Что если черные дыры — не конец пути, а прыжок в новое пространство-время? Представьте необычный расклад, где сгусток материи исчезает в черной дыре, чтобы спустя эпохи снова выйти наружу — уже через белую дыру. Недавно физик Карло Ровелли и международные команда ученых заговорили об этом всерьез. Его гипотеза обещает не только раскрыть тайны структуры пространства, но и пролить свет на темную материю и загадочные всплески во Вселенной.
История астрофизики полна примеров, когда смелые гипотезы сначала отвергали, а потом они становились краеугольным камнем науки. Так случилось с черными дырами. Еще в 1972 году нобелевский лауреат Стивен Вайнберг в своем знаменитом учебнике «Гравитация и космология» называл их существование «весьма гипотетическим», утверждая, что «нет [черной дыры] в гравитационном поле ни одного известного объекта во Вселенной». Ученый ошибался. Радиоастрономы уже десятилетиями фиксировали сигналы от вещества, падающего в черные дыры, просто не понимали их природу. Сегодня доказательства существования черных дыр неоспоримы — небо буквально кишит ими.
Но что происходит в самом сердце черной дыры? Вещество, пересекая горизонт событий — ту самую точку невозврата, — устремляется к центру. Куда оно девается? Общая теория относительности Эйнштейна, наше лучшее описание гравитации, предсказывает кошмарный сценарий: вся материя сжимается в бесконечно малую точку бесконечной плотности — сингулярность. Здесь время останавливается, а сама реальность прекращает существование. Но это предсказание ненадежно. В центре черной дыры гравитация столь чудовищно сильна, что в игру вступают квантовые эффекты, которыми теория Эйнштейна пренебрегает. Чтобы понять истинную судьбу вещества, нужна квантовая теория гравитации — Святой Грааль современной физики.
Квантовая механика часто спасает физику от бесконечностей. В начале XX века классическая теория предсказывала, что электрон, вращающийся вокруг ядра атома, должен бесконечно терять энергию и упасть на ядро. Квантовая теория объяснила стабильность атома: энергия электрона может меняться только дискретными порциями, у нее есть минимальный, «дно» уровень.
Похожая история может развернуться и внутри черной дыры. Квантовые эффекты способны предотвратить рождение бесконечной плотности. Ключ — в дискретной природе самого пространства-времени, которую предсказывают квантовые теории гравитации, такие как петлевая квантовая гравитация (над ней работает группа физиков в Марселе, включая автора идеи — Карло Ровелли). Пространство не бесконечно делимо. Оно состоит из крошечных, но конечных «кирпичиков» — квантов. Падающее вещество может сжаться до невероятно плотного состояния — так называемой планковской звезды, — но не до бесконечности. И тогда? Тогда вещество может сделать то, что обычно делает после падения — отскочить.
Отскочить вверх внутри черной дыры невозможно — там все движение направлено только вниз. Но здесь проявляется квантовая магия: гравитация позволяет отскочить не веществу, а самой геометрии пространства-времени черной дыры. Она может продолжиться через центральную точку в совершенно новую область пространства-времени, где не только вещество, но и сама ткань реальности отскакивает наружу. Это и есть белая дыра.
Представьте мяч, который падает и отскакивает. Его путь вверх — это как будто фильм о падении, прокрученный задом наперед. Белая дыра — это «обратная перемотка» черной дыры. Снаружи они похожи: у белой дыры тоже есть масса, притягивающая и удерживающая объекты на орбите. Но есть фундаментальная разница. Черную дыру окружает горизонт событий, через который можно войти, но нельзя выйти. Белую дыру окружает горизонт, через который можно только выйти — войти внутрь невозможно.
Сама возможность существования белых дыр математически вытекает из уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Еще в 1930-х годах ирландский физик Джон Лайтон Синдж предположил, что небольшая корректировка решений этих уравнений может позволить геометрии внутренностей черной дыры продолжиться в белую дыру. Квантовая механика как раз и предоставляет механизм для такой корректировки.
Где же находится эта «дочерняя» белая дыра? В другой галактике? В параллельной вселенной? Связанная червоточиной? Нет, не нужны экзотические спекуляции. Она находится точно там же, где была черная дыра, только в ее будущем. Из-за удивительной эластичности пространства-времени в теории Эйнштейна «другая сторона центра» просто соответствует будущему состояния дыры. Визуализировать это сложно, но результат прост: в первой части жизни объект — черная дыра, в которую падает вещество; после квантового перехода он становится белой дырой, из которой вещество вылетает наружу.
Для такого превращения должен наступить момент, когда горизонт событий черной дыры превращается в горизонт белой дыры. И здесь снова на помощь приходит квантовая теория с ее хорошо известным феноменом — квантовым туннелированием. Это кратковременное нарушение классических уравнений физики, которое может произойти с небольшой вероятностью даже там, где сильные квантовые эффекты не ожидаются. Туннелирование лежит в основе, например, ядерной радиоактивности. Частица, запертая внутри атомного ядра, не может вырваться по классическим законам, но квантовая теория позволяет ей «протуннелировать» под потенциальным барьером и вырваться наружу.
Туннелирование требует времени. Радиоактивные вещества остаются почти стабильными тысячелетиями. Черные дыры тоже живут долго. Согласно классической теории, они вечны. Но ничто не вечно. Стивен Хокинг показал, что квантовая теория предсказывает: черные дыры медленно испаряются, уменьшаясь в размерах. По мере уменьшения вероятность их туннелирования в белую дыру возрастает. В определенный момент это происходит. И снова ключевой момент — туннелирует сама геометрия пространства-времени. Вместо эволюции по классическим уравнениям общей теории относительности, она внезапно «перепрыгивает» из состояния черной дыры в состояние белой дыры.
Здесь возникает загадка. Мы наблюдаем черные дыры возрастом в миллионы лет. Значит, крупной черной дыре нужно очень много времени, чтобы протуннелировать в белую. Но вещество, падающее в черную дыру, достигает ее центра очень быстро — за секунды. Отскочить наружу оно могло бы столь же стремительно. Как же тогда вещество может вылететь из белой дыры так скоро, если на ее формирование уходят эоны?
Ответ очарователен и лежит в природе времени согласно Общей теории относительности. Время не абсолютно — оно течет по-разному в разных условиях. Мы знаем, что на уровне моря — ближе к центру Земли — время течет медленнее, чем на горных вершинах. Приближаясь к массивной звезде или черной дыре, время замедляется еще сильнее. Это и решает парадокс: очень короткий промежуток времени внутри дыры может соответствовать огромному промежутку времени снаружи. С точки зрения внешнего наблюдателя, внутренняя эволюция дыры выглядит как отскок, но показанный в экстремальном замедлении. Объекты, которые мы видим в небе как черные дыры, на самом деле могут быть коллапсирующими телами, которые отскочили, но мы видим этот процесс в бесконечно растянутом временном масштабе.
Дополнительный бонус этого сценария — решение знаменитого информационного парадокса черных дыр. Физики верят, что информация во Вселенной никогда не теряется полностью. Но если внутри черной дыры время останавливается и все исчезает в сингулярности, информация уничтожается. Решение просто и элегантно: если все, что упало, в конце концов вылетает обратно, информация сохраняется.
Чтобы уточнить, информационный парадокс немного тоньше. Он возникает из-за распространенного мнения, что площадь горизонта черной дыры ограничивает количество возможных различных конфигураций того, что находится внутри. Если доступно слишком мало конфигураций, уникальные особенности упавшего вещества стираются — информация теряется. Однако многие физики считают это мнение ошибочным. Оно путает количество конфигураций, различимых снаружи (которое управляет внешним поведением дыры), с гораздо большим количеством внутренних конфигураций, различимых изнутри. Внутренность черной дыры может быть огромной даже при малом горизонте — как бутылка может быть большой при узком горлышке — и содержать колоссальный объем информации, который позже высвобождается белой дырой.
Все это рисует привлекательную картину полного жизненного цикла черной дыры. В ее недрах нет сингулярности, нет точки, где заканчивается пространство-время. А снаружи черная дыра оказывается не вечной. В определенный момент она превращается в белую, и все, что когда-то в нее попало, вырывается на свободу.
Эта картина теоретически красива. Но означает ли она, что небо действительно полно белых дыр? И если да, можем ли мы их увидеть?
Ответ зависит от вещей, которые мы пока не до конца понимаем. Большинство наблюдаемых нами черных дыр образовались в результате коллапса звезд. Они слишком молоды и массивны, чтобы уже протуннелировать в белые дыры — большие дыры живут дольше. Однако возможно, что в экстремальных условиях ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва, сформировались гораздо меньшие черные дыры. Эти первичные черные дыры могли уже превратиться в белые или превращаются прямо сейчас. Но мы не знаем их точного количества, что делает предсказания о современных белых дырах неопределенными.
Другой источник неопределенности — время жизни черной дыры. Детальные расчеты на основе петлевой квантовой гравитации предпринимались, но они зависят от приближений и пока не дают окончательного ответа. Тем не менее, у нас есть довольно надежные границы: максимальное «долгое» время жизни, ограниченное временем хокинговского испарения, и минимальное «короткое» время жизни, требуемое для проявления квантовых эффектов. Это позволяет сделать предварительные выводы.
Если время жизни черной дыры велико, в белые дыры успели превратиться только самые маленькие первичные дыры. Это значит, что большинство белых дыр в сегодняшнем небе должны иметь минимально возможный размер. Минимальный размер белой дыры — планковский, что соответствует массе около одного микрограмма (вес примерно полусантиметрового отрезка человеческого волоса).
Эта возможность интригует, потому что белые дыры такого размера могут быть относительно стабильны. И они могли бы быть компонентом загадочной темной материи, которую астрономы (косвенно) обнаружили в космосе. Большинство других гипотез о природе темной материи требуют изменения хорошо установленных законов физики. Например, они полагаются на теории, предсказывающие новые сущности — суперсимметричные частицы. Но неудачи в их обнаружении ставят эти теории под сомнение. Возможность же того, что темная материя состоит из маленьких черных (а теперь и белых!) дыр, не требует ничего, кроме уже известной физики — общей теории относительности и квантовой механики. Ни одно наблюдение пока не исключает этот сценарий. Если он верен, мы уже наблюдали белые дыры: они и есть темная материя!
Если же время жизни черной дыры мало, первичные черные дыры, превращающиеся сегодня в белые, должны иметь массу небольшой планеты. Их превращение может быть взрывным, сопровождаясь превращением большей части их массы в излучение. Такой взрыв должен посылать к Земле невероятно энергичные космические лучи и короткие, мощные сигналы в микроволновом или радиодиапазоне. Последние особенно интересны, потому что подобные сигналы уже зафиксированы: это таинственные быстрые радиовсплески (Fast Radio Bursts, FRB), недавно обнаруженные радиотелескопами. Опять же, возможно, мы уже видели белые дыры в действии.
Несколько зарегистрированных сигналов недостаточно, чтобы подтвердить их связь с белыми дырами — возможны и другие источники. Но есть характерная черта, которую ученые будут искать при накоплении большой статистики: уплощенное красное смещение. Сигналы, испущенные далекими (а значит, более молодыми в их собственном времени) белыми дырами, должны иметь более короткие длины волн, чем сигналы от близких (и, следовательно, более старых) белых дыр. Этот эффект мы, возможно, сможем обнаружить в спектрах высокоэнергетических космических лучей или быстрых радиовсплесков, когда данных станет достаточно. Если это удастся, у нас появятся веские доказательства существования белых дыр.
Обнаружение свидетельств существования белых дыр на небе станет огромным шагом вперед в понимании Вселенной. Они могут стать первым прямым наблюдением квантовой гравитации в действии. Это откроет окно в величайшую проблему фундаментальной физики — проблему понимания квантовой природы пространства-времени.
Post Scriptum
Белые дыры перестают быть экзотической математической абстракцией. Физика, стоящая за их возможным возникновением из недр черных дыр через квантовое туннелирование, обретает все более четкие контуры. Они предлагают элегантное решение загадок сингулярности и сохранения информации. Более того, они указывают на потенциально наблюдаемые следы в нашей Вселенной — будь то неуловимая темная материя в форме микроскопических планковских объектов или грандиозные взрывы, порождающие быстрые радиовсплески и сверхэнергичные космические лучи.
Как и черные дыры в прошлом, белые дыры сегодня кажутся слишком странными, чтобы быть реальными. Но история науки учит: если теория красива, последовательна и предлагает проверяемые предсказания, к ней стоит прислушаться. Охота за белыми дырами в данных телескопов и детекторов уже началась. Возможно, скоро Вселенная преподнесет нам сюрприз, доказав, что ее самые удивительные превращения — не вымысел, а реальность, зашифрованная в языке квантов и искривленного пространства.
-----
Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости