Сингулярности действительно существуют?

Одним из самых важных достижений во всей физике стало развитие Общей теории относительности Эйнштейна: нашей величайшей и самой предсказательной теории гравитации. Замена идеи «гравитационной силы», которая действует на объекты, никогда не соприкасающиеся друг с другом, на представление о том, что все объекты существуют в структуре пространства-времени, а кривизна пространства-времени определяет, как эти объекты будут двигаться, - это концепция, которую многим, даже профессионалам, по-прежнему сложно понять. Однако у этого есть свои последствия: определенные конфигурации материи и энергии в пространстве-времени неизбежно приводят к состоянию, которое отмечает эффективный «конец» или «начало» самого пространства-времени, что более известно как сингулярность.

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 происходит горячий Большой взрыв, никогда не столкнутся, не пересекутся или не перекроются.

Но являются ли эти сингулярности физически реальными, представляя собой что-то глубокое, происходящее во Вселенной? Или, возможно, существует способ их избежать, что может сигнализировать о совершенно иной ситуации, чем прекращение существования самого пространства и времени? (По крайней мере, как мы их понимаем.) Это то, что хочет узнать поддерживающий нас на Patreon Кэмерон Соуардс, когда он пишет:

«Почему мы считаем, что состояние до Большого взрыва не было сингулярностью, когда концентрация энергии была гораздо выше, чем может быть у черной дыры... если предшествующая Большому взрыву Вселенная не была сингулярностью, могут ли те же механизмы, которые предотвратили ее превращение в сингулярность, применяться к внутренности черных дыр?»

Здесь много чего нужно разобрать, так что давайте постараемся ответить на этот вопрос справедливо!

Как только вы пересекаете порог, чтобы сформировать черную дыру, все внутри горизонта событий сжимается до сингулярности, которая в лучшем случае одномерна. Никакие трехмерные структуры не могут выжить в целости. Однако интересное преобразование координат показывает, что каждая точка внутри этой черной дыры соответствует 1-к-1 точке снаружи, что поднимает математически интересную возможность того, что внутренняя часть каждой черной дыры порождает младшую Вселенную внутри нее, и возможность того, что наша Вселенная могла возникнуть из черной дыры в предшествующей Вселенной до нашей.

Большой взрыв и вопрос о «первой» сингулярности

Если вы начинаете с двух основных наблюдений — что Вселенная полна материи и энергии, и также расширяется сегодня — вы можете подумать, что нет выхода из начальной сингулярности. Действительно, это было впервые собрано почти сто лет назад, еще в 1920-х годах. Как только вы признаете, что ваша Вселенная, в самых больших космических масштабах, примерно одинакова во всех местах и во всех направлениях (что астрофизики называют «однородностью» для первого и «изотропностью» для второго), то существует конкретное точное решение (и метрика для пространства-времени), которое применимо в контексте общей теории относительности: метрика FLRW (Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера).

Эта метрика, описывающая пространство-время Вселенной, а также ее отношение к материи и энергии внутри нее, предписывает, что Вселенная не может быть статичной, а должна либо расширяться, либо сжиматься. Учитывая, что наблюдения скорости удаления (или красного смещения) далеких галактик прямо пропорциональны их измеренному расстоянию от нас, это указывает на то, что Вселенная расширяется сегодня.

Если она расширяется сегодня и полна материи и излучения, это подразумевает, что в прошлом Вселенная была меньше, но содержала то же количество «материала». Поэтому она также была более плотной и горячей. Чем дальше мы экстраполируем назад во времени, тем меньше становится Вселенная. И если мы идем все до того момента, когда ее размер достигает «0», мы приходим к сингулярности.

Когда воздушный шар надувается, любые монеты, приклеенные к его поверхности, будут отдаляться друг от друга, причем «более удаленные» монеты удаляются быстрее, чем менее удаленные. Любой свет будет смещаться в красную сторону, поскольку его длина волны «растягивается» до более длинных значений по мере расширения ткани воздушного шара. Эта визуализация убедительно объясняет космологическое красное смещение в контексте расширяющейся Вселенной. Если Вселенная расширяется сегодня, это означает, что в прошлом она была меньше, горячее и плотнее, что приводит к картине горячего Большого взрыва.

Этот сценарий удерживал свои позиции большую часть 20 века, укрепленный так называемыми четырьмя наблюдательными краеугольными камнями теории Большого взрыва.

1. Наблюдение того, что Вселенная расширяется, как это ясно показано в отношении красного смещения и расстояния, открытого Леметром (в 1927 году), а затем Робертсоном (в 1928 году), и затем вновь Хабблом (в 1929–1931 годах).
2. Формирование и рост космических структур во Вселенной: от раннего, относительно однородного состояния до более комковатого, более кластерного состояния, состоящего из звезд, галактик, групп и скоплений галактик и нитевидной космической сети в поздние времена.
3. Существование и спектр черного тела космического микроволнового фона: фона оставшегося излучения, датируемого горячим Большим взрывом, из эпохи, когда ранняя Вселенная была слишком горячей для стабильного формирования нейтральных атомов; как только атомы формируются, излучение высвобождается, и мы можем наблюдать его сегодня.
4. И наконец, изобилие самых легких элементов и изотопов всех: водорода, дейтерия, гелия-3, гелия-4 и крошечного количества лития-7, все они сформировались в горниле горячего Большого взрыва до того, как могли сформироваться звезды.

С этими четырьмя столпами, поддерживающими горячий Большой взрыв, не было сомнений, что эта теория — в отличие от всех других конкурирующих моделей — точно описывает наше космическое происхождение.

На верхней панели наша современная Вселенная повсюду имеет одинаковые свойства (включая температуру), поскольку они произошли из региона, обладающего такими же свойствами. На средней панели пространство, которое могло иметь любую произвольную кривизну, раздуто до такой степени, что сегодня мы не можем наблюдать никакой кривизны, что решает проблему плоскостности. А на нижней панели ранее существовавшие высокоэнергетические реликвии раздуты, что обеспечивает решение проблемы высокоэнергетических реликвий. Именно так инфляция решает три великие загадки, которые Большой взрыв не может объяснить сам по себе.

Однако, просто потому, что эта история описывает наше прошлое, это не обязательно означает, что это «глава 1» истории нашей Вселенной. Существует множество необъясненных загадок, которые сопровождают горячий Большой взрыв, включая:

• Почему, если Вселенная достигла невероятно высоких температур, нет высокоэнергетических реликтов из тех эпох, все еще существующих в нашей Вселенной сегодня? (Исторически известная как «проблема монополей».)
• Почему, из-за того, как работает космическое расширение, Вселенная была рождена с ее скоростью расширения и общей плотностью энергии, идеально сбалансированными, так что даже спустя миллиарды лет она все еще идеально пространственно плоская? (Исторически известная как «проблема плоскостности».)
• И почему, когда мы смотрим на разные регионы неба, которые не имели времени обмениваться информацией или сигналами друг с другом, даже на скорости света, они кажутся находящимися в идеальном тепловом равновесии? (Исторически известная как «проблема горизонта».)

В стандартном сценарии горячего Большого взрыва нет объяснений для этого. Вы должны просто утверждать, что «это начальные условия Вселенной» без объяснения, или, как могла бы сказать Леди Гага, Вселенная просто «родилась такой».

Однако, существует замечательный научный механизм, который может установить эти условия, если мы предположим раннюю фазу Вселенной, которая предшествовала горячему Большому взрыву: космологическая инфляция. Эта теория, впервые предложенная в 1980 году, не только предоставляет объяснительную силу для всех трех этих наблюдений, но также сделала невероятный новый набор предсказаний, отличающихся от предсказаний горячего Большого взрыва без инфляции, включая некоторые действительно странные, которые с тех пор были наблюдательно подтверждены.

Квантовые флуктуации, присущие пространству, растянутые по Вселенной во время космической инфляции, породили флуктуации плотности, запечатленные в космическом микроволновом фоне, который, в свою очередь, породил звезды, галактики и другие крупномасштабные структуры во Вселенной сегодня. Это лучшая имеющаяся у нас картина того, как ведет себя вся Вселенная, где инфляция предшествует и приводит к Большому взрыву. К сожалению, мы можем получить доступ только к информации, содержащейся внутри нашего космического горизонта, который является частью одной и той же части региона, где инфляция закончилась около 13,8 миллиардов лет назад.

Тогда как оригинальный горячий Большой взрыв требовал сингулярности, ситуация становится гораздо менее ясной с добавлением космологической инфляции. Тогда как расширяющаяся Вселенная, заполненная материей и излучением, может быть прослежена до сингулярности, в случае расширяющейся Вселенной, которая доминирует какой-то вакуумной энергией — что является случаем для космологической инфляции — вопрос о начале становится гораздо менее ясным.

Потому что пространство-время инфляции расширяется экспоненциально, его нельзя проследить до сингулярности; только до все меньшего и меньшего — но все еще конечного и ненулевого — размера.

Тогда как неинфляционная расширяющаяся Вселенная (классический сценарий Большого взрыва) позволит вам проследить каждую квантовую частицу материи или энергии так, чтобы они встречались в одной точке в прошлом (сингулярности), некоторые геодезические линии идут назад бесконечно долго в инфляционных пространствах-времени, в то время как другие патологически разрываются и/или приводят к кривизне сингулярности, указывая на то, что инфляционные пространства-времени, хотя и продолжаются вечно, являются тем, что называется "прошловременной неполнотой". Это предполагает, что что-то очень вероятно предшествовало космической инфляции, и хотя это является предметом большого количества интересных текущих исследований, окончательный ответ на вопрос о том, должны ли эти пространства-времени включать сингулярность или нет, еще не найден.

Другими словами, инфляция, вероятно, также не была "главой 1" истории нашей Вселенной, и в настоящее время не на 100% установлено, начиналась ли наша Вселенная с сингулярности или нет.

Во Вселенной, которая не расширяется, вы можете заполнить ее стационарной материей в любой конфигурации, которая вам нравится, но она всегда схлопнется в черную дыру. Такая Вселенная нестабильна в контексте гравитации Эйнштейна и должна расширяться, чтобы быть стабильной, иначе мы должны смириться с ее неизбежной судьбой.

Черные дыры и их "неизбежные" сингулярности

С другой стороны, ситуация с черными дырами очень отличается. На самом деле, именно Эйнштейн первым отметил, что если взять любую начальную конфигурацию массы, которая начинается в состоянии покоя (что релятивисты идеализируют как "пыль без давления") в статическом пространстве-времени, она неизбежно коллапсирует. Не "коллапсирует и формирует облако пыли", а сжимается до точки, известной как черная дыра Шварцшильда (не вращающаяся черная дыра).

В случае пространства-времени, содержащего черную дыру Шварцшильда, происходит следующее: далеко от самой черной дыры она ведет себя так же, как и любая другая масса: деформируя и искажая структуру пространства-времени, заставляя его искривляться от своего присутствия, так же, как любая другая масса эквивалентной величины (будь то газовое облако, планета, звезда, белый карлик или нейтронная звезда) деформировала бы его.

Но в отличие от этих других случаев, где масса распределена по большому объему пространства-времени, в случае черной дыры Шварцшильда вся эта масса сжимается до одной точки: сингулярности. Вокруг этой сингулярности существует невидимая граница — математическая поверхность — известная как горизонт событий, который сам по себе отмечает разделительную линию, через которую объект, даже движущийся со скоростью света, не может вырваться из гравитационного притяжения этого "провала" в пространстве-времени.

Как внутри, так и за пределами горизонта событий черной дыры Шварцшильда пространство течет либо как движущаяся дорожка, либо как водопад, в зависимости от того, как вы хотите его визуализировать. На горизонте событий, даже если бы вы бежали (или плыли) со скоростью света, не было бы преодоления потока пространства-времени, который затягивает вас в сингулярность в центре. Однако за пределами горизонта событий другие силы (например, электромагнетизм) часто могут преодолеть притяжение гравитации, заставляя даже падающую материю улетучиваться.

И называть это "провалом" действительно уместно в данном случае. В общей теории относительности мы часто рассматриваем поведение так называемых "тестовых частиц", то есть чего-то, что мы можем сбросить с любыми свойствами, которые мы придумаем (массой (включая безмассовые), зарядом, спином, положением и скоростью (включая, для безмассовых частиц, скорость света) и направлением для этой скорости), и задаемся вопросом, как они развиваются/ведут себя в присутствии этого пространства-времени. Если вы хотите узнать, что происходит в вашем пространстве-времени — и есть ли у вас сингулярность или нет, и является ли ваше пространство-время временеподобно-полным в будущем или прошлом — сброс серии тестовых частиц, включая безмассовые, — это отличный способ узнать.

В пространстве-времени Шварцшильда вы можете иметь стабильные орбиты далеко за пределами горизонта событий так же, как планеты могут вращаться вокруг Солнца или звезды могут двигаться вокруг галактики. Однако если вы подойдете слишком близко к горизонту событий, это уже не так. Любая квантовая частица, пересекающая горизонт событий, независимо от ее других свойств, неизбежно притягивается к центральной сингулярности за конечное (и краткое) время. Нет путей, чтобы избежать этой судьбы, и ничего, что могло бы вас спасти от нее.

На самом деле, величайший вклад известного нобелевского лауреата Роджера Пенроуза в физику, и фактически вклад, который принес ему Нобелевскую премию, был демонстрацией того, как реальная материя, от коллапсирующей звезды, фактически создает горизонт событий и приводит к пространству-времени, которое заканчивается в сингулярности в будущем.

Одним из наиболее важных вкладов Роджера Пенроуза в физику черных дыр является демонстрация того, как реалистичный объект в нашей Вселенной, такой как звезда (или любое скопление материи), может образовывать горизонт событий и как вся материя связана с ним. неизбежно столкнется с центральной сингулярностью. Как только формируется горизонт событий, развитие центральной сингулярности не только неизбежно, но и чрезвычайно быстро.

Пространство для маневра и шанс на выход

Черная дыра — даже самая ранняя, простейшая концепция черной дыры — соответствует всем необходимым критериям для описания пространства-времени, которое действительно заканчивается сингулярностью. В этом месте существует конечное, ненулевое количество массы/энергии, которое существует в одной точке бесконечно малого размера, и это означает, что все вещи, которые вы обычно рассчитываете, такие как плотность или температура, просто взрываются и становятся бесконечными. Это то, что происходит в сингулярности, и это действительно место, где вы встречаетесь с патологическим поведением.

Вы можете попытаться утверждать, что Вселенная на самом деле не описывается идеализированными черными дырами Шварцшильда. Вы можете попробовать добавить более реалистичные элементы, такие как угловой момент (или вращение), и тот факт, что все наблюдаемые нами реальные черные дыры кажутся не только вращающимися, но и вращающимися со скоростями, которые являются довольно релятивистскими или значительной долей скорости света.

И это приведет вас к другому пространству-времени, известному как пространство-время Керра, а не пространство-время Шварцшильда. В этом пространстве-времени происходит множество интересных вещей, которые не случаются в случае отсутствия вращения, включая то, что горизонт событий разделяется на два: внутренний и внешний горизонты событий. Существует также новая промежуточная область, за пределами внешнего горизонта событий, известная как эргосфера, где можно извлечь энергию и массу из пространства-времени.

Вблизи черной дыры пространство течет либо как движущаяся дорожка, либо как водопад, в зависимости от того, как вы хотите его визуализировать. В отличие от невращающегося случая, горизонт событий распадается на две части, а центральная сингулярность растягивается в одномерное кольцо. Никто не знает, что происходит в центральной сингулярности, но ее присутствия и существования невозможно избежать при нашем нынешнем понимании физики.

Однако в центре все еще существует сингулярность. Хотя она изменяется, становясь уже не точкой, а одномерным объектом, растянутым в кольцо, она все равно остается сингулярностью: линией бесконечной плотности, где снова возникают те же патологии, и законы физики разрушаются. Эта попытка избежать сингулярности тоже не приведет к успеху.

Вы можете попытаться представить, что где-то внутри горизонта событий, но перед достижением сингулярности, существует какая-то компактная масса, которая отказывается сжиматься дальше. Но это тоже не удается из-за факта теории относительности Эйнштейна: никакой сигнал, взаимодействие или сила не могут двигаться быстрее скорости света. Если вы хотите, чтобы частица, находящаяся ближе к сингулярности (изнутри горизонта событий), оттолкнула внешнюю частицу и не дала ей падать дальше, ей нужно передавать сигнал назад от сингулярности. Но все пути изнутри горизонта событий ведут только к центральной сингулярности; вам придется двигаться быстрее скорости света, чтобы передавать сигнал обратно. Если мы не выбросим теорию относительности, здесь нет надежды.

Остаются только два возможных пути, если мы хотим попытаться избежать этой судьбы:

1. Мы можем обратиться к еще не открытой теории, которая объединяет гравитацию и квантовую теорию, такой как квантовая теория гравитации, и надеяться, что в какой-то момент она позволит нам сделать разумные расчеты для того, что происходит там, где сегодня мы можем только предполагать сингулярность.
2. Или мы можем следовать весьма спекулятивной (но по крайней мере математически правдоподобной) идее, что, возможно, черная дыра на самом деле является порталом в новую, младшую Вселенную, существующую внутри нее.

Извне черной дыры вся падающая материя излучает свет и всегда видна, в то время как ничто из-за горизонта событий не может выйти наружу. Но если бы вы упали в черную дыру, ваша энергия могла бы вновь возникнуть как часть горячего Большого взрыва в новорожденной Вселенной.

Есть много веских причин надеяться на второй вариант, так как существует интересное математическое соответствие между:

• внутренней частью вращающейся черной дыры Керра, когда вы падаете внутрь через внешний горизонт событий,
• и пространством-временем, которое кажется расширяющимся экспоненциально, как будто оно подпитывается какой-то энергией, присущей самой структуре пространства.

Другими словами, возможно, что любое падающее вещество в реалистичную черную дыру каким-то образом (после разрушения из-за приливных сил и превращения в суп фундаментальных квантов) снова выходит в то, что оно воспринимает как новую Вселенную, и, возможно, переживает горячий Большой взрыв и последующее космическое развитие заново.

Однако это наши единственные два реальных и лучших варианта, чтобы избежать встречи с центральной сингулярностью внутри каждой черной дыры. Либо квантовая гравитация спасет нас (и удачи с этим, так как это, возможно, самая сложная проблема из всех, стоящих перед теоретической физикой), либо существует возможность, что падение в черную дыру перемолит вас и выбросит ваши остатки в новорожденную Вселенную на другой стороне. В любом случае, пока мы находимся в нашей Вселенной, и пока законы Общей теории относительности сохраняются, кажется, что сингулярность в центре каждой черной дыры действительно неизбежна.