приближении к этой границе, все события здесь будут происходить крайне медленно, из-за чего ответы мы получим ну очень нескоро.

“Я думаю, что попавшие в чёрную дыру объекты будут двигаться к концу времён”, – заявляет Дуглас Финкбейнер, профессор астрономии и физики Гарвардского Университета. “Наблюдающий издалека астронавт не увидит, как его коллега провалится внутрь, тот лишь будет становиться всё более красным и тусклым из-за так называемого гравитационного красного смещения. Но с позиции провалившегося, он будет падать прямо к центру, в место за гранью “вечности”. Что бы это ни значило”.

Чёрная дыра может вести к белой дыре

Определенно, если чёрная дыра ведёт в другую часть галактики или другую Вселенную, то там, на другой стороне, должен быть противоположный объект. Может быть, это белая дыра? Такую теорию выдвинул в 1964 году русский космолог Игорь Новиков. Он предположил, что чёрная дыра связана с белой, которая существует в прошлом. В отличие от чёрной, белая испускает свет и материю, но не позволяет им попасть внутрь.

Вместо уничтожения поглощённой информации, схлопнувшаяся чёрная дыра начнёт колебаться, произойдёт мощный квантовый скачок. В этом случае становится обоснованным предположение физика-теоретика Стивена Хокинга, сделанное им в 1970 году. Он говорил о вероятности того, что причиной термального излучения чёрной дыры (т.е. излучения частиц и радиации) является квантовая нестабильность.

Хокинг заявил, что чёрные дыры не могу существовать вечно. По его расчётам получается, что излучение радиации приводит к потере энергии, а затем к сжатию и смерти космического тела, а вся информация, которая к этому времени окажется поглощена исчезнет.

Это заявление вступает в противоречие с квантовой теорией, которая гласит, что информация не может быть уничтожена.

Идея Хокинга привела к “информационному парадоксу чёрной дыры” и долгое время ломала головы учёных. Некоторые считали, что Хокинг попросту не прав – Стивен и сам в 2004 году заявил о допущенной ошибке.

И что же, нам стоит вернуться к концепции чёрной дыры, которая выпускает поглощённую информацию через белую? Возможно. В 2013 году в журнале Physical Review Letters были опубликованы результаты исследования Джорджа Пуллина и Рудольфа Гамбини. Они применили петлевую квантовую гравитацию к чёрной дыре и обнаружили, что сила гравитации увеличивается до определённого момента приближения к ядру, но затем становится слабее и вышвыривает объект в другой регион Вселенной. Это исследование подтверждает идею о том, что чёрные дыры служат порталами, сингулярности внутри нет и затянутые объекты не уничтожаются. Информация не исчезает.

Может, чёрные дыры ведут в никуда?

Однако, физики Ахмед Альмхейри, Дональд Марольф, Джозеф Полчински и Джеймс Салли уверены, что Хокинг в чём-то был прав. Они разработали гипотезу огненной стены внутри чёрной дыры. По их расчётам, квантовые механизмы, вероятно, могут преобразовывать горизонт событий в гигантскую стену огня, из-за чего любой попавший туда объект мгновенно сгорит. С этой точки зрения, чёрные дыры ведут в никуда, ведь ничего не может проникнуть внутрь.

Эта теория, однако, противоречит общей теории относительности Эйнштейна, ведь, согласно ей, попавший в чёрную дыру объект не должен сталкиваться с препятствиями какого угодно рода – он лишь будет подвержен свободному падению к центру космического тела. К тому же, идея огненной стены противоречит и теории квантового поля, ведь допускает вероятность полного уничтожения информации.

Чёрная дыра неопределенности

Вернёмся к Стивену Хокингу. В 2014 году он опубликовал исследование, в котором предложил отказаться от термина “горизонт событий”. По его мнению, гравитационный коллапс приводит к образованию другого явления, которое он назвал “видимым горизонтом”.

Этот горизонт на “определённый временной период” задерживает лучи света и материю внутри, расщепляет и смешивает их, а затем выпускает обратно. Такое объяснение хорошо ложится на квантовую теорию, ведь информация сохраняется, а не уничтожается. Таким образом, любой попавший внутрь объект со временем может выбраться из чёрной дыры. Хокинг пошёл дальше и поставил под сомнение сам факт существования чёрных дыр, написав: “чёрные дыры следует переименовать в объекты метастабильной связи гравитационного поля. Вероятно, что сингулярности нет, а видимый горизонт, который будет сжиматься внутрь под действием гравитационных сил, никогда не достигнет центра объекта и будет консолидирован в плотную массу”.

В этом случае, выпущенные объекты будут иметь совершенно иную форму от той, в которой находились при поглощении. Вряд ли удастся, глядя на выпущенный объект, точно определить, чем он являлся ранее. Что, разумеется, будет не очень приятной новостью для, скажем, попавших внутрь астронавтов.

Одно известно наверняка: эта загадка будет занимать умы учёных ещё очень долгое время. Ровелли и Франческа Видотто недавно предположили, что компоненты тёмной материи могут быть сформированы из останков испарившихся чёрных дыр, а в опубликованных в 2018 году записях Хокинга “О чёрных дырах и мягких волосах” он объясняет, как частицы нулевой энергии сохраняются около точки невозврата, горизонта событий, вместо того, чтобы исчезнуть. Многие физики сейчас изучают чёрные дыры с позиции физики элементарных частиц и в этой области уже появились смелые теории. Учёные активно обсуждают эти идеи, но потребуется ещё немало времени для того, чтобы точно заявить, куда же ведут чёрные дыры. Если бы только мы могли запрыгнуть хотя бы в одну их них…

Перевод: Дмитрий Гришин (специально для ресурса UniverseTodayRu).