Как-то я писал небольшую научно-популярную статью для монреальской газеты – о черных дырах и том, что наша Вселенная также может и даже должна быть ею. Увы, для газеты статья оказалась слишком объемной и не слишком популярной, так что пришлось отложить ее в сторону. Однако в этом году – благодаря публикациям таких космологических зубров как Стивен Хокинг, Лаура Мерсини-Хоутон и других крупных специалистов – интерес к теме вспыхнул с новой силой. Так что, возможно, и мои популяризаторские размышления не покажутся лишними. Тем более что касаются они несколько неожиданного аспекта вопроса.
Вверх по лестнице масс
Но прежде чем перейти к изложению моих тезисов, коснемся сути астроблемы. Так, пару лет назад в Вашингтоне проходила конференция Quark Matter 2012. Как раз стало известно, что на коллайдере релятивистских ионов RHIC Брукхейвенской лаборатории, возможно, наблюдали границу (ей соответствует энергия около 20 ГэВ) между обычной материей и первичной плазмой из кварков и глюонов, из которой состояла Вселенная вскоре после Биг Бэнга. Там получили вещество, нагретое до температуры 4 триллиона градусов!
Однако рекорд продержался недолго. Вскоре физики CERN на Большом адронном коллайдере добились температуры 5,5 триллионов, что в сто тысяч раз выше, чем в центре Солнца! Плотность при этом была больше, чем в нейтронных звёздах, компактных останках коллапсировавших светил. На чем стоит остановиться подробнее. Поскольку следующий шаг ведет то ли в никуда, то ли к основам мироздания.
Дело в том, что ядра атомов, с которыми можно сравнить внутреннее содержимое нейтронных звезд, и кварк-глюонная плазма – это качественно разные фазы материи. Они существуют при разных температурах и давлениях подобно тому, как вода при разных условиях бывает жидкой, твердой (вплоть до экзотического горячего льда) и парообразной. И вполне понятно, что плотность КГП в гипотетических кварковых звездах должна быть еще выше, чем плотность «жидкости» в нейтронных.
Ну и что, скажете вы? Ну, превратится эта нейтронная жидкость в подобие металла, как водород в недрах Юпитера, – и что? А то, что не превратится, ибо далее следует ошеломляющий фазовый переход – после КГП остается лишь один шаг до особой формы бытия, которое сродни небытию! До сингулярности.
Речь вот о чем. Маркиз де ла Плас, автор знаменитой книги «Mécanique céleste», законами небесной механики изящно поименовал раздел астрономии, применяющий законы Ньютона к движению небесных тел. Они прекрасно работают в этом случае! Эти базисные законы играют важную роль также в формировании небесных тел (звезд, планет, комет и пр.) и их агломераций – галактик, галактических скоплений и т.д., а также некоторых их свойств. Одно из коих поистине удивительно! А именно: в первом издании своей книги Лаплас мимоходом затронул один вполне частный, чисто теоретический и даже фантастический случай. Речь шла о таких невероятных объектах, которые способны своей гравитацией удерживать свет. После чего на тему впервые обратили хоть какое-то внимание, хотя британский священник Митчелл еще в 1783 г. представил в журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» свою статью, в которой писал, что достаточно массивная и компактная звезда будет иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет ее покинуть. Митчелл считал, что таких объектов в космосе может быть очень много, но статья прошла практически незамеченной.
Сейчас такие объекты называют черными дырами. Впервые этот термин был использован Джоном Уилером в популярной лекции Our Universe: the Known and Unknown 29 декабря 1967 года.
Черная дыра – это область, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже кванты света. Граница области называется горизонтом событий, а её характерный размер –гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры без вращения и без электрического заряда он следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено в 1916 году Карлом Шварцшильдом, и потому называется радиусом его имени. Что любопытно, выражение для него совпадает с выражением, полученным Лапласом…
Сейчас наличие черных дыр не вызывает сомнений у подавляющего большинства астрофизиков и директор ГАИШ, академик РАН Анатолий Черепащук сказал еще в 2009 году:
«Я жду, что в ближайшее десятилетие будет получена Нобелевская премия за открытие черных дыр. Мы к этому подходим все ближе и ближе. Во-первых, этих черных дыр уже как собак нерезаных. Для звездных черных дыр – 23 штуки (ныне их уже несколько десятков, – М.К.) – для них измерены массы, даны ограничения на размеры. А сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик уже многие тысячи».
И все же, прежде чем перейти к вселенским обобщениям, давайте пройдемся по лестнице масс и размеров черных дыр. Какими они могут быть? И какие есть в природе? Если есть.
Так, для Земли гравитационный радиус менее сантиметра и в нынешних условиях рождение столь мелких ЧД невероятно. Для Солнца он 3 км, но оно невелико и черная дыра ему не светит, его финал после выгорания – белый карлик. Звезды побольше, от 1.4 М (предел Чандрасекара, М - масса Солнца) до 2,5-3 М (предел Оппенгеймера-Волкова) в конце своего пути взрываются, сбрасывая внешние слои, а остатки сжимаются в нейтронную звезду (НЗ), объект весьма компактный, но все же далеко не сингулярность. И лишь еще более крупные светила ждет полный гравитационный коллапс. Различные модели дают оценку массы чёрной дыры, образующейся в результате гравитационного коллапса, в пределах от 2,5 до 5,6 М.
Сравним же ЧД звездной массы с НЗ, которая при радиусе 10-12 км сохраняет массу от 1 до 2 M и похожа на орех с тонкой металлической скорлупой. Он заполнен мало сжимаемой фермионной нейтронной жидкостью. Средняя плотность НЗ от 3.7 до 5.9 1017кг/м3, что превышает плотность атомных ядер, а в центре она достигает 8 1017 кг/м3. По-видимому, под действием невероятного давления нейтроны там тают, образуя кварк-глюонную плазму. НЗ является последним шагом на пути к ЧД (гипотетические кварковые звезды пока не обнаружены, да и отличить ту же НЗ от ЧД весьма непросто). Остается сделать этот шаг.
Что ж, еще в 2008 году НАСА сообщило о нахождении в двойной системе XTE J1650-500 черной дыры рекордно малой массы 3,8 М. Радиус ее при этом около 12 км, а средняя плотность 5 1017 кг/м3 — все, как и у НЗ. Единственное отличие — скорость убегания (скорость, необходимая для преодоления притяжения) равна скорости света!
То есть, если внешне такая ЧД напоминает НЗ, – компактный, сферический массивный объект с четко выраженной границей, то во внутренней структуре произойдет самый поразительный из всех качественных скачков: от нечто к почти ничто! Вся масса коллапсирует в сингулярность, в точку, которая имеет бесконечно большую плотность и бесконечно малый размер, если применить к этому случаю теорию Эйнштейна. Но в природе бесконечностей обычно не существует. Значит, теория Эйнштейна тут вряд ли верна.
В таком случае доктор Никодим Поплавский из университета Нью-Хейвена, апологет идеи о том, что Вселенная произошла из черной дыры, имеет право полагать, что материя внутри черной дыры доходит до такого состояния, когда больше ее сдавить невозможно, она спрессовывается в нечто вроде керна, невообразимо малую, но реальную крупицу вещества. Далее процесс сжатия останавливается, потому что черные дыры вращаются и очень быстро, возможно, достигая скорости света.
Поплавский считает, что эта крупица может снова взорваться и создать новую вселенную, но термину «большой взрыв» предпочитает «большой отскок». Нас однако интересует не космогония, а космология. Что будет в остальном пространстве между этой сердцевиной практически нулевой размерности и границей ЧД, горизонтом событий? Трудно сказать. Мне вот кажется, что ничего не будет, кроме отличного вакуума!
Но для чистоты эксперимента и очистки совести шагнем на следующую ступень лестницы и перейдем к СМЧД, супермассивным черным дырам. Похоже на то, что они имеются в ядре каждой галактики и играют важную роль в их формировании. Возможно, ключевую. Похоже на то, что именно такие ЧД были первыми крупными, четко локализованными и отграниченными объектами Вселенной, что именно они стали центрами образования галактик — и зажгли тем самым первые звезды!
Свет из полной темноты – это ли не здорово? Да, сие прекрасно. Нас, однако, интересует иное – падение плотности этих гигантов с ростом массы. Возьмем СМЧД Стрелец A в ядре нашей галактики. Она сравнительно невелика, ее гравитационный радиус всего лишь около 12 млн. км и есть множество звезд, куда больших по размеру. Но ее масса более четырех миллионов масс Солнца! Да и средняя плотность этой СМЧД около 106 кг/м3 – почти как в центре Солнца, что однако не впечатляет после фантастических значений в ЧД звездных масс.
Если же взять СМЧД в квазаре OJ 287, самую сверхмассивную из обнаруженных на сегодняшний день, с массой 18 миллиардов М, то ее Rg составит 350 а.е. Довольно велика толстушка, не правда ли? Для справки: «Вояджер-1» – самый дальний от Земли объект, созданный человеком, на 17 сентября 2014 г. находился на расстоянии всего 129,036 а. е., у границ солнечной системы.
Так вот, средняя плотность этой СМЧД, этого всепожирающего сингулярного монстра крайне мала: 0.08 кг/м3 или 0.08 10-3 г/см3. Что в пятнадцать раз меньше плотности воздуха…
Подчеркну – средняя. Какова же плотность внешних слоев? Забегая вперед, подчеркнем: мы не так уж плохо живем в той черной дыре, которую гордо называем Вселенной. Она вообще практически состоит из пустоты! Что такое средняя плотность 10−26 кг/м3, вокруг которой столько копей сломано? Это шесть нуклонов на кубометр. Прекрасный вакуум!
К тому же приливные силы, которыми любят пугать нас специалисты по черным дырам (быстрая и полная, вплоть до разрушения атомов деструкция астронавтов, имевших неосторожность пересечь горизонт событий подобного чудовища), на ее границе будут столь малы, что гипотетический наблюдатель даже не заметит пересечения горизонта событий. Однако если вас это радует, как и то, что центральная сингулярность расположена очень далеко от нее и астронавт будет чувствовать себя вполне комфортно, пока не погрузится очень глубоко, то вынужден разочаровать.
Деструкция все равно неминуема! Ваш корабль погибнет еще на подлете, в аккреционном диске, окружающем каждую СМЧД. Вещество, поглощаемое дырой, кружится в таком диске по спирали с огромной скоростью, оно ускоряется и так сильно нагревается от трения слоев, что излучает в рентгене. По этому излучению их и обнаруживают.
Так, 18 апреля 2000 г. сразу четыре космических лаборатории выясняли, что с таким диском происходит. Телескопы «Хаббл» и Extreme Ultraviolet Explorer наблюдали ультрафиолетовое излучение от черной дыры XTE J1118+480 массой семь солнечных, входящей в двойную систему с солнцеподобной звездой. Орбитальный телескоп Rossi X-ray Timing Explorer ловил жёсткое рентгеновское излучение, а обсерватория Chandra следила в диапазоне между рентгеном и ультрафиолетом. Оказалось, что диск простирается к горизонту событий ЧД не ближе 600 миль, вместо ожидавшихся двадцати пяти. Там он исчезает, как исчезнет и ваш корабль, добавив немного сияния в рентгеновскую корону ЧД.
Это грустно. Поскольку исключает путешествия в иные вселенные. Но пора уже задать главный вопрос.
А не живем ли мы в черной дыре?
Именно так (Are We Living in a Black Hole?) называется статья в февральском, 2014 года, номере National Geographic, посвященная упомянутому выше доктору Никодиму Поплавскому. Поскольку же имеются веские основания полагать, что так оно и есть, то внесем и мы свой вклад в попытки ответить на этот вопрос, для чего взгромоздимся на плечи титанов.
Лаплас ведь также был смел не потому, что был маркизом, а оттого, что пользовался универсальным законом тяготения Ньютона. Но лишь через век с лишним (не так уж быстро развивается наша наука…) Хаббл сформулировал не менее общий закон разбегания, после чего и мы можем кое о чем судить. Например, о мире, в котором живем. А живем мы, кажется, в дыре и пусть нас не обманывает великолепие мироздания!
Тот же американский физик Дж. Уилер, который ввел в обиход сам термин черная дыра, одним из первых пришел и к идее вселенских ЧД. Сообщая об этом, Ли Смолин пишет в работе 1994 года: «Можно предположить, что каждая черная дыра в нашей Вселенной приводит к созданию новой вселенной и, соответственно, большой взрыв в нашем прошлом есть результат формирования черной дыры в иной вселенной».
То есть, вполне возможно, что наш мир – это обратная сторона иновселенской черной дыры. Там материя коллапсировала, здесь – вырвалась на волю и энергично расширяется! Беспредельно расширяется? До бесконечности? Не думаю. Боюсь, что глобальные расталкивающие свойства экзотической темной энергии, ведущие в итоге к Big Rip, Большому Разрыву, несколько преувеличены. И хотелось бы, чтобы эту поистине темную силу постигла судьба эйнштейновского лямбда-члена. Все же очень странной была бы сравнительно скоропостижная (в течение ближайших 22 млрд. лет, согласно некоторым подсчетам) смерть мира в результате распада всех связей и самой материи. Нет, не верю, как говорил Станиславский, в такую физику! Эти качели будут качаться вечно…
И потому у нас еще есть время заняться делом. Поставим же, переходя от СМЧД к масштабам космологическим, вопрос поистине гамлетовский, судьбоносный и вместе с тем прозаический, поскольку легко просчитываемый: не окажется ли масса нашего мира достаточной для того, чтобы свет не мог покинуть его? Не оттого, что жаль фотонам покидать сии сияющие чертоги и устремляться во мрак неведомого. А потому что гравитация не пускает. Интуитивно нетрудно предсказать, что иного варианта нет. Либо вы полагаете свой мир большим, а законы Ньютона-Эйнштейна верными – и тогда нетрудно подсчитать примерный радиус нашей черной дыры. Либо предложите свое объяснение тому, что эти законы в космологических масштабах не работают.
В принципе, рассуждения весьма просты. Если Вселенная шар, что весьма вероятно в случае ее происхождения в результате Биг Бэнга, то достаточно знать массу (или среднюю плотность) и радиус мира – и закон Ньютона даст силу его притяжения. После чего можно судить, способен ли свет покинуть наш универсум и достичь иных миров поливерсума (надеюсь, вы не сомневаетесь в поливерсальности мироздания?) – и/или наоборот.
Увы, с этим, с массой и радиусом, до сих пор, несмотря на блестящее развитие астрофизики, имеются некоторые проблемы. Вплоть до когнитивных. До меры разумения. Так, многие почему-то всерьез считают, что радиус Вселенной около 14 млрд. световых лет. Мол, за время ее существования, которое как будто установлено достаточно надежно, свет не мог пройти большего расстояния, а поскольку его скорость это максимальная скорость передачи взаимодействий, то и мир не может быть большим.
Однако стандартная космологическая модель постулирует, что мир намного больше наблюдаемой области! Так, родоначальник инфляционной теории Алан Гут утверждает (1998, The inflationary universe: the quest for a new theory of cosmic origins), что в настоящее время Вселенная в 1023 раз больше наблюдаемой ее части! На практике это означает бесконечность…
Вам уютнее жить в тесном мирке радиусом 14 миллиардов световых лет? Как угодно, однако подобные ограничения на размеры справедливы лишь в том смысле, что отсутствует причинно-следственная связь с остальными частями универсума. Во-первых, раз свет от дальних областей еще не дошел до нас, то и никакой детерминированной, связанной, общей с ними истории быть не может. Во-вторых, поскольку хаббловское расширение пространства разносит нас со скоростью большей скорости света, то лежат они за горизонтом событий. Но с методологической точки зрения нет никаких доказательств в пользу предположения, будто границы наблюдаемой области являются также границами Вселенной в целом!
Мало того, о каких расстояниях речь? Раз Вселенная расширяется, то разумно мерять дистанции в сопутствующей системе координат, расширяющейся вместе с пространством. Тогда расстояние до самого удалённого наблюдаемого объекта — поверхности последнего рассеяния реликтового излучения — составит около 46 миллиардов световых лет, если верить Википедии. Можно оценить размер мира и по спектру наполняющего Вселенную реликтового излучения. Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц, что соответствует длине волны 1,9 мм. То бишь, учитывая, что середина оптического диапазона приходится примерно на 500 нм, можно заключить, что во время суперинфляции пространство расширялось примерно в 25000 раз быстрее скорости света и потому вселенная намного больше наблюдаемой ее части. Алан Гут прав!
Или вот недавно была в моде красивая топологическая модель мира в виде многократно связанного додекаэдра Пуанкаре — ее диаметр должен быть не менее 60 млрд. светолет. А Нил Корниш, астрофизик из Университета Монтаны, полагает, что Вселенная еще больше — диаметром 156 миллиардов!
Кажется, последнее значение наиболее вероятно. Так ли уж сие важно? Ну, 13,8 млрд., ну на порядок больше – и что? А то, что от размеров мира будет зависеть его масса. Увы, при таком разбросе данных трудно сказать что-либо конкретное о ней и апеллировать к Ньютону. Но нельзя ли подойти к проблеме с другого конца? Если размеры мира не установлены, то хотя бы о его плотности можно что-то сказать? Можно.
Верю, ибо истинно
Сей тезис является антитезой, контроверзой известного кредо веры: верую, ибо абсурдно. Но что есть истина? — вопрошал когда-то один немолодой прокуратор одного молодого галилеянина.
Чтобы ответить на вопрос, снова обратимся к титанам. После Ньютона и Лапласа мало кто интересовался космологией во вселенских масштабах, пока Эйнштейн не попытался сбалансировать мир с помощью космологической постоянной (ему казалось естественным считать его стационарным). Увы, Фридман тут же показал, что Вселенная, исходя из эйнштейновской же теории, нестационарна, а Хаббл занялся определением скорости ее расширения. С тех пор покой нам только снится, зато появилась возможность установить критическую плотность, от которой зависят эволюция мира и его геометрические свойства.
Она пропорциональна квадрату постоянной Хаббла (выводимой из наблюдений), наиболее надёжная оценка которой на 2013 год составляет 67,80 ± 0,77 (км/с)/Мпк. В таком случае критическая плотность равна примерно 10−26 кг/м3. В однородных изотропных моделях с равной нулю космологической постоянной она отделяет модель замкнутой Вселенной от модели открытой. Трёхмерное пространство при плотности больше критической имеет положительную кривизну, замкнуто и объём его конечен. Тяготение материи при этом достаточно велико, должно сильно замедлять расширение Вселенной, и в будущем её расширение должно смениться сжатием. Если же плотность нашего мира меньше критической, то Вселенная неограниченно расширяется в будущем. Трёхмерное пространство будет тогда иметь отрицательную кривизну, а объём его будет бесконечен.
Поскольку видимая, барионная материя дает намного, чуть ли не на два порядка меньшую плотность, то и волнующий нас вопрос долгое время не возникал. Но в конце 90-х обнаружилось, что Вселенная расширяется ускоренно и для объяснения этого явления пришлось ввести понятие темной энергии. Это некая материя с отрицательным давлением, с антигравитацией, расталкивающая пространство. Ее природа совершенно неясна и в принципе темную энергию можно трактовать как эйнштейновскую космологическую константу λ (он, кстати, считал ее самой большой ошибкой своей жизни), которая противодействует силам тяготения, но начинает играть значительную роль лишь на больших масштабах.
Но этим дело не ограничилось. Для объяснения плоской ротационной кривой галактик и высокой скорости их движения в галактических скоплениях пришлось ввести не менее таинственную темную материю. В результате суммарная плотность Вселенной многократно возросла и стала приблизительно равна критической.
Кажется, однако, что лечение оказалось опаснее болезни. Из данного значения плотности, в частности, следует, во-первых, что никакими искривлениями наш мир не страдает, что он плоский в евклидовом смысле, что как бы и неплохо. Приятно жить в простом и понятном мире. Плоском, стоящем на трех китах…
Но, во-вторых, не совсем приятно то, что лечить дефекты теории приходится чрезмерно сильными средствами, объясняя ускоряющееся расширение мира ростом его массы. Что довольно странно: ведь критическая плотность потому и критическая, что грозит последующим сжатием. Так что она оказалась вдвойне критической!
Но, господь с ними, с теориями, перейдем к практике: главное, мы получили, наконец, некую terra firma и можем перейти к расчетам. Определим размер области, имеющей массу достаточную, чтобы удерживать фотоны. Воспользуемся известным выражением для гравитационного радиуса (См. Шварцшильда и Лапласа):
Rg = 2GМ/c2,
где G – гравитационная постоянная. Затем выразим массу через объем шара этого радиуса (4/3)πRg3 и критическую плотность. В итоге для Rg получим чуть менее 14 млрд. световых лет. Что явно меньше размеров Вселенной и подозрительно совпадает с радиусом видимой ее части. Настолько подозрительно, что заставляет задуматься о его не случайности. И о пределах наших знаний…
Ибо уже той массы, что мы наблюдаем и предполагаем, вводя ноумены темной энергии и материи, вполне достаточно, чтобы видимая нами область была невидимой для иных областей, но не по причине конечности скорости света (миры Хаббла), а потому что фотоны не могут ее покинуть. И уже тем более Вселенная в целом должна быть черной дырой!
Как видно из графика, радиус Шварцшильда пропорционален массе объекта, тогда как радиус самого объекта пропорционален корню кубическому из массы. С ростом последней линии на графике неизбежно пересекутся и объект превратится в черную дыру. Иными словами, ее можно получить не только локальным сжатием достаточно большого количества вещества (например, в результате гравитационного коллапса звезд), но и экстенсивным путём, накоплением материала.
Что, однако, если этого материала всегда хватало? То, что он сейчас разлетается во все стороны вместе с самим пространством, еще ничего не значит: куда он денется из объятий материнской черной дыры? Как видите, исходя из наших вычислений, вопрос этот совсем не риторический. Судя по всему, мы живем именно в ЧД и «снаружи» о нас можно судить лишь по рентгеновскому излучению аккреционного диска.
Где снаружи? Ведь, как писал замечательный популяризатор науки И. Новиков («Эволюция Вселенной», М, 1990), вне Вселенной ничего нет, ни пространства, ни времени! Но это странная идея. Столь же странная, как идея геоцентризма. Или антропоцентризма. Или уникальной Вселенной. Вспомните присказку угольщика Франтишека Шквора из «Похождений бравого солдата Швейка»: «Никогда так не было, чтобы никак не было».
Что-то да было раньше – и до Творения, и до Биг Бэнга. Черт его знает что, в какой форме, как долго, но было. И всегда будет. И «снаружи» всегда есть. Иначе не было бы понятия «внутри». Написал ведь тот же И. Новиков в книге «Как взорвалась Вселенная» (1988) из легендарной библиотечки «Квант» 30-й раздел, называющийся «Вечно юная Вселенная»: о бесконечном и вечном мире многих миров, о Multiverse! Правда, рецензентом тогда у него был доктор физ.-мат. наук А. Линде, автор теории суперинфляции…
Мне могут возразить, что по мере приближения извне к черной дыре кривизна пространства сильно возрастает, и внутри черной дыры должно быть сильно искривленное пространство-время. Тогда как в нашем мире кривизна пространства практически отсутствует, оно по существу эвклидово, в нем с достаточной точностью выполняется специальная теория относительности и эффекты общей теории относительности малы. Что было бы не так, если бы мы оказались внутри черной дыры.
Гм. Что тут скажешь? Во-первых, я бы не взял на себя смелость утверждать, что можно, так сказать, интраполировать (подчеркивая направленность внутрь, в противоположность экстраполяции) теорию Эйнштейна, заведомо непригодную для этого (недаром она порождает сингулярности в таких случаях), на объекты – будем называть их так – по масштабам астрофизические. Физика Эйнштейна заканчивается за горизонтом событий! Никто не знает, что там происходит, внутри СМЧД. Более того, некоторые астрофизики упорно отрицают наличие сингулярности в их центре. И уж тем более не стоит этого делать с объектами космологических масштабов. Размером со Вселенную. Иначе не появлялись бы такие экзотические способы объяснить некоторые ее свойства, как темная энергия.
Во-вторых, если уж приводить возражения, то куда более убедительным будет иное. Из приведенных выше выкладок получается, что любая произвольно выбранная область Вселенной с радиусом около 14 млрд. световых лет будет невидима для соседних областей. Подчеркиваю: произвольно выбранная! Это странно. Но и наводит на интересные размышления.
В-третьих, теория черных дыр еще настолько не разработана, что даже сам Стивен Хокинг, ведущий специалист в этой области, 22 января этого года выложил на ресурсе Корнелльского университета arXiv.orgпрепринт своей статьи, в которой предложил объяснение парадокса файервола (firewall), «стены огня». Как известно, Хокинг в 1974 году показал, что квантовые эффекты вблизи горизонта событий приводят к тому, что черная дыра должна излучать. Причем спектр излучения аналогичен спектру излучения абсолютно черного тела, что означает уничтожение информации о том, что дыра поглотила. Это противоречит постулату о сохранении информации и получило название информационного парадокса черных дыр.
Развивая идеи Хокинга и пытаясь разрешить парадокс, физик Джо Полчински с коллегами в 2012 году описали эффект так называемой «стены огня». Суть его состоит в том, что, вместо горизонта событий образуется так называемая «стена огня», регион с частицами колоссальных энергий. Этот результат, в свою очередь, оказывается в противоречии с теорией относительности, согласно которой горизонт событий ничем не отличается от остальных регионов пространства с точки зрения физических законов.
Так вот, из объяснений Хокинга следует, что черных дыр в классическом понимании этого слова не существует! Он пишет, что из-за вызванных квантовыми эффектами возмущений определить точную границу черной дыры невозможно в принципе и предлагает заменить горизонт событий так называемым «видимым горизонтом событий». Этот горизонт способен задерживать материю и энергию только на время, а не навсегда. «Отсутствие горизонта событий означает, что не существует и черных дыр. По крайней мере, в смысле регионов пространства, которые свет не в состоянии покинуть», — делает вывод Хокинг.
Он сообщает, что подвести математическую основу под свое предположение пока на может, но эту работу недавно сделала известный космолог Лаура Мерсини-Хоутон, профессор физики из Университета Северной Каролины. 5 сентября она поместила на том же ресурсе свою работу, в которой заявила, что математически доказала невозможность существования черных дыр (Back-reaction of the Hawking radiation flux on a gravitationally collapsing star II: Fireworks instead of firewalls. Laura Mersini-Houghton, Harald P. Pfeiffer).
Ее расчеты показали, что излучение Хокинга возникает уже при коллапсе звезды, и она теряет массу столь стремительно, что плотность внутренних областей перестает расти и образование черной дыры останавливается.
«Я сама не могу оправиться от шока. Мы изучали эту проблему более 50 лет, и это решение заставляет нас о многом задуматься», — сказала исследовательница.
Что на самом деле остается на месте массивных звезд, могут дать дальнейшие наблюдения. Взрывы массивных звезд уже наблюдались в новейшую историю, так, в 1987 году астрономы наблюдали ярчайшую вспышку сверхновой SN 1987A. Однако ни черной дыры, ни нейтронной звезды на ее месте пока не обнаружено. Что странно и заставляет еще раз вспомнить о Никодиме Поплавски.
Весной 2011 г. появилась его статья On the mass of the Universe born in a black hole | ResearchGate (О массе Вселенной, возникшей в черной дыре). Поплавски пишет во вступлении:
«Показано, используя теорию гравитации Einstein-Cartan-Sciama-Kibble, что гравитационный коллапс спиновой жидкости из фермионной материи с жестко заданным уравнением состояния в черной дыре, обладающей массой M, порождает новую Вселенную с массой (формула)... Полагая массу равной массе нашей Вселенной (которая равна примерно 1026 солнечных масс), находим M ~ 103М. Таким образом, наша вселенная могла возникнуть из черной дыры с промежуточной величиной массы».
Иными словами, вполне возможно, что черные дыры (если они существуют) играют ключевую роль не только в эволюции нашей Вселенной, но и в генезисе Multiverse! И являются дополнительным аргументом в пользу его существования. С чем вас и поздравляю.
Как-то я писал небольшую научно-популярную статью для монреальской газеты – о черных дырах и том, что наша Вселенная также может и даже должна быть ею. Увы, для газеты статья оказалась слишком объемной и не слишком популярной, так что пришлось отложить ее в сторону. Однако в этом году – благодаря публикациям таких космологических зубров как Стивен Хокинг, Лаура Мерсини-Хоутон и других крупных специалистов – интерес к теме вспыхнул с новой силой. Так что, возможно, и мои популяризаторские размышления не покажутся лишними. Тем более что касаются они несколько неожиданного аспекта вопроса.
Вверх по лестнице масс
Но прежде чем перейти к изложению моих тезисов, коснемся сути астроблемы. Так, пару лет назад в Вашингтоне проходила конференция Quark Matter 2012. Как раз стало известно, что на коллайдере релятивистских ионов RHIC Брукхейвенской лаборатории, возможно, наблюдали границу (ей соответствует энергия около 20 ГэВ) между обычной материей и первичной плазмой из кварков и глюонов, из которой состояла Вселенная вскоре после Биг Бэнга. Там получили вещество, нагретое до температуры 4 триллиона градусов!
Однако рекорд продержался недолго. Вскоре физики CERN на Большом адронном коллайдере добились температуры 5,5 триллионов, что в сто тысяч раз выше, чем в центре Солнца! Плотность при этом была больше, чем в нейтронных звёздах, компактных останках коллапсировавших светил. На чем стоит остановиться подробнее. Поскольку следующий шаг ведет то ли в никуда, то ли к основам мироздания.
Дело в том, что ядра атомов, с которыми можно сравнить внутреннее содержимое нейтронных звезд, и кварк-глюонная плазма – это качественно разные фазы материи. Они существуют при разных температурах и давлениях подобно тому, как вода при разных условиях бывает жидкой, твердой (вплоть до экзотического горячего льда) и парообразной. И вполне понятно, что плотность КГП в гипотетических кварковых звездах должна быть еще выше, чем плотность «жидкости» в нейтронных.
Ну и что, скажете вы? Ну, превратится эта нейтронная жидкость в подобие металла, как водород в недрах Юпитера, – и что? А то, что не превратится, ибо далее следует ошеломляющий фазовый переход – после КГП остается лишь один шаг до особой формы бытия, которое сродни небытию! До сингулярности.
Речь вот о чем. Маркиз де ла Плас, автор знаменитой книги «Mécanique céleste», законами небесной механики изящно поименовал раздел астрономии, применяющий законы Ньютона к движению небесных тел. Они прекрасно работают в этом случае! Эти базисные законы играют важную роль также в формировании небесных тел (звезд, планет, комет и пр.) и их агломераций – галактик, галактических скоплений и т.д., а также некоторых их свойств. Одно из коих поистине удивительно! А именно: в первом издании своей книги Лаплас мимоходом затронул один вполне частный, чисто теоретический и даже фантастический случай. Речь шла о таких невероятных объектах, которые способны своей гравитацией удерживать свет. После чего на тему впервые обратили хоть какое-то внимание, хотя британский священник Митчелл еще в 1783 г. представил в журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» свою статью, в которой писал, что достаточно массивная и компактная звезда будет иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет ее покинуть. Митчелл считал, что таких объектов в космосе может быть очень много, но статья прошла практически незамеченной.
Сейчас такие объекты называют черными дырами. Впервые этот термин был использован Джоном Уилером в популярной лекции Our Universe: the Known and Unknown 29 декабря 1967 года.
Черная дыра – это область, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже кванты света. Граница области называется горизонтом событий, а её характерный размер –гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры без вращения и без электрического заряда он следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено в 1916 году Карлом Шварцшильдом, и потому называется радиусом его имени. Что любопытно, выражение для него совпадает с выражением, полученным Лапласом…
Сейчас наличие черных дыр не вызывает сомнений у подавляющего большинства астрофизиков и директор ГАИШ, академик РАН Анатолий Черепащук сказал еще в 2009 году:
«Я жду, что в ближайшее десятилетие будет получена Нобелевская премия за открытие черных дыр. Мы к этому подходим все ближе и ближе. Во-первых, этих черных дыр уже как собак нерезаных. Для звездных черных дыр – 23 штуки (ныне их уже несколько десятков, – М.К.) – для них измерены массы, даны ограничения на размеры. А сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик уже многие тысячи».
И все же, прежде чем перейти к вселенским обобщениям, давайте пройдемся по лестнице масс и размеров черных дыр. Какими они могут быть? И какие есть в природе? Если есть.
Так, для Земли гравитационный радиус менее сантиметра и в нынешних условиях рождение столь мелких ЧД невероятно. Для Солнца он 3 км, но оно невелико и черная дыра ему не светит, его финал после выгорания – белый карлик. Звезды побольше, от 1.4 М (предел Чандрасекара, М - масса Солнца) до 2,5-3 М (предел Оппенгеймера-Волкова) в конце своего пути взрываются, сбрасывая внешние слои, а остатки сжимаются в нейтронную звезду (НЗ), объект весьма компактный, но все же далеко не сингулярность. И лишь еще более крупные светила ждет полный гравитационный коллапс. Различные модели дают оценку массы чёрной дыры, образующейся в результате гравитационного коллапса, в пределах от 2,5 до 5,6 М.
Сравним же ЧД звездной массы с НЗ, которая при радиусе 10-12 км сохраняет массу от 1 до 2 M и похожа на орех с тонкой металлической скорлупой. Он заполнен мало сжимаемой фермионной нейтронной жидкостью. Средняя плотность НЗ от 3.7 до 5.9 1017кг/м3, что превышает плотность атомных ядер, а в центре она достигает 8 1017 кг/м3. По-видимому, под действием невероятного давления нейтроны там тают, образуя кварк-глюонную плазму. НЗ является последним шагом на пути к ЧД (гипотетические кварковые звезды пока не обнаружены, да и отличить ту же НЗ от ЧД весьма непросто). Остается сделать этот шаг.
Что ж, еще в 2008 году НАСА сообщило о нахождении в двойной системе XTE J1650-500 черной дыры рекордно малой массы 3,8 М. Радиус ее при этом около 12 км, а средняя плотность 5 1017 кг/м3 — все, как и у НЗ. Единственное отличие — скорость убегания (скорость, необходимая для преодоления притяжения) равна скорости света!
То есть, если внешне такая ЧД напоминает НЗ, – компактный, сферический массивный объект с четко выраженной границей, то во внутренней структуре произойдет самый поразительный из всех качественных скачков: от нечто к почти ничто! Вся масса коллапсирует в сингулярность, в точку, которая имеет бесконечно большую плотность и бесконечно малый размер, если применить к этому случаю теорию Эйнштейна. Но в природе бесконечностей обычно не существует. Значит, теория Эйнштейна тут вряд ли верна.
В таком случае доктор Никодим Поплавский из университета Нью-Хейвена, апологет идеи о том, что Вселенная произошла из черной дыры, имеет право полагать, что материя внутри черной дыры доходит до такого состояния, когда больше ее сдавить невозможно, она спрессовывается в нечто вроде керна, невообразимо малую, но реальную крупицу вещества. Далее процесс сжатия останавливается, потому что черные дыры вращаются и очень быстро, возможно, достигая скорости света.
Поплавский считает, что эта крупица может снова взорваться и создать новую вселенную, но термину «большой взрыв» предпочитает «большой отскок». Нас однако интересует не космогония, а космология. Что будет в остальном пространстве между этой сердцевиной практически нулевой размерности и границей ЧД, горизонтом событий? Трудно сказать. Мне вот кажется, что ничего не будет, кроме отличного вакуума!
Но для чистоты эксперимента и очистки совести шагнем на следующую ступень лестницы и перейдем к СМЧД, супермассивным черным дырам. Похоже на то, что они имеются в ядре каждой галактики и играют важную роль в их формировании. Возможно, ключевую. Похоже на то, что именно такие ЧД были первыми крупными, четко локализованными и отграниченными объектами Вселенной, что именно они стали центрами образования галактик — и зажгли тем самым первые звезды!
Свет из полной темноты – это ли не здорово? Да, сие прекрасно. Нас, однако, интересует иное – падение плотности этих гигантов с ростом массы. Возьмем СМЧД Стрелец A в ядре нашей галактики. Она сравнительно невелика, ее гравитационный радиус всего лишь около 12 млн. км и есть множество звезд, куда больших по размеру. Но ее масса более четырех миллионов масс Солнца! Да и средняя плотность этой СМЧД около 106 кг/м3 – почти как в центре Солнца, что однако не впечатляет после фантастических значений в ЧД звездных масс.
Если же взять СМЧД в квазаре OJ 287, самую сверхмассивную из обнаруженных на сегодняшний день, с массой 18 миллиардов М, то ее Rg составит 350 а.е. Довольно велика толстушка, не правда ли? Для справки: «Вояджер-1» – самый дальний от Земли объект, созданный человеком, на 17 сентября 2014 г. находился на расстоянии всего 129,036 а. е., у границ солнечной системы.
Так вот, средняя плотность этой СМЧД, этого всепожирающего сингулярного монстра крайне мала: 0.08 кг/м3 или 0.08 10-3 г/см3. Что в пятнадцать раз меньше плотности воздуха…
Подчеркну – средняя. Какова же плотность внешних слоев? Забегая вперед, подчеркнем: мы не так уж плохо живем в той черной дыре, которую гордо называем Вселенной. Она вообще практически состоит из пустоты! Что такое средняя плотность 10−26 кг/м3, вокруг которой столько копей сломано? Это шесть нуклонов на кубометр. Прекрасный вакуум!
К тому же приливные силы, которыми любят пугать нас специалисты по черным дырам (быстрая и полная, вплоть до разрушения атомов деструкция астронавтов, имевших неосторожность пересечь горизонт событий подобного чудовища), на ее границе будут столь малы, что гипотетический наблюдатель даже не заметит пересечения горизонта событий. Однако если вас это радует, как и то, что центральная сингулярность расположена очень далеко от нее и астронавт будет чувствовать себя вполне комфортно, пока не погрузится очень глубоко, то вынужден разочаровать.
Деструкция все равно неминуема! Ваш корабль погибнет еще на подлете, в аккреционном диске, окружающем каждую СМЧД. Вещество, поглощаемое дырой, кружится в таком диске по спирали с огромной скоростью, оно ускоряется и так сильно нагревается от трения слоев, что излучает в рентгене. По этому излучению их и обнаруживают.
Так, 18 апреля 2000 г. сразу четыре космических лаборатории выясняли, что с таким диском происходит. Телескопы «Хаббл» и Extreme Ultraviolet Explorer наблюдали ультрафиолетовое излучение от черной дыры XTE J1118+480 массой семь солнечных, входящей в двойную систему с солнцеподобной звездой. Орбитальный телескоп Rossi X-ray Timing Explorer ловил жёсткое рентгеновское излучение, а обсерватория Chandra следила в диапазоне между рентгеном и ультрафиолетом. Оказалось, что диск простирается к горизонту событий ЧД не ближе 600 миль, вместо ожидавшихся двадцати пяти. Там он исчезает, как исчезнет и ваш корабль, добавив немного сияния в рентгеновскую корону ЧД.
Это грустно. Поскольку исключает путешествия в иные вселенные. Но пора уже задать главный вопрос.
А не живем ли мы в черной дыре?
Именно так (Are We Living in a Black Hole?) называется статья в февральском, 2014 года, номере National Geographic, посвященная упомянутому выше доктору Никодиму Поплавскому. Поскольку же имеются веские основания полагать, что так оно и есть, то внесем и мы свой вклад в попытки ответить на этот вопрос, для чего взгромоздимся на плечи титанов.
Лаплас ведь также был смел не потому, что был маркизом, а оттого, что пользовался универсальным законом тяготения Ньютона. Но лишь через век с лишним (не так уж быстро развивается наша наука…) Хаббл сформулировал не менее общий закон разбегания, после чего и мы можем кое о чем судить. Например, о мире, в котором живем. А живем мы, кажется, в дыре и пусть нас не обманывает великолепие мироздания!
Тот же американский физик Дж. Уилер, который ввел в обиход сам термин черная дыра, одним из первых пришел и к идее вселенских ЧД. Сообщая об этом, Ли Смолин пишет в работе 1994 года: «Можно предположить, что каждая черная дыра в нашей Вселенной приводит к созданию новой вселенной и, соответственно, большой взрыв в нашем прошлом есть результат формирования черной дыры в иной вселенной».
То есть, вполне возможно, что наш мир – это обратная сторона иновселенской черной дыры. Там материя коллапсировала, здесь – вырвалась на волю и энергично расширяется! Беспредельно расширяется? До бесконечности? Не думаю. Боюсь, что глобальные расталкивающие свойства экзотической темной энергии, ведущие в итоге к Big Rip, Большому Разрыву, несколько преувеличены. И хотелось бы, чтобы эту поистине темную силу постигла судьба эйнштейновского лямбда-члена. Все же очень странной была бы сравнительно скоропостижная (в течение ближайших 22 млрд. лет, согласно некоторым подсчетам) смерть мира в результате распада всех связей и самой материи. Нет, не верю, как говорил Станиславский, в такую физику! Эти качели будут качаться вечно…
И потому у нас еще есть время заняться делом. Поставим же, переходя от СМЧД к масштабам космологическим, вопрос поистине гамлетовский, судьбоносный и вместе с тем прозаический, поскольку легко просчитываемый: не окажется ли масса нашего мира достаточной для того, чтобы свет не мог покинуть его? Не оттого, что жаль фотонам покидать сии сияющие чертоги и устремляться во мрак неведомого. А потому что гравитация не пускает. Интуитивно нетрудно предсказать, что иного варианта нет. Либо вы полагаете свой мир большим, а законы Ньютона-Эйнштейна верными – и тогда нетрудно подсчитать примерный радиус нашей черной дыры. Либо предложите свое объяснение тому, что эти законы в космологических масштабах не работают.
В принципе, рассуждения весьма просты. Если Вселенная шар, что весьма вероятно в случае ее происхождения в результате Биг Бэнга, то достаточно знать массу (или среднюю плотность) и радиус мира – и закон Ньютона даст силу его притяжения. После чего можно судить, способен ли свет покинуть наш универсум и достичь иных миров поливерсума (надеюсь, вы не сомневаетесь в поливерсальности мироздания?) – и/или наоборот.
Увы, с этим, с массой и радиусом, до сих пор, несмотря на блестящее развитие астрофизики, имеются некоторые проблемы. Вплоть до когнитивных. До меры разумения. Так, многие почему-то всерьез считают, что радиус Вселенной около 14 млрд. световых лет. Мол, за время ее существования, которое как будто установлено достаточно надежно, свет не мог пройти большего расстояния, а поскольку его скорость это максимальная скорость передачи взаимодействий, то и мир не может быть большим.
Однако стандартная космологическая модель постулирует, что мир намного больше наблюдаемой области! Так, родоначальник инфляционной теории Алан Гут утверждает (1998, The inflationary universe: the quest for a new theory of cosmic origins), что в настоящее время Вселенная в 1023 раз больше наблюдаемой ее части! На практике это означает бесконечность…
Вам уютнее жить в тесном мирке радиусом 14 миллиардов световых лет? Как угодно, однако подобные ограничения на размеры справедливы лишь в том смысле, что отсутствует причинно-следственная связь с остальными частями универсума. Во-первых, раз свет от дальних областей еще не дошел до нас, то и никакой детерминированной, связанной, общей с ними истории быть не может. Во-вторых, поскольку хаббловское расширение пространства разносит нас со скоростью большей скорости света, то лежат они за горизонтом событий. Но с методологической точки зрения нет никаких доказательств в пользу предположения, будто границы наблюдаемой области являются также границами Вселенной в целом!
Мало того, о каких расстояниях речь? Раз Вселенная расширяется, то разумно мерять дистанции в сопутствующей системе координат, расширяющейся вместе с пространством. Тогда расстояние до самого удалённого наблюдаемого объекта — поверхности последнего рассеяния реликтового излучения — составит около 46 миллиардов световых лет, если верить Википедии. Можно оценить размер мира и по спектру наполняющего Вселенную реликтового излучения. Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц, что соответствует длине волны 1,9 мм. То бишь, учитывая, что середина оптического диапазона приходится примерно на 500 нм, можно заключить, что во время суперинфляции пространство расширялось примерно в 25000 раз быстрее скорости света и потому вселенная намного больше наблюдаемой ее части. Алан Гут прав!
Или вот недавно была в моде красивая топологическая модель мира в виде многократно связанного додекаэдра Пуанкаре — ее диаметр должен быть не менее 60 млрд. светолет. А Нил Корниш, астрофизик из Университета Монтаны, полагает, что Вселенная еще больше — диаметром 156 миллиардов!
Кажется, последнее значение наиболее вероятно. Так ли уж сие важно? Ну, 13,8 млрд., ну на порядок больше – и что? А то, что от размеров мира будет зависеть его масса. Увы, при таком разбросе данных трудно сказать что-либо конкретное о ней и апеллировать к Ньютону. Но нельзя ли подойти к проблеме с другого конца? Если размеры мира не установлены, то хотя бы о его плотности можно что-то сказать? Можно.
Верю, ибо истинно
Сей тезис является антитезой, контроверзой известного кредо веры: верую, ибо абсурдно. Но что есть истина? — вопрошал когда-то один немолодой прокуратор одного молодого галилеянина.
Чтобы ответить на вопрос, снова обратимся к титанам. После Ньютона и Лапласа мало кто интересовался космологией во вселенских масштабах, пока Эйнштейн не попытался сбалансировать мир с помощью космологической постоянной (ему казалось естественным считать его стационарным). Увы, Фридман тут же показал, что Вселенная, исходя из эйнштейновской же теории, нестационарна, а Хаббл занялся определением скорости ее расширения. С тех пор покой нам только снится, зато появилась возможность установить критическую плотность, от которой зависят эволюция мира и его геометрические свойства.
Она пропорциональна квадрату постоянной Хаббла (выводимой из наблюдений), наиболее надёжная оценка которой на 2013 год составляет 67,80 ± 0,77 (км/с)/Мпк. В таком случае критическая плотность равна примерно 10−26 кг/м3. В однородных изотропных моделях с равной нулю космологической постоянной она отделяет модель замкнутой Вселенной от модели открытой. Трёхмерное пространство при плотности больше критической имеет положительную кривизну, замкнуто и объём его конечен. Тяготение материи при этом достаточно велико, должно сильно замедлять расширение Вселенной, и в будущем её расширение должно смениться сжатием. Если же плотность нашего мира меньше критической, то Вселенная неограниченно расширяется в будущем. Трёхмерное пространство будет тогда иметь отрицательную кривизну, а объём его будет бесконечен.
Поскольку видимая, барионная материя дает намного, чуть ли не на два порядка меньшую плотность, то и волнующий нас вопрос долгое время не возникал. Но в конце 90-х обнаружилось, что Вселенная расширяется ускоренно и для объяснения этого явления пришлось ввести понятие темной энергии. Это некая материя с отрицательным давлением, с антигравитацией, расталкивающая пространство. Ее природа совершенно неясна и в принципе темную энергию можно трактовать как эйнштейновскую космологическую константу λ (он, кстати, считал ее самой большой ошибкой своей жизни), которая противодействует силам тяготения, но начинает играть значительную роль лишь на больших масштабах.
Но этим дело не ограничилось. Для объяснения плоской ротационной кривой галактик и высокой скорости их движения в галактических скоплениях пришлось ввести не менее таинственную темную материю. В результате суммарная плотность Вселенной многократно возросла и стала приблизительно равна критической.
Кажется, однако, что лечение оказалось опаснее болезни. Из данного значения плотности, в частности, следует, во-первых, что никакими искривлениями наш мир не страдает, что он плоский в евклидовом смысле, что как бы и неплохо. Приятно жить в простом и понятном мире. Плоском, стоящем на трех китах…
Но, во-вторых, не совсем приятно то, что лечить дефекты теории приходится чрезмерно сильными средствами, объясняя ускоряющееся расширение мира ростом его массы. Что довольно странно: ведь критическая плотность потому и критическая, что грозит последующим сжатием. Так что она оказалась вдвойне критической!
Но, господь с ними, с теориями, перейдем к практике: главное, мы получили, наконец, некую terra firma и можем перейти к расчетам. Определим размер области, имеющей массу достаточную, чтобы удерживать фотоны. Воспользуемся известным выражением для гравитационного радиуса (См. Шварцшильда и Лапласа):
Rg = 2GМ/c2,
где G – гравитационная постоянная. Затем выразим массу через объем шара этого радиуса (4/3)πRg3 и критическую плотность. В итоге для Rg получим чуть менее 14 млрд. световых лет. Что явно меньше размеров Вселенной и подозрительно совпадает с радиусом видимой ее части. Настолько подозрительно, что заставляет задуматься о его не случайности. И о пределах наших знаний…
Ибо уже той массы, что мы наблюдаем и предполагаем, вводя ноумены темной энергии и материи, вполне достаточно, чтобы видимая нами область была невидимой для иных областей, но не по причине конечности скорости света (миры Хаббла), а потому что фотоны не могут ее покинуть. И уже тем более Вселенная в целом должна быть черной дырой!
Как видно из графика, радиус Шварцшильда пропорционален массе объекта, тогда как радиус самого объекта пропорционален корню кубическому из массы. С ростом последней линии на графике неизбежно пересекутся и объект превратится в черную дыру. Иными словами, ее можно получить не только локальным сжатием достаточно большого количества вещества (например, в результате гравитационного коллапса звезд), но и экстенсивным путём, накоплением материала.
Что, однако, если этого материала всегда хватало? То, что он сейчас разлетается во все стороны вместе с самим пространством, еще ничего не значит: куда он денется из объятий материнской черной дыры? Как видите, исходя из наших вычислений, вопрос этот совсем не риторический. Судя по всему, мы живем именно в ЧД и «снаружи» о нас можно судить лишь по рентгеновскому излучению аккреционного диска.
Где снаружи? Ведь, как писал замечательный популяризатор науки И. Новиков («Эволюция Вселенной», М, 1990), вне Вселенной ничего нет, ни пространства, ни времени! Но это странная идея. Столь же странная, как идея геоцентризма. Или антропоцентризма. Или уникальной Вселенной. Вспомните присказку угольщика Франтишека Шквора из «Похождений бравого солдата Швейка»: «Никогда так не было, чтобы никак не было».
Что-то да было раньше – и до Творения, и до Биг Бэнга. Черт его знает что, в какой форме, как долго, но было. И всегда будет. И «снаружи» всегда есть. Иначе не было бы понятия «внутри». Написал ведь тот же И. Новиков в книге «Как взорвалась Вселенная» (1988) из легендарной библиотечки «Квант» 30-й раздел, называющийся «Вечно юная Вселенная»: о бесконечном и вечном мире многих миров, о Multiverse! Правда, рецензентом тогда у него был доктор физ.-мат. наук А. Линде, автор теории суперинфляции…
Мне могут возразить, что по мере приближения извне к черной дыре кривизна пространства сильно возрастает, и внутри черной дыры должно быть сильно искривленное пространство-время. Тогда как в нашем мире кривизна пространства практически отсутствует, оно по существу эвклидово, в нем с достаточной точностью выполняется специальная теория относительности и эффекты общей теории относительности малы. Что было бы не так, если бы мы оказались внутри черной дыры.
Гм. Что тут скажешь? Во-первых, я бы не взял на себя смелость утверждать, что можно, так сказать, интраполировать (подчеркивая направленность внутрь, в противоположность экстраполяции) теорию Эйнштейна, заведомо непригодную для этого (недаром она порождает сингулярности в таких случаях), на объекты – будем называть их так – по масштабам астрофизические. Физика Эйнштейна заканчивается за горизонтом событий! Никто не знает, что там происходит, внутри СМЧД. Более того, некоторые астрофизики упорно отрицают наличие сингулярности в их центре. И уж тем более не стоит этого делать с объектами космологических масштабов. Размером со Вселенную. Иначе не появлялись бы такие экзотические способы объяснить некоторые ее свойства, как темная энергия.
Во-вторых, если уж приводить возражения, то куда более убедительным будет иное. Из приведенных выше выкладок получается, что любая произвольно выбранная область Вселенной с радиусом около 14 млрд. световых лет будет невидима для соседних областей. Подчеркиваю: произвольно выбранная! Это странно. Но и наводит на интересные размышления.
В-третьих, теория черных дыр еще настолько не разработана, что даже сам Стивен Хокинг, ведущий специалист в этой области, 22 января этого года выложил на ресурсе Корнелльского университета arXiv.orgпрепринт своей статьи, в которой предложил объяснение парадокса файервола (firewall), «стены огня». Как известно, Хокинг в 1974 году показал, что квантовые эффекты вблизи горизонта событий приводят к тому, что черная дыра должна излучать. Причем спектр излучения аналогичен спектру излучения абсолютно черного тела, что означает уничтожение информации о том, что дыра поглотила. Это противоречит постулату о сохранении информации и получило название информационного парадокса черных дыр.
Развивая идеи Хокинга и пытаясь разрешить парадокс, физик Джо Полчински с коллегами в 2012 году описали эффект так называемой «стены огня». Суть его состоит в том, что, вместо горизонта событий образуется так называемая «стена огня», регион с частицами колоссальных энергий. Этот результат, в свою очередь, оказывается в противоречии с теорией относительности, согласно которой горизонт событий ничем не отличается от остальных регионов пространства с точки зрения физических законов.
Так вот, из объяснений Хокинга следует, что черных дыр в классическом понимании этого слова не существует! Он пишет, что из-за вызванных квантовыми эффектами возмущений определить точную границу черной дыры невозможно в принципе и предлагает заменить горизонт событий так называемым «видимым горизонтом событий». Этот горизонт способен задерживать материю и энергию только на время, а не навсегда. «Отсутствие горизонта событий означает, что не существует и черных дыр. По крайней мере, в смысле регионов пространства, которые свет не в состоянии покинуть», — делает вывод Хокинг.
Он сообщает, что подвести математическую основу под свое предположение пока на может, но эту работу недавно сделала известный космолог Лаура Мерсини-Хоутон, профессор физики из Университета Северной Каролины. 5 сентября она поместила на том же ресурсе свою работу, в которой заявила, что математически доказала невозможность существования черных дыр (Back-reaction of the Hawking radiation flux on a gravitationally collapsing star II: Fireworks instead of firewalls. Laura Mersini-Houghton, Harald P. Pfeiffer).
Ее расчеты показали, что излучение Хокинга возникает уже при коллапсе звезды, и она теряет массу столь стремительно, что плотность внутренних областей перестает расти и образование черной дыры останавливается.
«Я сама не могу оправиться от шока. Мы изучали эту проблему более 50 лет, и это решение заставляет нас о многом задуматься», — сказала исследовательница.
Что на самом деле остается на месте массивных звезд, могут дать дальнейшие наблюдения. Взрывы массивных звезд уже наблюдались в новейшую историю, так, в 1987 году астрономы наблюдали ярчайшую вспышку сверхновой SN 1987A. Однако ни черной дыры, ни нейтронной звезды на ее месте пока не обнаружено. Что странно и заставляет еще раз вспомнить о Никодиме Поплавски.
Весной 2011 г. появилась его статья On the mass of the Universe born in a black hole | ResearchGate (О массе Вселенной, возникшей в черной дыре). Поплавски пишет во вступлении:
«Показано, используя теорию гравитации Einstein-Cartan-Sciama-Kibble, что гравитационный коллапс спиновой жидкости из фермионной материи с жестко заданным уравнением состояния в черной дыре, обладающей массой M, порождает новую Вселенную с массой (формула)... Полагая массу равной массе нашей Вселенной (которая равна примерно 1026 солнечных масс), находим M ~ 103М. Таким образом, наша вселенная могла возникнуть из черной дыры с промежуточной величиной массы».
Иными словами, вполне возможно, что черные дыры (если они существуют) играют ключевую роль не только в эволюции нашей Вселенной, но и в генезисе Multiverse! И являются дополнительным аргументом в пользу его существования. С чем вас и поздравляю.
Напечатано в журнале «Семь искусств» #12(58)декабрь2014
7iskusstv.com/nomer.php?srce=58
Адрес оригинальной публикации — 7iskusstv.com/2014/Nomer12/Kammerer1.php
