1.2. Сингулярности и черные дыры

Начну с сингулярности. Слово это означает просто «единство», и видов сингулярности очень много. Я сейчас буду рассматривать гравитационную и космологическую сингулярность. Об остальном можете почитать на досуге, если любопытно.

Итак, космологическая сингулярность – это состояние Вселенной до момента Большого взрыва, то есть ДО того, как она стала расти. Ученые не могут никак собрать уравнения этого момента, которые описывали бы пространство и время. Они вообще стараются не говорить про сингулярность точными терминами. Догадки, предположения, неявные формулировки – пожалуйста. Короче, она всех конкретно заинтриговала и, хотя никто ничего точно не знает, пользуются ею вполне успешно.

Расчеты говорят, что в космологической сингулярности материя бесконечно плотная и бесконечно горячая. И это же становится противоречием. Сейчас объясню почему.

Температура возникает, когда частицы бьются друг о друга. То есть если происходит столкновение частиц с выделением какой-то энергии. Так вот, в бесконечно плотном веществе места, чтобы двигаться, у частиц нет, а значит, биться они друг о друга не могут и температуре просто неоткуда взяться.

Давайте для наглядности представим бильярдный стол – это будет пространство, а шары выступят в роли частиц. При ударе двух шаров повышается температура системы, то есть стола и шаров. Бесконечная плотность – это ситуация, когда весь стол плотнячком забит этими шарами, и даже между ними что-то вроде песка. Смогут шары биться друг об друга? Фигушки. Откуда тогда температуре взяться? Правильно, неоткуда. А вот по уравнениям она там есть. И не какая-то там приемлемая, а целая бесконечность… А еще бесконечная плотность означает, что вещество настолько плотное, что даже объема не должно занимать. То есть это со всех сторон точка безразмерная – пространства в принципе может и не быть в такой точке, и сама эта точка может не находиться в пространстве, как мы его понимаем. Да, свихнуться можно.

Ладно, поехали дальше. Мы уже понимаем, что в первой главе говорили именно о космологической сингулярности.

Что там со вторым типом сингулярности, который мы рассматриваем? Это уже гравитационная сингулярность, и она мне представляется немного лайт-версией сингулярности космологической. Суть в том, что она может находиться внутри нашего пространства-времени. То есть даже не может, а вполне себе находится. В черных дырах. Недавно и снимки были, и детекторы фиксировали волнения пространства. Раньше не все верили в то, что эти черные дыры вообще существуют, а недавно появились неопровержимые улики.

Так вот, что такое черные дыры и что там за сингулярность? Давайте так скажу: сингулярность – это конец черной дыры, если он вообще существует. Поэтому давайте сначала разберемся с черными дырами и потом подойдем к сингулярности.

Помните дядьку Эйнштейна? Так вот, он нам рассказал, что пространство нельзя рассматривать без времени, и стал говорить пространство-время. Потом он сказал, что тела, которые обладают массой, это пространство-время гнут. И чем тяжелее тело, тем больше гнет. Часто это объясняют таким образом: представьте, что вы взяли покрывало и растянули его с кем-то на весу. Теперь представьте, что это пространство-время. Да, для этого бы пришлось быть пятимерными существами, но просто представьте, что это покрывало – пространство-время. Теперь в середину этого покрывала можно положить арбуз. Этот арбуз будет обозначать тяжелую звезду какую-нибудь. Покрывало прогнулось под тяжестью арбуза. Рядом положите яблоко. Яблоко скатилось к арбузу. Так Эйнштейн представлял себе гравитацию. Для понимания этого пока достаточно.

Так вот, черная дыра образуется там, где мы положим что-то очень тяжелое. Настолько, что покрывало просто порвется. Строго говоря, конечно, порвется оно или просто растянется бесконечно вниз – это еще не до конца понятно, но разница для нас пока очень мала. Суть в том, что черная дыра так сильно прогибает пространство-время, что даже свет из нее не может выбраться. Все, что окажется на определенном расстоянии от черной дыры, падает в нее. И здесь мы можем только догадываться, что вещество внутри черной дыры, так же как и в космологической сингулярности, бесконечно плотное. Но это пока никем не доказано, и научное сообщество может закидать нас тапками за такие высказывания, так что тсс…

Так что это за расстояние такое? Вообще, черная дыра окружена горизонтом событий. Кстати, как раз его тень и сфотографировали недавно, а вовсе не черную дырку в пространстве-времени. На этом горизонте событий и заканчивается возможность избежать падения в обычную черную дыру.

И тут Остапа понесло… Ученые придумали вращающиеся черные дыры и вот тут уже нашли возможность избежать печальной участи. Там целых два горизонта событий: внешний и внутренний, и из-под внешнего еще как-то можно смотаться. Эти способы теоретически должны сработать, но пока, ясен пень, никто ничего не проверял. Уже до дыр заездили пример с водоворотом, но если вы дочитали до этого места, то наверняка не слышали о нем. Итак, представьте, что человека на лодке начинает засасывать в водоворот. Что делать? Грести против течения? Не стоит – водоворот сильнее. Нужно, наоборот, грести по течению, набрать скорость и уже в конце немного свернуть от центра воронки. Этакий маневр. В случае с черной дырой ученые говорят, что что-то такое тоже сработает.

Еще они пытаются провернуть хитрые штуки с законом сохранения импульса. Вкратце расскажу. Импульс – это то, как мы мерим движение какого-то тела, обладающего массой. В формуле у нас импульс равен массе тела, умноженной на его скорость. Это все имеет вектор направления, то есть величина вполне себе направленная. Так вот, закон сохранения этого импульса говорит, что сумма импульсов в системе равна нулю. В конце эпохи Великого объединения произошло отделение сильного ядерного воздействия от первичного взаимодействия, которое удерживает ядра вместе. Ученые придумали разделить тело, которое падает в черную дыру, на две части. Тогда одна часть начнет падать в черную дыру с каким-то ускорением, а вторая-то в соответствии с этим самым законом получит такой же импульс, но в обратную сторону, то есть вылетит из черной дыры. Прямо как в «Интерстелларе»^[4], да.

Напридумывали ученые черных дыр, а нам теперь их как хочешь, так и понимай. Кстати, та, обычная, черная дыра называется Шварцшильдовской, а та, которая вращается, – черной дырой Керра. Ну так, для справки.

А вот теперь можно сказать, что сингулярность и есть та точка черной дыры, которая находится в центре внутри горизонта событий. И все, что попадает в черную дыру, падает именно туда. Там меняется пространство-время. Как раз Шварцшильд и Керр нашли решения для разных типов черных дыр. Поверьте, это настолько мозгодробительный матан, что без серьезной подготовки туда лучше не соваться.

В принципе, черной дырой может стать вообще все что угодно. Нужно только хорошенько сжать. Для каждой массы есть свой радиус горизонта событий. Для наглядности: простая черная дыра образуется, если нашу Землю сжать в шарик с радиусом в 1 сантиметр. Представьте: сжать планету в горошину. Как-то так.

Как это происходит? Обычно что-то либо сталкивается, либо взрывается.

Если столкнуть что-то достаточно сильно, то можно получить огромную массу на маленьком участке пространства-времени. То есть берем два кирпича и сталкиваем их друг с другом так сильно, что они сплющиваются до очень маленьких размеров. Если Землю надо сжать до горошины, то два кирпича вообще нужно сжать до такого радиуса, что даже под микроскопом не увидишь. Но если вдруг Чак Норрис это сделает – получится черная дыра.

А со взрывом все немного интереснее. Представьте себе взрыв. Удивительно, но мало кто задумывается, что взрыв направлен не только наружу, но и внутрь себя. Все тот же закон сохранения импульса. Если что-то улетает наружу, то что-то должно вдавливаться внутрь. И тут работает та же схема. Главное, сдавить до нужных размеров.

Ну что, разобрались? Готовы к сладенькому?

Помните, я говорил, что из-под горизонта событий уже не выбраться?

Так вот, Хокинг утверждал, что это вполне возможно. Только вещество будет не структурированным. Но в целом черная дыра, по его мнению, будет что-то излучать до тех пор, пока не «иссякнет». Принцип, кстати, тот же, что и с разделяющимся телом и вращающейся черной дырой. Так вот, по его словам, черная дыра с массой нашего Солнышка будет испаряться таким образом около 10⁶⁶ лет. Вселенной в этом году около 10¹⁰, не забудьте написать поздравительную открытку!

Но на самом деле это не совсем собственное излучение черной дыры. Дело в том, что на горизонте событий уже довольно хорошо гнется пространство-время, хотя это и не сравнится с сингулярностью. Изгибы пространства-времени – это довольно большая энергия. А в довольно больших энергиях теоретически могут возникать пары частиц и античастиц. Как и в самом начале Вселенной, энергия выпадет в осадок массой. И из двух этих частиц одна, как в «Интерстелларе», должна упасть внутрь черной дыры, а вторая в соответствии с законом сохранения импульса улетит вдаль от горизонта событий.

Пока мы не видели излучения Хокинга ни в один телескоп, но надежды не теряем.

Черным дырам в целом и излучению Хокинга в частности будет посвящен следующий раздел книги, а пока мы познакомились с понятиями сингулярности, и можно переходить к истории Вселенной. Что было после Большого взрыва? Не сразу же зажглись звезды и появились планеты? Конечно, нет.

1.3. Что было дальше? Эволюция Вселенной

В первые секунды после Большого взрыва произошло очень много всего. Вкратце: самый ранний момент, который поддается описанию, – Планковская эпоха. Температура и плотность вещества еще слишком высокие, а радиус Вселенной слишком мал, чтобы хоть как-то вещество было веществом. Мы пока ничего не знаем на практике, потому что планковские величины считаются предельными в современной науке, и даже Большой адронный коллайдер^[5] не может достичь таких значений. Так что Вселенную в тот момент можно представлять себе только по расчетам. Эта эпоха длилась ровно одно планковское время^[6] – самую маленькую величину времени, которая имеет какой-то физический смысл. В цифрах это 10^–43 секунды.

Так вот, после Планковской эпохи пошел отдельный отсчет эпохи Великого объединения, но о ней мы тоже мало что можем сказать: только то, что это гравитация за горизонтом событий, от всех взаимодействий отделилась гравитация и нарушилась однородность плотности материи. Длилась эта эпоха с 10^–43 по 10^–35 секунду, плотность материи упала на 18 порядков, а температура – на 5. В конце эпохи Великого объединения произошло отделение сильного ядерного взаимодействия, которое удерживает ядра вместе, от какого-то первичного общего взаимодействия, которое мы все еще не до конца понимаем. Ядер, правда, тогда еще не было, но начинать с чего-то надо.

И в это же время начался этап инфляции. Это мы уже обсуждали. Из-за отделения гравитации само пространство таки расперло во все стороны, и вместе с ним то самое очень горячее и очень сжатое вещество размазало повсюду. Так оно и остыло. Помните, если в детстве чай был очень горячим, бабушка или родители переливали его в блюдечко, и там он остывал быстрее. Примерно так же было и с веществом. Только чай охлаждался в рамках одного и того же жидкого состояния, а во Вселенной вещество переходило из фиг пойми какого состояния планковской эпохи сначала в кварк-глюонный суп, который состоял из кварков и глюонов (кварки – это самые маленькие элементы вещества, о которых мы сейчас знаем, а глюоны