Наша Вселенная может существовать внутри черной дыры. Это может показаться странным, но на самом деле это может быть лучшим объяснением того, как возникла Вселенная и что мы наблюдаем сегодня. Эта теория была исследована в течение последних нескольких десятилетий небольшой группой физиков.
Несмотря на свой успех, есть заметные нерешенные вопросы со стандартной теорией Большого Взрыва, которая предполагает, что Вселенная началась как кажущаяся невозможной "сингулярность", бесконечно малая точка, содержащая бесконечно высокую концентрацию материи, расширяющуюся в размерах до того, что мы наблюдаем сегодня. Теория инфляции, сверхбыстрого расширения пространства, предложенная в последние десятилетия, заполняет многие важные детали, например, почему небольшие комки в концентрации вещества в ранней Вселенной слились в большие небесные тела, такие как галактики и скопления галактик.
Но эти теории оставляют нерешенными главные вопросы. Например: с чего начался Большой взрыв? Что привело к прекращению инфляции? Что является источником таинственной темной энергии, которая, по-видимому, заставляет Вселенную ускорять свое расширение?
Идея о том, что наша вселенная целиком заключена в черную дыру, дает ответы на эти и многие другие вопросы. Она устраняет понятие физически невозможных сингулярностей в нашей Вселенной. И он опирается на две центральные теории в физике.
Первая - это общая теория относительности, современная теория гравитации. Она описывает Вселенную в самых больших масштабах. Любое событие во Вселенной происходит как точка в пространстве и времени, или пространстве-времени. Массивный объект, такой как Солнце, искажает или "искривляет" пространство-время, подобно шару для боулинга, лежащему на холсте. Гравитационная вмятина Солнца изменяет движение Земли и других планет, вращающихся вокруг нее. Притяжение солнцем планет представляется нам как сила тяготения. Вторая - это квантовая механика, которая описывает Вселенную в мельчайших масштабах, например на уровне атома. Однако квантовая механика и общая теория относительности в настоящее время являются отдельными теориями; физики стремятся успешно объединить их в единую теорию "квантовой гравитации", чтобы адекватно описать важные явления, включая поведение субатомных частиц в черных дырах.
Адаптация общей теории относительности 1960-х годов, получившая название теории гравитации Эйнштейна-Картана-Шьямы-Киббла, учитывает эффекты квантовой механики. Она не только обеспечивает шаг к квантовой гравитации, но и приводит к альтернативной картине Вселенной. Эта вариация общей теории относительности включает в себя важное квантовое свойство, известное как спин. Частицы, такие как атомы и электроны, обладают спином, или внутренним угловым моментом, который аналогичен вращению конькобежца на льду.
На этой картине спины частиц взаимодействуют с пространством-временем и наделяют его свойством, называемым "кручением"."Чтобы понять кручение, представьте себе пространство-время не как двумерный холст, а как гибкий одномерный стержень. Изгиб стержня соответствует искривлению пространства-времени, а скручивание стержня соответствует кручению пространства-времени. Если стержень тонкий, его можно согнуть, но трудно понять, скручен он или нет.
Кручение пространства-времени было бы значительным, не говоря уже о заметном, только в ранней Вселенной или в черных дырах. В этих экстремальных условиях пространственно-временное кручение проявило бы себя как отталкивающая сила, противостоящая притягательной гравитационной силе, исходящей от искривления пространства-времени. Как и в стандартной версии Общей Теории Относительности, очень массивные звезды в конечном итоге коллапсируют в черные дыры: области пространства, из которых ничто, даже свет, не может вырваться.
Вот как кручение будет играть в начальные моменты нашей Вселенной. Первоначально гравитационное притяжение из искривленного пространства должно было преодолеть силы отталкивания кручения, служащие для коллапса материи в меньшие области пространства. Но в конечном счете кручение станет очень сильным и не позволит материи сжаться в точку с бесконечной плотностью; материя достигнет состояния чрезвычайно большой, но конечной плотности. Поскольку энергия может быть преобразована в массу, чрезвычайно высокая гравитационная энергия в этом чрезвычайно плотном состоянии вызовет интенсивное производство частиц, что значительно увеличит массу внутри черной дыры.
Увеличение числа частиц со спином привело бы к более высоким уровням кручения пространства-времени. Отталкивающее кручение остановило бы коллапс и создало бы "большой отскок", как сжатый пляжный мяч, который щелкает наружу. Быстрая отдача после такого большого скачка может быть тем, что привело к расширению нашей Вселенной. Результат этой отдачи совпадает с наблюдениями формы, геометрии и распределения массы Вселенной.
В свою очередь, механизм кручения предполагает удивительный сценарий: каждая черная дыра породит внутри себя новую, детскую вселенную. Если это так, то первая материя в нашей Вселенной появилась откуда-то еще. Таким образом, наша собственная вселенная может быть внутренностью черной дыры, существующей в другой вселенной. Точно так же, как мы не можем видеть, что происходит внутри черных дыр в космосе, ни один наблюдатель в родительской Вселенной не мог видеть, что происходит в нашей.
Движение материи через границу черной дыры, называемое "горизонтом событий", будет происходить только в одном направлении, обеспечивая направление времени, которое мы воспринимаем как движение вперед. Таким образом, стрела времени в нашей Вселенной будет унаследована через кручение от родительской Вселенной.
Кручение также может объяснить наблюдаемый дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной. Из-за кручения материя распадалась бы на знакомые электроны и кварки, а антиматерия распадалась бы на "темную материю", таинственную невидимую форму материи, которая, по-видимому, составляет большинство материи во Вселенной.
Наконец, торсия может быть источником "темной энергии", таинственной формы энергии, которая пронизывает все пространство и увеличивает скорость расширения Вселенной. Геометрия с кручением естественно производит "космологическую постоянную", своего рода добавленную внешнюю силу, которая является самым простым способом объяснить темную энергию. Таким образом, наблюдаемое ускоряющееся расширение Вселенной может оказаться самым сильным доказательством кручения.
Поэтому кручение обеспечивает теоретическую основу для сценария, в котором внутренняя часть каждой черной дыры становится новой вселенной. Она также является средством решения нескольких основных проблем современной теории гравитации и космологии. Физикам все еще необходимо полностью объединить теорию Эйнштейна-Картана-Шьямы-Киббла с квантовой механикой в квантовую теорию гравитации. Решая некоторые важные вопросы, она поднимает и свои собственные новые. Например, что мы знаем о родительской Вселенной и черной дыре, внутри которой находится наша собственная Вселенная? Сколько слоев родительских Вселенных у нас будет? Как мы можем проверить, что наша Вселенная живет в черной дыре?
Последний вопрос потенциально может быть исследован: поскольку все звезды и, следовательно, черные дыры вращаются, наша Вселенная унаследовала бы ось вращения родительской черной дыры как "предпочтительное направление"."Недавно были получены некоторые данные из исследований более чем 15 000 галактик, свидетельствующие о том, что в одном полушарии Вселенной больше спиральных галактик являются "левыми", или вращающимися по часовой стрелке, в то время как в другом полушарии больше "правых", или вращающихся против часовой стрелки. В любом случае, считается, что включение кручения в геометрию пространства-времени является правильным шагом на пути к успешной теории космологии.
