Скрываются ли другие вселенные за черными дырами?
На ранних порах космической молодости причуды пространства-времени могли создать кротовые норы, связывающие нас с обширной мультивселенной. Если это действительно так, теория может помочь объяснить, каким образом сверхмассивные черные дыры в центрах галактик так быстро достигли своих размеров, и это означало бы, что каждая из этих гигантских черных дыр скрывает внутри себя целую вселенную.
Идея о том, что наша Вселенная – всего лишь одна из ошеломительно большого количества вселенных, следует из космологической теории вечной инфляции. Эта теория была выдвинута в 1980-е годы для объяснения некоторых загадочных результатов наблюдений, которые не могла объяснить теория Большого взрыва. Она предполагает, что далеко-далеко за пределами нашей Вселенной пространство-время расширяется по экспоненте, удваиваясь в объеме каждую долю секунды. Время от времени новый «пузырь» пространства-времени выпадает из этого сумасшедшего процесса расширения, чтобы основать клочок более спокойного пространства, как сделала наша Вселенная почти 14 миллиардов лет назад. Но даже после того, как быстрое расширение заканчивается в новой вселенной, другие вселенные-младенцы продолжают рождаться в других местах, умножая распростертую во все стороны мультивселенную.
На что похоже падение в черную дыру?
При отсутствии достоверных свидетельств очевидцев в ответе на этот вопрос мы должны полагаться на теорию относительности.
Теория относительности говорит, что с точки зрения стороннего наблюдателя вы никогда полностью не упадете в дыру. По мере того, как вы (вернее, ваше изображение) приближаетесь к горизонту событий, притяжение черной дыры начнет выкидывать шутки со временем. Для внешнего наблюдателя ваш образ вместо того, чтобы стремительно падать вниз, начнет замедлять падение, все медленнее и медленнее приближаясь к горизонту событий, но никогда не достигая его до конца. Вместе с тем ваш образ «краснеет», затем «инфракраснеет», а после вообще превращается в радиоволну с постоянно растущей длиной.
Лично для вас падение будет выглядеть по-другому, но подробности нам не известны. По мере того, как вы будете приближаться к дыре, россыпь звезд и галактик на небе начнет коробиться и «синеть», становясь яркой до изнеможения. Согласно вашим часам и ощущениям, вы быстро достигнете горизонта событий. Вы можете преодолеть его без единой царапины, а можете и столкнуться с «огненной стеной» и распасться на элементарные частицы. Если вы выживете, то, вероятно, дойдете почти до центра черной дыры, где градиент силы притяжения настолько силен, что разорвет вас на куски в процессе, который получил название «спагеттификация». Но некоторые теории утверждают, что вас может выбросить через кротовую нору в новую вселенную, где, скорее всего, вашим рассказам никто не поверит.
Александр Виленкин (род. 1949) из Университета Тафтса в Медфорде (штат Массачусетс, США) и его коллеги задались вопросом: смогут ли они обнаружить признаки существования мультивселенной? Они построили математическую модель и проанализировали судьбу пузырей, образованных во время инфляции. Они обнаружили, что некоторые отделившиеся пузыри будут сформированы наполовину: в них будет продолжаться инфляция, хотя и с другой скоростью. Некоторые из них попадут в наш уголок пространства, а когда он полностью прекратит раздуваться, эти «недоделанные» пузыри прочно застрянут в нем. Нам они будут казаться черными дырами. Пузыри, образовавшиеся сравнительно поздно, будут меньше; они должны будут коллапсировать в стандартные черные дыры, внутри которых не будет ничего, кроме бесконечно плотной точки – сингулярности. Но пузыри, образовавшиеся ранее, будут больше, создавая более крупные черные дыры. Внутри этих пузырей раздувающееся пространство-время может породить свою собственную мультивселенную.
Анализ предполагает, что наша Вселенная должна иметь характерное распределение черных дыр. Чем больше масса черной дыры, тем больше таких дыр должно быть в нашей Вселенной, и так до определенного критического значения, после которого число дыр должно падать. Такой подход может помочь решить многолетнюю загадку. До сих пор астрофизикам было трудно понять, как сверхмассивным черным дырам удалось дорасти до таких размеров на столь ранних этапах космической истории. В соответствии с новой теорией большие черные дыры должны были сформироваться в первые моменты Большого взрыва как отдельные вселенные-пузыри. Эти гиганты и могли стать сверхмассивными черными дырами, которые мы видим сегодня в ядрах галактик, включая наш Млечный Путь.
Данная теория также может помочь разобраться с парадоксом потери информации черной дырой, о котором физики дискутируют уже несколько десятилетий. И, конечно, наша собственная Вселенная вполне может выглядеть как черная дыра для физиков из какой-нибудь другой вселенной.
Интервью: Стивен Хокинг
Стивен Хокинг, один из величайших физиков в мире, известен своими работами по черным дырам. В преддверии его 70-летия в 2012 году журнал New Scientist взял у него интервью по электронной почте (когда Хокингу исполнился 21 год, у него было диагностировано заболевание двигательных нейронов, и общение с ним можно было осуществить только с помощью датчика, управляемого сокращением мышц его щеки). Его ответы на вопросы дополнены комментариями журнала New Scientist.
Какое событие, с вашей точки зрения, было наиболее выдающимся в физике за годы вашей работы?
Открытие малых вариаций температуры космического микроволнового фона, сделанное космической обсерваторией COBE (Cosmic Background Explorer), и последующее подтверждение космическим аппаратом WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) того, что эти вариации прекрасно согласуются с предсказаниями теории инфляции. Космическая обсерватория «Планк» может обнаружить следы гравитационных волн, предсказанных теорий инфляции. И тогда все небо будет свидетелем справедливости теории квантовой гравитации.
[Спутники COBE и WMAP измеряли космический микроволновой фон (КМФ) – послесвечение, оставшееся от Большого взрыва, которое пронизывает все пространство. Его температура практически не меняется. Этот факт активно поддерживает теорию инфляции, которая предполагает, что вселенная в своем развитии прошла через период ускоренного расширения сразу после Большого взрыва, в результате чего все ее неровности были разглажены. Если инфляция действительно имела место, то она должна была вызвать рябь – гравитационные волны – в пространстве-времени. Они бы привели к вариациям КМФ, настолько слабым, что до настоящего времени их не обнаруживали. И после этого интервью спутник Европейского космического агентства «Планк» безуспешно искал эти волны. Предполагается, что другие создаваемые телескопы будут более точными, чем «Планк» (см. главу 5).]
Эйнштейн называл космологическую постоянную своей «самой большой ошибкой». Как вы считаете, что было вашей «самой большой ошибкой»?
Раньше я думал, что информация разрушается в черных дырах. Но AdS/CFT соответствие заставило меня изменить эту точку зрения. Это и было моей самой большой ошибкой, по крайней мере, в науке.
[Черные дыры пожирают все, что оказалось слишком близко к ним, включая информацию. Но в 1975 году совместно с израильским физиком Яаковом Бекенштейном Хокинг показал, что черные дыры медленно излучают, что приводит к их испарению и в конечном итоге к исчезновению. А что происходит с информацией, которую они поглощают? В течение нескольких десятков лет Хокинг утверждал, что информация разрушается, а это противоречило идеям непрерывности и причинно-следственной связи. Однако в 1997 году теоретик Хуан Малдасена разработал математическую теорию, упростившую подход к конформной теории поля, так называемую антидеситтеровскую модель (Anti-de Sitter/conformal field theory correspondence (AdS/CFT)). Этот подход связывает события внутри искаженной геометрии пространства-времени (как, например, в черной дыре) с более простой физикой на границах этого пространства.
В 2004 году Хокинг использовал эту теорию и показал, как информация может просачиваться назад из черной дыры в нашу Вселенную через квантово-механические пертурбации на границе черной дыры, т. е. на ее горизонте событий. Из-за этой ошибки Хокинг проиграл пари своему коллеге-теоретику Джону Прескиллу, заключенное десятилетием раньше.]
Какое открытие будет самым революционным с точки зрения нашего понимания Вселенной?
Открытие суперсимметричных партнеров известных фундаментальных частиц, возможно, на Большом адронном коллайдере (БАК). Это будет сильным свидетельством в пользу М-теории.
[Поиск суперсимметричных частиц – это главная цель БАК в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Стандартная модель физики элементарных частиц будет окончательно сформирована, когда будет найден бозон Хиггса. Но у нее есть много проблем, которые будут разрешены, если обнаружится, что все известные элементарные частицы имеют более тяжелых «суперпартнеров». Наличие суперсимметрии подкрепило бы М-теорию, 11-мерную версию теории струн, которая на сегодняшний момент является наилучшей попыткой создать теорию всего, объединяющую гравитацию с другими силами природы.]
Представьте себе, что вы – молодой начинающий физик. Что бы вы стали изучать?
Я бы хотел иметь новую идею, которая открыла бы новое поле для исследований.
