Мы сфотографировали чёрную дыру. Настоящую. С горизонтом событий и огненным кольцом вокруг. Поймали гравитационные волны от столкновения двух мёртвых звёзд за миллиард световых лет — буквально услышали, как рвётся ткань пространства. Измерили замедление времени на разнице высоты меньше полуметра. По меркам XIX века — это уровень богов с хорошим инженерным образованием.
И вот в этот момент физика, поправив очки, говорит:
— Да, кстати… мы до сих пор не понимаем, откуда вообще всё это взялось.
Не понимаем, как Вселенная стартовала. Не понимаем, почему в центре каждой уважающей себя галактики сидит сверхмассивный монстр. И, что особенно неловко, не понимаем, существует ли время как фундаментальная штука — или это просто удобная иллюзия.
Давайте посмотрим на эти вопросы и разберем их подробнее. Они всё очень интересны!
Откуда взялось хоть что-нибудь
Начнём с самого нахального вопроса из возможных. Почему вообще существует Вселенная? Почему она - «нечто», а не «ничто»?
Физики давно заметили неловкость ситуации и попытались её разрулить через хитрость: переопределить само «ничто». В квантовой теории поля абсолютной пустоты не существует в принципе.
Вакуум — это не пустая коробка. Это состояние с минимальной энергией, где постоянно происходят квантовые флуктуации (колебания): частицы рождаются и аннигилируют быстрее, чем их успевают заметить. Да, в вакууме постоянно рождается материя!
В 1996 году физик Стив Ламоро поставил удивительный эксперимент: взял две металлические пластины и поместил их почти вплотную друг к другу. Никаких зарядов, никаких магнитов. Но пластины потянулись друг к другу. Сами.
Причина — «пустота» между ними оказалась не совсем пустой. В квантовом мире вакуум постоянно кипит: частицы рождаются и исчезают, не успевая «материализоваться». Между пластинами этих невидимых всплесков меньше, чем снаружи — и снаружи «давит» сильнее. Эффект Казимира называется. Ничто оказалось кое-чем.
Но физика тут же загоняет себя в угол. Ладно, вакуум не пустой. А откуда взялся сам вакуум? Откуда квантовые поля и законы, по которым они работают? Вопрос не исчезает — просто переезжает этажом выше.
Инфляционная теория объясняет другое: как из почти гладкой ранней Вселенной выросла вся нынешняя структура — галактики, скопления, нити. Крошечные квантовые флуктуации за ничтожную долю секунды раздулись до размеров будущих галактик. Данные спутника Planck 2018 года это подтверждают. Но это ответ на «как», а не на «почему законы вообще существуют».
Хокинг пошел дальше и предложил описывать саму Вселенную как квантовый объект — с волновой функцией вместо жёсткой точки начала. Их конкурент Александр Виленкин назвал это «туннелированием из ничего»: Вселенная просто «проскочила» из небытия, как частица сквозь барьер. Красиво. Но у обеих моделей разные предсказания — и пока непонятно, какая из них права.
Пространство-время просто не имеет края - это как поверхность сферы, которое тоже не имеет края.
«Что было до Большого взрыва» в этих моделях — бессмысленный вопрос, который прозвучит примерно, как «что южнее Южного полюса».
Спор продолжается, причём с формулами и взаимными претензиями в рецензиях. Обе модели адекватно не могут описать происхождение - остается много дыр.
Есть популярная версия ответа: «Вселенная возникла из ничего, потому что суммарная энергия равна нулю — положительная энергия вещества гасит отрицательную гравитационную». Звучит элегантно. Но это не совсем соответствует истине.
В общей теории относительности «полная энергия Вселенной» — понятие, которое корректно работает только для очень конкретных геометрий пространства-времени. В общем случае его просто нельзя определить. Это не придирка — это математический факт.
Математик Эмми Нётер ещё в 1918 году доказала: все законы сохранения — следствие симметрий. Есть симметрия — есть сохраняющаяся величина. Нет симметрии — нет закона. Вопрос только сдвигается: а почему у природы именно такие симметрии?
Физика умеет описывать, как Вселенная развивалась из очень раннего состояния. Почему это состояние вообще существовало — не знает.
Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик
Вот факт, который при близком рассмотрении выглядит необычно. В центре почти каждой крупной галактики сидит сверхмассивная чёрная дыра. Не «в некоторых». Не «в особенных». В большинстве — и наш Млечный Путь не исключение.
В 2019 году телескоп Event Horizon Telescope впервые сфотографировал тень чёрной дыры — в галактике M87, на расстоянии 55 миллионов световых лет. Кольцо светящегося газа вокруг чёрного пятна.
В 2022 году — снимок Стрельца A* в центре нашей Галактики. Объект с массой 4,3 миллиона солнц, сжатый до размера, который вписался бы в орбиту Меркурия.
Проблема не в том, что они там есть. Проблема в том, что они там оказались так быстро.
Квазары — активные ядра галактик, где чёрная дыра пожирает материю и светит ярче всей остальной галактики — нашли уже в эпоху, когда Вселенной не было и миллиарда лет.
Чёрная дыра квазара J0313–1806 весит 1,6 миллиарда солнц. Квазар J0100+2802 — 12 миллиардов. Возраст Вселенной на тот момент — меньше миллиарда лет. Как это вообще возможно?
С точки зрения современной физики этого времени никак не должно было хватить для формирования такого объекта.
Это примерно как представить, что человек поступил в МГУ, потом создал высокотехнологичную компанию. Создал инновационные продукты, вывел на рынок и стал долларовым миллиардером. И это в...шесть лет.
Само по себе всё это возможно, но только не за такой короткий срок!
Чёрная дыра растёт, поглощая вещество. Но есть предел — порог Эддингтона. Выше него давление собственного излучения буквально сдувает газ прочь, и дыра перестаёт есть материю. Это природный ограничитель скорости роста. Простой расчёт показывает: чтобы за 800 миллионов лет вырастить миллиард солнечных масс, стартовать нужно как минимум с тысячи. Где взять тысячу солнечных масс в самом начале Вселенной?
Гипотез несколько, победителя пока нет.
Первая — «лёгкие семена». Самые первые звёзды были огромными, горели быстро и оставляли после себя чёрные дыры по нескольку сотен солнечных масс. Слабое место: чтобы из такого семечка вырасти в квазар, дыра должна почти без перерыва питаться на пределе возможного. Малейшая пауза — и не успевает.
«Прямой коллапс». Вторая гипотеза гласит, что облако газа сжимается сразу в чёрную дыру, минуя стадию звезды. На старте получается объект от десяти тысяч до миллиона солнечных масс — задача резко упрощается. Главное условие: газ не должен раздробиться на обычные звёзды по дороге, то есть должен оставаться горячим. В 2024 году физики предложили механизм, как это работает — через подавление молекулярного водорода, который обычно охлаждает газ и запускает его распад на звёзды.
«Слияния по нарастающей». В плотных скоплениях чёрные дыры сталкиваются и сливаются, раз за разом набирая массу. В 2020 году детектор LIGO поймал гравитационные волны от события GW190521 — рождения чёрной дыры в 142 солнечные массы. Такую не объяснить коллапсом одной звезды. Кто-то явно собирал её по частям.
Есть и экзотический вариант — первичные чёрные дыры, возникшие ещё в первые секунды после Большого взрыва из сверхплотных сгустков материи. Красивая идея, но наблюдательных доказательств пока ноль.
Вопрос «что появилось раньше — галактика или чёрная дыра» остаётся без чёткого ответа. Ранние наблюдения намекают, что чёрная дыра нередко «торопится» вырасти раньше, чем галактика набирает основную звёздную массу. Это может означать, что центральный монстр не просто сидит в галактике, а отчасти её формирует — через мощные выбросы, которые разогревают и выметают газ, регулируя темп звездообразования. Не паразит, а, возможно, архитектор.
Время: есть ли оно на самом деле
Этот вопрос звучит как что-то из беседы на кухне с друзьями в два часа ночи. Но за ним стоит вполне конкретная физика — и вполне конкретная незакрытая проблема.
Начнём с того, что точно известно. Время в физике — не универсальный фон, тикающий одинаково для всех.
Это давно не теория: в 2010 году американские физики измерили разницу в ходе атомных часов на перепаде высоты в 33 сантиметра. Часы ниже идут медленнее — гравитация тянет время, замедляет его ход. В 2022 году та же задача была решена на масштабе нескольких миллиметров.
Ваши ноги стареют чуть медленнее, чем голова. Не «философски», а буквально! Просто вы за всю жизнь это даже не заметите, настолько мала величина
Это измеримая, воспроизводимая физика. GPS-спутники учитывают релятивистское замедление времени в своих поправках — иначе ошибка навигации накапливалась бы со скоростью нескольких километров в сутки.
Так в чём проблема? В том, что физика прекрасно описывает «как время течёт» — но не может объяснить «почему оно течёт именно в одну сторону».
Уравнения физики почти везде симметричны по времени. Запустите фильм с движением молекул в обратную сторону — законы механики не будут нарушены.
А вот фильм с разбивающейся чашкой, запущенный задом наперёд, сразу выглядит нелепо. Осколки не прыгают обратно в чашку. Это называется «стрела времени», и она связана с термодинамикой — с ростом энтропии.
Физик Роберт Уолд сформулировал жёстко: чтобы стрела времени существовала, Вселенная должна была начать с аномально низкой энтропией — с состояния «особого порядка». Это не следует ни из каких уравнений. Это просто постулат — «прошлая гипотеза» в философии физики. Почему Вселенная стартовала именно так — неизвестно.
В 2012 году физики на ускорителе SLAC сравнили, с какой вероятностью B-мезоны распадаются «вперёд» и «назад» по времени. Вероятности оказались разными. Время на микроуровне не вполне симметрично — но этот эффект ничтожно мал. Он не объясняет, почему кофе остывает, а не нагревается сам собой.
Самая радикальная идея — что время вообще не фундаментально. Уравнение Уилера–де Витта, одна из попыток объединить квантовую механику с гравитацией, не содержит переменной времени. Совсем. Механизм Page–Wootters 1983 года показывает: если разделить квантовую систему на «часы» и «всё остальное», наблюдатель внутри увидит течение времени. Снаружи его нет. Время возникает из корреляций между частями системы — как побочный эффект, а не как закон природы.
Физик Карло Ровелли формулирует это радикально: время — не вещь, которая существует сама по себе. Это способ, которым одни физические процессы описывают другие. Удобное число, которое мы приписываем изменениям.
Принять это сложно. Ощущение «сейчас», «течения», «прошлого» — самое непосредственное из всего, что у нас есть. И именно поэтому ситуация такая неловкая: самая очевидная вещь в мире может оказаться производной. Следствием, а не причиной.
Что объединяет все три вопроса
На самом деле, нераскрытых вопросов о космосе, конечно, намного больше чем три. Остаются загадкой тёмная материя и тёмная энергия. Не до конца ясна и история происхождения Вселенной (у теории Большого взрыва сейчас есть трудности в объяснении многих наблюдаемых фактов).
Но я решил сфокусироваться сегодня на этих трех вопросах, которые несут философский, мировоззренческий смысл, а не только чисто научный и физический.
За каждым из этих вопросов прячется одно и то же. «Ничто» в физике почти всегда оказывается «кое-чем». Вакуум давит, флуктуирует и оставляет следы. Чёрные дыры выросли раньше, чем мы думали, и до сих пор непонятно как. Время идёт в одну сторону без видимой причины.
Мы научились мерить Вселенную с точностью до миллиметра в гравитации и до горизонта событий у чёрных дыр. Но три самых простых вопроса — почему есть что-то, откуда взялись центральные монстры галактик и куда «течёт» время — упираются в одно: мы не понимаем начальных условий. Не знаем, почему Вселенная стартовала именно так, а не иначе.
Это не повод расстраиваться. Это повод продолжать смотреть в небо. И когда-нибудь мы раскроем эти загадки, что, я уверен, продвинет человечество далеко вперед!