Физики семьдесят лет рассказывают нам про чёрные дыры с таким видом, будто всё давно понятно — дескать, гравитационный коллапс, горизонт событий, сингулярность, точка. А потом тихонько добавляют: «Ну, правда, мы понятия не имеем, что происходит внутри, куда девается материя и почему наши уравнения там превращаются в бессмысленный набор бесконечностей». Спасибо, очень информативно. Получается, главный объект современной астрофизики — это научный эквивалент надписи «здесь могла быть ваша реклама».
И вот теперь, когда человечество наконец сфотографировало эти космические пылесосы и убедилось, что они реально существуют, самые отчаянные теоретики выдвигают идею, от которой у консервативных академиков случается нервный тик: а что, если чёрные дыры — это не конечные станции, а пересадочные узлы? Что, если всё, что туда падает, не уничтожается, а выплёвывается где-то ещё через так называемые белые дыры? Звучит как научная фантастика? Возможно. Но математика говорит, что это не менее безумно, чем всё остальное в современной космологии.
Космический слив, который никто не понимает
Давайте начистоту: чёрная дыра — это место, где наша хвалёная физика приходит умирать. Общая теория относительности Эйнштейна, которая блестяще объясняет почти всё во Вселенной — от орбит планет до расширения космоса — при столкновении с сингулярностью начинает выдавать деление на ноль. Квантовая механика, этот второй столп современной науки, тоже пасует, потому что никто толком не знает, как применять квантовые принципы к объектам с бесконечной плотностью.
Что мы знаем наверняка? Когда звезда достаточной массы исчерпывает топливо, гравитация побеждает все остальные силы. Материя схлопывается в точку — сингулярность. Вокруг неё образуется граница, называемая горизонтом событий, откуда не может вырваться даже свет. По сути, это односторонняя дверь: войти можно, выйти — нет. Космический отель «Калифорния», если угодно.
Но вот что интересно: уравнения Эйнштейна, описывающие чёрные дыры, обладают одним неприятным свойством — они симметричны относительно времени. Это значит, что если существует решение, описывающее объект, куда всё падает и откуда ничего не выходит, то математически должно существовать и зеркальное решение — объект, откуда всё вылетает и куда ничего не может попасть. Физики окрестили эту гипотетическую штуковину белой дырой.
И знаете что? Это не какая-то маргинальная теория сумасшедших энтузиастов. Это прямое следствие тех же самых уравнений, за которые Эйнштейн получил мировое признание.
Белые дыры — зеркало, в которое боятся смотреть
Итак, белая дыра — это временно́й негатив чёрной. Если чёрная дыра представляет собой регион, откуда невозможно выбраться, белая дыра — это регион, куда невозможно попасть. Она только выбрасывает материю и энергию, но ничего не принимает. Представьте фонтан, работающий в космическом вакууме — вода бьёт наружу, но ничего не может упасть обратно в трубу.
Звучит абсурдно? Безусловно. Но не более абсурдно, чем сами чёрные дыры звучали для физиков начала XX века. Тогда многие, включая самого Эйнштейна, считали их математическим курьёзом, не имеющим отношения к реальности. «Природа не допустит такого безобразия», — примерно так рассуждали учёные. А потом мы начали находить чёрные дыры повсюду: в центрах галактик, в двойных звёздных системах, даже регистрировать гравитационные волны от их столкновений.
Проблема белых дыр в том, что они кажутся термодинамически невозможными. Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия — мера беспорядка — всегда растёт. Чёрная дыра, поглощающая материю, прекрасно вписывается в эту картину: она увеличивает общий беспорядок во Вселенной. Белая дыра, спонтанно выплёвывающая упорядоченную материю, выглядит как нарушение этого фундаментального принципа.
Но тут есть хитрость. Что если белые дыры существуют не в нашей области пространства-времени, а в какой-то другой? Что если они связаны с чёрными дырами через туннели, пронизывающие саму ткань реальности?
Кротовые норы — транзитные станции мироздания
В 1935 году Эйнштейн вместе с физиком Натаном Розеном опубликовал работу, в которой описал гипотетические туннели в пространстве-времени. Позже их назвали мостами Эйнштейна-Розена или, более романтично, кротовыми норами. Идея проста и одновременно умопомрачительна: две удалённые точки Вселенной могут быть соединены коротким проходом через «изнанку» пространства.
И вот тут начинается самое интересное. Математически кротовая нора выглядит как чёрная дыра на одном конце и белая дыра — на другом. Материя падает в чёрную дыру, проходит через туннель и выбрасывается из белой дыры где-то ещё. Может быть, в другой части нашей Вселенной. Может быть, в совершенно другой вселенной. Может быть, в другом времени.
Разумеется, есть нюансы. Классические кротовые норы Эйнштейна-Розена нестабильны — они схлопываются быстрее, чем что-либо успевает пройти насквозь. Для поддержания проходимого туннеля потребовалась бы так называемая экзотическая материя с отрицательной плотностью энергии. Существует ли такая материя? Квантовая теория поля допускает её в микроскопических масштабах, но в макроскопических количествах — большой вопрос.
Однако некоторые теоретики, включая Карло Ровелли из Марсельского университета, предлагают альтернативный сценарий. Согласно их моделям, квантовые эффекты вблизи сингулярности могут естественным образом превращать чёрную дыру в белую после чрезвычайно долгого периода времени. Чёрная дыра медленно испаряется через излучение Хокинга, а в самом конце — бац! — квантовый скачок, и остатки выплёвываются наружу как белая дыра.
Куда пропадает информация, и почему физики теряют сон
В 1970-х годах Стивен Хокинг доказал, что чёрные дыры не совсем чёрные — они медленно испускают тепловое излучение и постепенно испаряются. Это было революционное открытие, но оно породило кошмар, известный как информационный парадокс.
Суть проблемы вот в чём. Квантовая механика утверждает, что информация никогда не уничтожается. Даже если вы сожжёте книгу, информация о расположении атомов технически сохраняется в дыме и пепле. Но хокинговское излучение выглядит как чистый тепловой шум — оно не несёт никакой информации о том, что упало в чёрную дыру. Когда дыра полностью испаряется, вся проглоченная информация, казалось бы, исчезает навсегда.
Это катастрофа для фундаментальной физики. Либо квантовая механика неверна (а она проверена с точностью до двенадцатого знака после запятой), либо что-то не так с нашим пониманием чёрных дыр.
Белые дыры предлагают элегантное, хотя и спекулятивное решение. Информация не уничтожается — она проходит насквозь и выплёвывается где-то ещё. Чёрная дыра в нашей Вселенной становится белой дырой в другой области пространства-времени, унося с собой полный информационный пакет. Закон сохранения соблюдён, квантовая механика спасена, физики могут спать спокойно.
Конечно, это перекладывает проблему в другое место. Куда именно выбрасывается информация? Как она там организуется? И можем ли мы когда-нибудь это проверить? На эти вопросы ответов пока нет.
Мультивселенная как канализационная система космоса
Гипотеза о связи чёрных и белых дыр естественным образом приводит к концепции мультивселенной. Если каждая чёрная дыра — это вход в туннель, ведущий к белой дыре в другом месте, то «другое место» может быть буквально другой вселенной.
Физик Ли Смолин развил эту идею в теорию космологического естественного отбора. По его модели, каждая чёрная дыра порождает новую вселенную с немного изменёнными физическими константами. Вселенные, в которых много чёрных дыр, производят больше «потомков». Со временем мультивселенная эволюционирует в сторону параметров, максимизирующих производство чёрных дыр.
Это объясняет, почему наша Вселенная так подозрительно хорошо настроена для образования звёзд, галактик и, соответственно, чёрных дыр. Не потому, что кто-то её специально настраивал, а потому, что «ненастроенные» вселенные просто не производят достаточно потомства.
Звучит как биология, применённая к космологии? Именно. И в этом вся прелесть — теория делает проверяемые предсказания. Если Смолин прав, физические константы нашей Вселенной должны быть оптимизированы для производства чёрных дыр. Измените любую из них, и чёрных дыр станет меньше.
Критики указывают, что это не объясняет, откуда взялась первая вселенная и первая чёрная дыра. Но, честно говоря, ни одна космологическая теория не отвечает на вопрос «почему вообще что-то существует?» Это уже территория философии, а не физики.
Почему мы до сих пор не нашли белые дыры
Скептики резонно спрашивают: если белые дыры существуют, почему мы их не видим? Объект, непрерывно выбрасывающий материю и энергию, должен быть заметен, верно?
Во-первых, белые дыры могут быть чрезвычайно редкими и короткоживущими. Согласно некоторым моделям, они существуют лишь доли секунды, прежде чем нестабильность их уничтожает. Поймать такую вспышку — всё равно что фотографировать молнию с закрытыми глазами.
Во-вторых, белые дыры могут выбрасывать материю в других вселенных, куда наши телескопы, очевидно, не достают. Мы видим только входные отверстия — чёрные дыры. Выходы находятся за пределами наблюдаемой реальности.
В-третьих — и это самое провокационное — возможно, мы уже видели белую дыру, просто не распознали её. Некоторые астрофизики предполагают, что Большой взрыв сам по себе мог быть гигантской белой дырой. Вся наша Вселенная — это материя, выброшенная из сингулярности, которая была чёрной дырой в какой-то родительской вселенной.
Подумайте об этом. Мы живём внутри выброса космического унитаза. Вся история человечества, все наши философии, религии, научные достижения — всё это происходит внутри струи, вылетевшей из дыры в пространстве-времени. Если это не повод для экзистенциального смирения, я не знаю, что такое.
Что это значит для нас — маленьких существ на маленькой планете
Можно, конечно, отмахнуться от всех этих рассуждений как от бесполезной абстракции. Какая разница, куда ведут чёрные дыры, если ближайшая из них находится в тысячах световых лет, а мы не можем даже нормально организовать вывоз мусора в собственных городах?
Но наука никогда не работает по принципу немедленной пользы. Когда Эйнштейн писал свои уравнения, никто не думал о GPS-навигации, которая без учёта релятивистских эффектов давала бы ошибку в километры. Когда физики изучали квантовую механику, никто не предполагал, что это приведёт к смартфонам и интернету.
Понимание природы чёрных и белых дыр — это понимание самой структуры реальности. Это вопрос о том, что такое время, пространство, причинность. Это вопрос о том, единственна ли наша Вселенная или она лишь пузырёк в бесконечной пене мироздания.
И, возможно, это вопрос о нашем будущем. Если кротовые норы когда-нибудь станут проходимыми, мы получим доступ к транспортной сети, охватывающей не только нашу галактику, но и другие вселенные. Научная фантастика? Сегодня — да. Но сто лет назад фантастикой были полёты в космос и мгновенная связь через океаны.
Чёрные дыры могут оказаться не тупиками, а дверьми. Белые дыры — не математическими курьёзами, а выходами на новые уровни реальности. И пока мы этого не узнаем наверняка, самое разумное — продолжать задавать неудобные вопросы и не бояться ответов, которые переворачивают наше представление о мире.
В конце концов, Вселенная не обязана быть понятной. Но она, похоже, обязана быть странной.