Феномен черных дыр уже не первое десятилетие будоражит воображение ученых и любителей науки по всему миру, пройдя путь от теоретического следствия уравнений до доказанного астрофизического факта. Однако математический аппарат общей теории относительности Эйнштейна предсказывает существование еще более загадочного объекта, выступающего зеркальным отражением черной дыры во времени — белой дыры. В новом материале ведущий научно-популярного канала PBS Space Time подробно разбирает, как устроена геометрия этих гипотетических структур, почему законы термодинамики мешают их формированию и как они могут быть связаны с рождением нашей собственной Вселенной.
🌌 Зеркальные близнецы Эйнштейна: что такое белая дыра 0:03
Когда общая теория относительности только зародилась, физики сомневались, стоит ли воспринимать буквально математическое описание областей пространства-времени, из которых невозможно спастись. С тех пор астрономы получили неопровержимые доказательства реальности черных дыр, обнаружив их в квазарах, рентгеновских двойных системах и в самом центре Млечного Пути. Тем не менее, те же уравнения описывают объекты, чья связь с реальностью до сих пор остается под большим вопросом, и один из них — белая дыра.
Белая дыра является противоположностью черной дыры в самом буквальном математическом смысле, представляя собой черную дыру, обращенную во времени. Если черная дыра определяется как область пространства-времени с односторонней границей (горизонтом событий), внутрь которой все затягивается и откуда ничего не может сбежать, то белая дыра — это область, откуда все пространство-время стремится наружу. Ее горизонт событий действует как абсолютный барьер для входа, а не для выхода: ничто снаружи не может проникнуть внутрь, а все, что находится внутри, обязано быть выброшено во внешнюю Вселенную.
Поскольку даже свет не способен покинуть черную дыру, она остается темной. В случае с белой дырой ситуация зеркальна: свет может только покидать ее пределы, поэтому такие объекты должны невероятно мощно излучать, и эпитет «белая» является даже некоторым преуменьшением их яркости. Прежде чем развивать чрезмерный оптимизм по поводу их поиска, ведущий канала PBS Space Time подчеркивает, что белые дыры, скорее всего, являются лишь плодом математического воображения, хотя и крайне полезным для понимания космологии.
🧮 Метрика Шварцшильда и феномен вечной черной дыры 2:28
Концепция белых дыр возникла в самых первых математических моделях черных дыр. Всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, немецкий физик Карл Шварцшильд нашел точное решение его уравнений для частного случая — одиночной точечной массы в абсолютно пустом пространстве.
Полученная метрика описывает простейшую из возможных черных дыр:
- Она лишена вращения (спина).
- Она не имеет электрического заряда.
- Она является статичной и вечной, то есть не растет, не сжимается и существовала всегда.
Поведение пространства и времени на горизонте событий и под ним в такой модели выглядит парадоксально. Для внешнего наблюдателя любое событие на горизонте, включая падение туда какого-либо объекта, происходит бесконечно далеко в будущем. Однако для самого падающего объекта после пересеченияльного горизонта метрика Шварцшильда показывает, что пространство и время меняются своими ролями: пространственные координаты становятся временеподобными, а сингулярность превращается не в центральную точку, а в неизбежный момент будущего.
В реальном мире черная дыра формируется в результате гравитационного коллапса ядра массивной звезды, из-за чего сингулярность возникает в будущем, а в прошлом на ее месте находилась обычная звезда. Но если мы возьмем идеализированную вечную черную дыру и начнем математически прослеживать метрику Шварцшильда назад во времени, то обнаружим вторую сингулярность, скрывающуюся бесконечно далеко в прошлом. Таким образом, сингулярность вечной черной дыры одновременно присутствует как в бесконечном будущем, так и в бесконечном прошлом.
🗺️ Диаграмма Пенроуза: картография пространства-времени 4:40
Для наглядного представления столь сложной геометрии физики используют специальный инструмент — диаграмму Пенроуза. На этой схеме оси пространства и времени переопределяются и объединяются в новые координаты, которые буквально сжимают (компактифицируют) бесконечное пространство-время. В результате края диаграммы соответствуют бесконечному прошлому и будущему, а линии постоянного расстояния изгибаются так, что пути световых лучей всегда проходят под строгим углом в 45 градусов.
Если на такой карте разместить вечную черную дыру, ее горизонт событий превратится в линию под углом 45 градусов, обозначающую постоянное расстояние от центра. Область за этой линией представляет собой внутреннюю часть черной дыры, где координаты пространства неудержимо текут к сингулярности будущего. Нанеся на диаграмму Пенроуза прошлую составляющую вечной черной дыры, ученые обнаруживают ее зеркальное отражение — область, где все процессы инвертированы во времени.
В этой зеркальной области сингулярность оказывается событием прошлого, а пространство течет не к ней, а в противоположную сторону — наружу. Любой объект или луч света внутри этой зоны на диаграмме вынужден двигаться только вверх, покидая внутренние пределы и выходя во внешнюю Вселенную. Эта область прошлого вечной черной дыры технически и является белой дырой.
Ведущий канала PBS Space Time выделяет две ключевые причины, почему этот тип белых дыр недоступен для наблюдений:
- Световые лучи, покидающие прошлую белую дыру, физически не могут дойти до наблюдателя, так как им потребовалось бы преодолеть бесконечный промежуток времени.
- В реальном мире не существует «вечных» черных дыр, поскольку Вселенная имеет конечный возраст и не начиналась с готовых черных дыр.
⚖️ Термодинамика против относительности: проблема энтропии 8:38
Несмотря на ненаблюдаемость вечных белых дыр, сама их математика абсолютно легитимна и строго подчиняется общей теории относительности, которая симметрична по отношению к направлению времени. Если физический процесс возможен в прямом направлении времени, уравнения позволяют ему происходить и в обратном. Из этого возникает вопрос: могут ли новые белые дыры формироваться в процессе эволюции Вселенной?
Теоретически это возможно, но для создания белой дыры потребуется нарушить или обойти другой фундаментальный закон природы — второй закон термодинамики, который постулирует непрерывный рост энтропии, то есть меры хаоса и разупорядоченности. Именно этот закон задает так называемую «стрелу времени» в нашей Вселенной, и для обращения времени вспять необходимо локальное уменьшение энтропии.
Уменьшение энтропии технически возможно, поскольку термодинамика носит статистический характер, и во Вселенной иногда случаются крайне редкие микроскопические флуктуации в сторону порядка. Как отмечает автор видео, теоретически можно представить масштабное падение энтропии, которое привело бы к эффективному обращению времени и формированию белой дыры. Однако такой объект был бы крайне нестабилен и мгновенно взорвался бы колоссальной вспышкой энергии, как только энтропия возоновила бы свое обычное движение в сторону увеличения.
💥 Большой взрыв и мосты в альтернативные вселенные 10:09
В физике существует гипотеза, согласно которой сам Большой взрыв мог стать результатом аналогичного, невероятно редкого и масштабного падения энтропии. С математической точки зрения Большой взрыв удивительно похож на белую дыру: он представляет собой стремительно расширяющийся поток пространства-времени, содержащий колоссальную энергию, в который невозможно войти извне, так как он целиком остался в нашем прошлом. Принципиальное различие заключается в отсутствии у Большого взрыва точечной сингулярности в пространстве — он произошел одновременно везде.
Тем не менее, эта концепция открывает простор для смелых космологических моделей. Так, существует гипотеза, что в момент формирования черной дыры на ее «обратной стороне» рождается белая дыра, через которую выбрасывается вся поглощенная энергия. Известный физик-теоретик Ли Смолин развивает этот тезис еще дальше: по его мнению, возникающая белая дыра становится Большим взрывом для совершенно новой, «дочерней» вселенной.
Более того, математический анализ метрики Шварцшильда при ее максимальном расширении преподносит еще один сюрприз. Уравнения описывают полностью независимый, параллельный регион пространства-времени, который выглядит как идентичная альтернативная вселенная на другой стороне черной дыры. Доступ в этот зеркальный мир лежит через пространственно-временной коридор, математически именуемый мостом Эйнштейна — Розена, который в массовой культуре и современной физике прочно закрепился под названием кротовой норы или червоточины.
