Глава 14. Сингулярность

Во Вселенной можно наблюдать множество удивительных явлений. Одно из самых загадочных – сингулярность.

Наш мир возник из первоначального состояния бесконечной плотности материи и температуры, которое называется космологической сингулярностью. То была экстремальная эпоха, когда не работали известные нам законы физики.

С тех пор прошли миллиарды лет, однако, и в современной Вселенной существует огромное число сингулярностей.

При гибели, коллапсе гигантской массивной звезды неизбежно формируется чёрная дыра. В её центре располагается точка сингулярности, изолированная от внешнего мира виртуальной границей – горизонтом событий. Это скорее не объект, а момент времени, когда материя достигает особого состояния, подобного Большому Взрыву, только направленного в противоположную сторону. Такой процесс, происходящий при максимально возможных экстремальных условиях, характеризуется бесконечными величинами.

Внутри сингулярности происходит нечто уникально интересное. Её истинную природу определяет квантовая гравитация.

В привычном нам мире квантовая механика применяется к микрообъектам, а гравитация – к макрообъектам. В сингулярности квантовая механика и гравитация сталкиваются лоб в лоб. В этой точке пространство-время в нашем понимании разрывается.

Наука пока не способна объяснить подобную конфигурацию. Сингулярность ясно демонстрирует, что современное понимание законов природы не применимо к сверхмалым расстояниям при больших значениях плотности и энергии. Любая физическая интерпретация происходящего попросту неадекватна. Математическое описание такого состояния становится абсурдным, похожим на настойчивую, но абсолютно бесполезную попытку разделить число на нуль.

Сингулярность характеризуется настолько высоким уровнем плотности материи, что всё, попадающее в неё, неизбежно разрушается. Скрытые внутри явления не могут быть исследованы учёными даже теоретически. В столь специфичном состоянии могут проистекать самые разнообразные процессы, которые никоим образом не способны повлиять на внешний мир.

Что происходит с разрушенной материей, куда исчезает информация – на эти вопросы пока нет ответов. Ясно лишь, что когда какая-то физическая величина становится бесконечной, это может означать только одно из двух: или теория неверная, или что-то происходит совсем не так, как ожидалось.

Сингулярность надёжно скрывает свои тайны за горизонтом событий. Природа будто бы нарочно запрещает её исследование. Роджер Пенроуз¹² назвал данный факт, «гипотезой космической цензуры». Кроме того, выдвигалось предположение, что сингулярность – это точка перехода из нашей Вселенной в другие миры. Но это не более, чем очень смелая теория.

Интрига ещё больше возросла, когда выяснилось, что при определённых моделях коллапса звезды не происходит образования горизонта событий. Но сингулярность всё равно возникает. Её называют неприкрытой, или голой. В этом случае «космическая цензура» перестаёт работать.

Если проникнуть за горизонт событий можно только в одну сторону, то к голой сингулярности можно приблизиться, изучить, а потом вернуться обратно. Кроме того, из этой модели следует, что загадочные процессы, происходящие внутри сингулярности, теоретически способны оказывать влияние на внешний мир.

Указанная теория подтверждена вполне корректными математическими расчётами. Возможное существование голой сингулярности ставит с ног на голову сами основы современной науки ввиду одного крайне неприятного факта. Дело в том, что в ней нарушаются базовые принципы общей теории относительности Эйнштейна.

Голая сингулярность делает природу полностью непредсказуемой. Это малоприятный факт для науки. Если голая сингулярность может наблюдаться снаружи, то из неё в буквальном смысле слова в следующее мгновение может неожиданно появиться, например, ваш сосед, живой динозавр или старый ботинок. Когда сингулярность скрыта за горизонтом событий, тогда столь странные явления невозможны. Никто не способен преодолеть горизонт.

Но, если в природе существуют голые сингулярности, а это возможно, то «неадекватность» их поведения разрушит предсказуемость законов всего Мироздания.

Конечно, нарушение постулатов теории относительности внутри сингулярности само по себе не означает, что теория Эйнштейна неверна. Сингулярность может быть особой точкой-границей пространства-времени, где заканчивается понятная нам физическая реальность. Остаётся надеяться, что полная теория квантовой гравитации даст ответы на поставленные вопросы.

В конце концов, все мы с вами возникли из одной космологической сингулярности – Большого Взрыва. И это понимание особо располагает к дальнейшему изучению этого невероятно загадочного космического явления.

Глава 15. Чёрные дыры

В космосе очень мало массивных звёзд. Лишь одна из трёх тысяч способна стать сверхновой. Но, когда это случается, после взрыва большой звезды на её месте остается исключительно загадочный объект – чёрная дыра.

Материальные плотные остатки взорвавшейся звезды гравитационно нестабильны. При взрыве сверхновой внешняя оболочка звезды разлетается, а внутренняя масса моментально обваливается в центр и, испытывая катастрофическое гравитационное сжатие, образует чёрную дыру.

В центре чёрной дыры концентрируется столь огромная энергия и масса, что пространство-время закручивается в конфигурацию с бесконечной кривизной и образуется сингулярность. Ткань пространства-времени как бы прокалывается в этом месте.

Появляется чрезвычайно компактный объект. И вот почему.

Для того, чтобы оторваться от поверхности Земли и улететь в межпланетное пространство, необходимо достичь второй космической скорости. Она составляет примерно 11 километров в секунду. Именно такую скорость развивают при взлёте с поверхности нашей планеты современные космические корабли.

Но, если умудриться сжать Землю до размера апельсина, то для отрыва от её поверхности надо будет развить скорость в 70 тысяч километров в секунду. Это почти что 25% от скорости света.

Если продолжать сжимать Землю до того момента, когда она превратиться в маленький шарик диаметром в сантиметр, то даже луч света, имеющий скорость 300 000 километров в секунду, не сможет оторваться от её поверхности. Земля станет невидимой чёрной точкой.

Объект, который не способен излучать свет, кажется внешнему наблюдателю абсолютно тёмным. Собственно, отсюда и появилось название «чёрная дыра».

Чёрная дыра размером с апельсин в пять раз тяжелее Земли.

В традиционном описании чёрная дыра состоит из двух частей. В её центре находится объект бесконечно малых размеров, в котором не действуют законы физики – сингулярность. Вокруг имеется область пространства-времени, которую ничто, даже свет, не способен покинуть. Граница этой области – горизонт событий. Чёрная дыра посредством горизонта событий разделяет сингулярность и «обычный», классический космос, что не позволяет им влиять на причинно-следственные связи в наблюдаемом мире.

Радиус горизонта событий чёрной дыры называется радиусом Шварцшильда¹³ в честь учёного впервые рассчитавшего соответствующие уравнения. У чёрной дыры с массой Земли радиус Шварцшильда составляет всего 9 миллиметров, а с массой Солнца примерно 3 километра.

Чёрные дыры стремительно вращаются, некоторые со скоростью свыше полутора миллионов километров в час. Гравитационное притяжение чёрной дыры настолько огромно, что никакой сигнал не способен покинуть пределы радиуса Шварцшильда.

Если объект пролетает мимо чёрной дыры на безопасном расстоянии, то он отклоняется от неё, как от обычной звезды. Однако, стоит только переступить порог, называемый горизонтом событий, как тут же любое тело попадает в гравитационную ловушку и обратного пути никогда не будет.

Чёрная дыра поглощает абсолютно всё, что только существует во Вселенной. Попав в ловушку, вернуться назад невозможно. Потому что для этого необходимо превысить скорость света. А это противоречит законам физики.

Важно понимать, что, хотя горизонт событий представляет собой внешнюю границу чёрной дыры, но это не оболочка и тем более не твёрдая поверхность. Это абстрактная сфера, радиус которой тем больше, чем больше масса чёрной дыры. А сама чёрная дыра пустая вплоть до самого центра, где сконцентрировано всё её вещество.

Именно в точке сингулярности оно сжато до предельно допустимой в природе плотности.

Там в одном кубическом сантиметре содержится 10⁹³ грамм материи. Подобную плотность очень трудно себе представить.

Существует два типа чёрных дыр.

Первые – звёздные, которые я только что описал, образуются после гибели звёзд.

Но, есть и чёрные дыры второго типа – галактические. Они располагаются в центрах галактик, и их масса может составлять миллиарды солнечных масс.

Такие чёрные дыры образуются, когда вблизи галактического ядра собирается огромное количество зарождающихся звёзд. Большое скопление материи приводит к естественному образованию чёрной дыры, которая поглощает юные звёзды и постепенно наращивает свою массу. Когда «добыча» иссякает, чёрная дыра вступает в стадию относительно стабильного существования.

Наличие чёрной дыры в центре Млечного Пути установлено экспериментально. Её масса составляет около 2.5 миллиона солнечных масс.

По космическим меркам это не очень большой объект. Чёрная дыра в центре соседней Туманности Андромеды весит 30 миллионов солнц.

Астрономы обнаружили вблизи «нашей» галактической чёрной дыры звезду, которая обращается около неё со скоростью в 2% от скорости света. Это быстрее, чем скорость вращения электрона вокруг ядра в атоме. Только вообразите себе, насколько огромной должна быть сила гравитационного воздействия, чтобы целая звезда так быстро вертелась вокруг единого центра притяжения.

Но, конечно, самое необычное свойство чёрной дыры – нарушение вблизи неё привычного течения времени. Это не фантастическая гипотеза, а прямое следствие теории относительности Эйнштейна.

Гравитация вблизи чёрной дыры настолько сильная, что ход времени часов чрезвычайно замедляется. Над горизонтом событий они будут идти в десять тысяч раз медленнее, чем на Земле. В самой непосредственной близости от чёрной дыры время практически останавливается.

По часам наблюдателя может пройти лишь несколько дней, но вся остальная Вселенная состарится на сотни миллиардов лет и вступит в завершающую фазу своей эволюции. В чёрной дыре мгновение становится практически бесконечным. К этому удивительному факту я ещё неоднократно буду обращаться в ходе дальнейшего повествования.

Все чёрные дыры удивительно похожи друг на друга. У каждой из них есть всего три отличительных особенности.

Во-первых, это масса.

Во-вторых, электрический заряд.

В-третьих, скорость вращения.

И это всё. Две чёрные дыры с одинаковыми массой, зарядом и вращением совершенно неотличимы друг от друга. У них нет «индивидуальных» свойств.

Когда эти особенности чёрных дыр стали известны, многие физики были весьма озадачены. Ведь те же самые характеристики свойственны всего лишь ещё одним объектам во Вселенной. Но каким!

Именно этими свойствами – массой, зарядом и спином – отличаются друг от друга элементарные частицы. Подобная схожесть невольно заставляет выдвинуть гипотезу – а не являются ли чёрные дыры сверхмассивными элементарными частицами?

И если это так, то совершенно непонятны физические и философские последствия этого вывода.

Высказывались предположения, что чёрные дыры и элементарные частицы могут быть двумя сторонами одной медали – двумя разными аспектами фазового перехода единой материи.

Примерно аналогичное свойство присуще воде, которая может быть газообразной, жидкой и твёрдой. Стороннему несведущему наблюдателю было бы сложно догадаться, что лёд, жидкость и пар – суть одно и то же в разных фазовых состояниях. Может быть, подобный подход применим и к чёрным дырам?

Во всяком случае, никакого более вразумительного объяснения пока что не придумано.

Следует сказать ещё об одном интересном свойстве чёрной дыры. Дело в том, что её температура обратно пропорциональна массе. Это противоречит нашему повседневному опыту, но это факт.

Мы знаем, что в обычных условиях для нагревания объекта надо обеспечить его энергией. У чёрной дыры всё наоборот. Чем больше она поглощает вещества или энергии – тем сильнее она охлаждается. Кажется, что рано или поздно любая «насытившаяся» чёрная дыра должна стать абсолютно холодной. Но этот вполне логичный вывод оказался ошибочным.

В 1974 году Стивен Хокинг¹⁴ установил, что чёрные дыры не совсем чёрные, а обладают минимальной положительной температурой чуть выше абсолютного нуля. Это было потрясающее открытие с далеко идущими последствиями.

Дело в том, что любое тело, имеющее температуру, обязано излучать. Но это в корне противоречит главному качеству чёрной дыры – ничего от себя не отпускать, включая свет и вообще любое излучение. Как решить возникшее противоречие?

На помощь пришла квантовая физика. Поскольку я ещё буду детально рассказывать об этом передовом разделе современной науки, то в этой главе главное, не разобраться в квантовых законах, а просто уловить суть идей Хокинга.

Суть вот в чём.

Пустое пространство лишь кажется пустым. Вакуум постоянно вибрирует на микроуровне, в пространстве беспрестанно происходят так называемые квантовые флуктуации.

В этом динамичном состоянии постоянно рождаются элементарные частицы, которые являются парными, то есть частицей и античастицей. Время их жизни необычайно мало. Из-за того, что они парные, они почти что моментально взаимно аннигилируют, и мы не замечаем их рождения и смерти в обычных условиях.

Однако, вблизи горизонта событий чёрной дыры, условия, мягко говоря, далеки от обычных. Пара частица-античастица быстро взаимно уничтожается, если поблизости нет внешних полей, способных повлиять на их поведение. Но, рядом с чёрной дырой наблюдается сильнейшее гравитационное поле.

Оно настолько мощное, что успевает как бы выхватить одну из рождённых частиц из объятий аннигиляционной смерти, и затянуть её внутрь чёрной дыры. Вторая частица, соответственно, остаётся без пары.

Но, в отличие от захваченного партнёра, энергия гравитационного поля не втягивает её внутрь чёрной дыры, а, наоборот, отталкивает эту одинокую частицу от горизонта событий. В результате подобного «разлучения пар» со стороны кажется, что чёрная дыра непрерывно испускает излучение, названное излучением Хокинга.

До недавнего времени считалось, что если объект попал в чёрную дыру, то содержащаяся в нём информация навсегда потеряна для внешнего мира. При этом не утрачена для Вселенной в целом, что противоречило бы законам физики. Информация оказывается надёжно спрятанной за горизонтом событий. Казалось бы, что об объектах, попавших в чёрную дыру, можно забыть навечно. Ведь даже фотоны света, как потенциальные переносчики информации, не способны преодолеть её гравитационного притяжения.

Однако, не всё так одназначно.

Обращусь к такой аналогии. Представьте, что у вас есть две одинаковые по размеру фотографии. На одной изображены вы, а на другой, допустим, ваш отец. Если порвать снимки на мелкие кусочки то, на первый взгляд кажется, что перед вами лежит две одинаковых кучки мелко разорванной фотобумаги. Конечно, это не так.

Проявив усердие и терпение, вы сможете восстановить изначальное изображение, как своё, так и вашего отца. А теперь, допустим, что одну из этих фотографий вы выбросили в чёрную дыру.

Поскольку Хокинг установил, что на квантовом уровне чёрные дыры излучают, можно предположить, что всё их вещество, включая остатки фотографии непременно и бесследно испарятся. То есть, в этом случае, никак нельзя установить, кто был изображён на фотоснимке. Возникшая проблема – не философская казуистика. Всё очень серьёзно. Современная физика утверждает, что такого рода информация принципиально восстановима. Получается квантовый информационный парадокс.

Квантовое описание мира по определению точное. Это означает, что утерянная в чёрной дыре информация может быть восстановлена. Поэтому, можно попробовать зайти с другой стороны.

Как и любое другое излучение, излучение Хокинга должно переносить энергию. Следовательно, масса чёрной дыры будет пускай очень медленно, но всё же уменьшаться. Вместе с этим будет сокращаться радиус Шварцшильда.

Я уже упоминал об одном весьма необычном свойстве чёрной дыры – чем она массивнее, тем она холоднее. Соответственно, излучая, то есть становясь легче, она будет всё сильнее нагреваться.

Постоянно расходуя свою массу на рождение пар частиц, в конце концов чёрная дыра неизбежно полностью испарится, превратившись в облако излучения. А это уже что-то. Ведь любое излучение в принципе можно «дешифровать».

Из этого вытекает чрезвычайно значимый вывод: навечно отрезанные от космоса области пространства, могут вновь вернуться в реальный мир. И здесь возникают важнейшие философские вопросы.

Восстанавливается ли информация, ранее попавшая в чёрную дыру, после её квантового испарения? И если да, то в каком виде и на каком условном носителе она пребывала всё это время внутри чёрной дыры?

Каким образом и из чего она извлекается?

И здесь есть одна удивительная возможность.

Известно, что любая трёхмерная область может быть описана с помощью информации, закодированной на двумерной поверхности. Применительно к чёрной дыре – в виде информационной проекции на границе её горизонта событий. То есть там, где действуют квантовые законы.

Это решение проблемы. Если данные сохраняются на границе, они должны каким-то способом сохраняться и в трёхмерной области пространства. Поэтому информация во Вселенной может никогда не теряться.

Как видно, вопросы, связанные с ролью чёрных дыр в истории Вселенной, выходят далеко за рамки физики и астрономии.

На передний план выходят фундаментальные проблемы миропонимания: что происходит с пространством и временем в экстремальных условиях, что объединяет материю с информацией, существует ли граница познания Природы?