Вот почему наша Вселенная не схлопнулась в черную дыру

Если вы представляете Вселенную как полный набор известных нам материи и энергии, и на ранних стадиях все это было сжато в крошечную область пространства, то почему она не схлопнулась в черную дыру?

Большой взрыв — одна из самых контринтуитивных идей. Подумайте о том, чтобы взять всю материю и энергию Вселенной и начать с крошечного участка пространства, разве не кажется маловероятным, что она будет расширяться с точно нужной скоростью, чтобы дать нам Вселенную, которую мы видим сегодня? Разве не более вероятно, что она просто схлопнется под действием гравитации в самый плотный объект, который может содержать Вселенная: черную дыру? Очевидно, этого не произошло. Но понимание того, почему этого не произошло, может быть одним из самых глубоких вопросов, которые вы можете задать, чтобы помочь понять Вселенную, в которой мы обитаем.

Расширяющаяся Вселенная, полная галактик и сложной структуры, которую мы наблюдаем сегодня, возникла из меньшего, горячего, более плотного и более однородного состояния. Почему Вселенная расширилась так, как это произошло, а не схлопнулась в черную дыру, требует объяснения.

Если бы вы знали из основных принципов, каковы законы физики везде и всегда в нашей Вселенной, этого все равно было бы недостаточно, чтобы предсказать, что Вселенная, как мы ее видим, должна была бы существовать. Потому что, хотя законы физики устанавливают правила того, как система развивается со временем, они все равно требуют набора начальных условий для старта. Каким-то образом, способ, которым ткань Вселенной расширялась в самые ранние моменты, которые мы можем себе представить, уравновешивал эту тенденцию материи и энергии гравитировать и схлопываться. Чтобы увидеть, как это все работает, давайте вернемся к рождению нашей наиболее успешной теории гравитации — общей теории относительности — около 100 лет назад.

Орбиты планет и комет, среди прочих небесных объектов, регулируются законами всемирного тяготения.

До Эйнштейна закон всемирного тяготения Ньютона был принятой теорией гравитации. Все гравитационные явления во Вселенной, от ускорения масс на Земле до орбит спутников вокруг планет и самих планет, вращающихся вокруг Солнца, описывались его теорией. Объекты оказывали равные и противоположные гравитационные силы друг на друга, ускорялись обратно пропорционально их массе, и сила подчинялась закону обратных квадратов. К началу 1900-х годов она была невероятно хорошо проверена, и исключений практически не было.

Однако, одним из вызовов для ньютоновской теории была идея, выдвинутая Эйнштейном, но предварительно разработанная Лоренцем, Фицджеральдом и другими, что быстро движущиеся объекты казались сжимающимися в пространстве и растягивающимися во времени. Вдруг пространство и время уже не выглядели такими фиксированными и абсолютными.

Но для внимательных и тех, кто уделял большое внимание деталям, было пара проблем:

1. При очень высоких скоростях — то есть, при скоростях, приближающихся к скорости света — ньютоновские идеи о абсолютном пространстве и абсолютном времени больше не держались. Радиоактивные частицы жили дольше, расстояния сжимались, и "масса" уже не казалась фундаментальным источником гравитации: такую роль, похоже, занимала энергия, масса являлась лишь одной из ее форм.

2. В самых сильных гравитационных полях — по крайней мере, если это почему-то считается особенным среди планет нашей Солнечной системы на орбите вокруг Солнца — ньютоновское предсказание для гравитационного поведения объектов было немного, но заметно отличается от того, что мы наблюдаем. Это было как будто, когда вы приближаетесь очень близко к очень массивному источнику, появляется дополнительная притягивающая сила, которую ньютоновская гравитация не учитывает.

В результате этого последовали две разработки, которые проложили путь для новой теории, которая заменила блестящее, но столетнее, представление Ньютона о том, как работает Вселенная.

В ньютоновском представлении о гравитации пространство и время являются абсолютными, фиксированными величинами, в то время как в эйнштейновском представлении пространство-время — это единая, объединённая структура, в которой три измерения пространства и одно измерение времени неотделимы друг от друга.

Первым значительным развитием было то, что пространство и время, ранее рассматриваемые как отдельное трёхмерное пространство и линейная величина времени, были объединены в математическую структуру, создав четырёхмерное «пространство-время». Это было достигнуто в 1907 году Германом Минковским:

Взгляды на пространство и время, которые я хочу изложить перед вами, возникли на почве экспериментальной физики, и в этом заключается их сила. […] Впредь пространство само по себе и время само по себе обречены угаснуть в простые тени, и только некий вид объединения двух сохранит независимую реальность.

Эта идея работала только для плоского, евклидова пространства, но была невероятно мощной математически, поскольку привела к появлению всех законов специальной теории относительности как неизбежного следствия. Когда эта идея пространства-времени была применена к проблеме орбиты Меркурия, ньютоновское предсказание в этой новой рамке подошло ближе к наблюдаемому значению, но все ещё не достигло его.

Представление плоского пустого пространства без материи, энергии или кривизны любого типа.

Но второе развитие пришло от самого Эйнштейна, и это была идея о том, что пространство-время на самом деле не плоское, а искривленное. И именно то, что определяло искривление пространства-времени, было наличие энергии во всех её формах, включая массу. Опубликованная в 1915 году, рамка Эйнштейна была чрезвычайно сложной для расчетов, но представила ученым во всем мире огромные возможности для моделирования физических систем с новым уровнем точности и детализации.

Пространство-время Минковского соответствовало пустой Вселенной или Вселенной без какой-либо энергии или материи.

Были проведены бесчисленные научные проверки общей теории относительности Эйнштейна, подвергающие эту идею одним из самых строгих ограничений, когда-либо полученных человечеством. Первым решением Эйнштейна было ограничение слабого поля вокруг одной массы, такой как Солнце; он с огромным успехом применил эти результаты к нашей Солнечной системе.

Эйнштейн смог найти решение, где у вас была Вселенная с одним единственным точечным массовым источником в ней, и при условии, что вы находитесь вне этой точки. Это уменьшилось до ньютоновского предсказания на больших расстояниях, но дало более сильные результаты на ближних расстояниях. Эти результаты не только согласовались с наблюдениями орбиты Меркурия, которые ньютоновская гравитация не смогла предсказать, но и сделали новые предсказания о отклонении света звезд, которое можно было бы увидеть во время полного солнечного затмения, предсказания, которые позже были подтверждены во время солнечного затмения 1919 года.

Результаты экспедиции Эддингтона 1919 года показали, окончательно, что Общая теория относительности описывает изгибание света звезд вокруг массивных объектов, опровергая ньютоновскую картину.

Но было ещё одно решение — удивительное и интересное — которое появилось всего через несколько недель после того, как Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности. Карл Шварцшильд разработал дополнительные детали того, что происходит в конфигурации с одной единственной точечной массой произвольной величины, и то, что он обнаружил, было замечательно:

• На больших расстояниях решение Эйнштейна действовало, сокращаясь до ньютоновских результатов в дальней зоне.
• Но очень близко к массе — на очень конкретном расстоянии (R = 2M, в натуральных единицах) — вы достигаете точки, из которой ничто не может сбежать: горизонта событий.
• Более того, внутри этого горизонта событий всё, что входит, неизбежно схлопывается к центральной сингулярности, что неизбежно является следствием теории Эйнштейна.
• И, наконец, любая начальная конфигурация стационарной, бесдавильной пыли (то есть, материи, которая имеет нулевую начальную скорость и не взаимодействует сама с собой), независимо от формы или распределения плотности, неизбежно схлопнется в стационарную черную дыру.

Это решение — метрика Шварцшильда — было первым полным, нетривиальным решением общей теории относительности, когда-либо открытым.

Показанный здесь параболоид Фламма представляет собой искривление пространства-времени за пределами горизонта событий черной дыры Шварцшильда. Как только ты упадешь, все будет кончено; лучше всего падать свободно, как если бы вы упали после отдыха. Только эта траектория увеличит ваше время выживания.

Итак, учитывая это, что насчет горячей, плотной, ранней Вселенной, где вся материя и энергия, теперь разбросанная по примерно 92 миллиардам световых лет пространства, содержалась в объеме пространства не больше, чем наша собственная Солнечная система?

Размер Вселенной, в световых годах, по сравнению с количеством времени, прошедшим с момента Большого взрыва, представлен на логарифмической шкале с аннотациями к числу знаменательных событий для ясности.

Вещь, которую вам нужно осознать, заключается в том, что, в отличие от пространства-времени Минковского, решение Шварцшильда является статичным, то есть метрика пространства не эволюционирует по мере течения времени. Но есть множество других решений — пространство де Ситтера, например, и метрика Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера, среди других — которые описывают пространства-времена, которые либо расширяются, либо сжимаются.

Если бы мы начали с материи и энергии нашей Вселенной на ранних этапах Большого взрыва, и у нас не было бы быстро расширяющейся Вселенной, а статичная, и ни одна из частиц не имела бы давления или ненулевой скорости, вся эта энергия образовала бы черную дыру Шварцшильда в крайне короткие сроки: практически мгновенно. Но общая теория относительности имеет еще одно важное оговорение: не только присутствие материи и энергии определяет кривизну вашего пространства-времени, но свойства и эволюция всего в вашем пространстве определяют эволюцию этого пространства-времени!

График зависимости видимой скорости расширения (ось Y) от расстояния (ось X) соответствует Вселенной, которая в прошлом расширялась быстрее, но продолжает расширяться сегодня. Это современная версия, простирающаяся в тысячи раз дальше оригинальной работы Хаббла. Различные кривые представляют Вселенные, состоящие из разных составляющих компонентов.

Наиболее замечательным в этом является то, что мы знаем, начиная с момента Большого взрыва, что у нашей Вселенной есть только три возможных варианта развития, которые зависят от присутствующих в ней материи и энергии и от начальной скорости расширения:

1. Скорость расширения могла быть недостаточно велика для количества материи и энергии в ней, что означает, что Вселенная расширилась бы на короткое время, достигла бы максимального размера и затем начала бы сжиматься. Неправильно говорить, что она схлопнулась бы в черную дыру (хотя это искушающая мысль), потому что само пространство схлопнулось бы вместе со всей материей и энергией, что привело бы к сингулярности, известной как Большой Коллапс.
2. С другой стороны, скорость расширения могла быть слишком велика для количества материи и энергии в ней. В этом случае все материи и энергии были бы разнесены врозь слишком быстрым темпом для того, чтобы гравитация смогла собрать все компоненты Вселенной вместе, и для большинства моделей это привело бы к тому, что Вселенная расширилась бы слишком быстро, чтобы когда-либо сформировать галактики, планеты, звезды или даже атомы или атомные ядра! Вселенная, где скорость расширения была слишком велика для количества содержащейся в ней материи и энергии, была бы пустынным, пустым местом.
3. Наконец, есть "Золотая середина" — случай, когда Вселенная находится как бы на грани между повторным схлопыванием (что произошло бы, если бы в ней был еще один протон) и расширением в небытие (что произошло бы, если бы в ней был на один протон меньше), и вместо этого она просто асимптотически приближается к состоянию, где скорость расширения падает до нуля, но никогда не поворачивает назад к схлопыванию.

Как оказалось, мы живем почти в Золотой середине, с добавлением лишь небольшого количества темной энергии в смесь, что делает скорость расширения чуть больше, и означает, что в конечном итоге вся материя, которая уже не связана гравитационно, будет разнесена в глубины космического пространства.

Ожидаемые судьбы Вселенной (три верхних иллюстрации) соответствуют Вселенной, в которой материя и энергия борются с начальной скоростью расширения. В нашей наблюдаемой Вселенной космическое ускорение вызвано неким типом темной энергии, которая до сих пор не объяснена.

То, насколько велика была необходимость тонкой настройки, чтобы скорость расширения Вселенной и плотность материи и энергии так хорошо соответствовали друг другу, чтобы мы не схлопнулись сразу или не смогли формировать даже основные строительные блоки материи, это что-то вроде одной части на 10²⁴, что похоже на сравнение двух человеческих существ, подсчет количества электронов в них и обнаружение, что они идентичны до одного электрона. Фактически, если мы вернемся к времени, когда Вселенной было всего один наносекунд (с момента Большого взрыва), мы можем количественно оценить, насколько точно должны были быть согласованы плотность и скорость расширения.

Если бы Вселенная имела чуть более высокую плотность (красный цвет), она бы уже сжалась; если бы у него была лишь немного меньшая плотность, он бы расширялся гораздо быстрее и стал бы намного больше.

Таким образом, Вселенная, которую мы имеем, очень точно описывает нашу Вселенную, которая не схлопнулась сразу и не расширилась слишком быстро для формирования сложных структур. Вместо этого она дала начало всему чудесному разнообразию ядерных, атомных, молекулярных, клеточных, геологических, планетарных, звездных, галактических и скопляющихся явлений, которые у нас есть сегодня. Мы достаточно счастливы, чтобы быть здесь и сейчас, чтобы узнать всё, что мы знаем об этом, и участвовать в процессе научного познания: процессе науки. Вселенная не схлопнулась в черную дыру из-за удивительно сбалансированных условий, при которых она родилась, и это, возможно, самый удивительный факт из всех.