Олег Фейгин - Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

История умозрительного открытия гравитационных коллапсаров тесно связана с именем английского геофизика и астронома Джона Мичелла (1724–1793). Мичелл предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, он рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус около трех километров, то даже корпускулы света не могли бы покинуть такую звезду. Такая звезда казалась бы издалека абсолютно темной, вот так и родилась концепция «ньютоновской» черной дыры. Несколько позже подобные идеи высказал в своей книге «Система мира» (1796) великий французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас.Простой расчет позволил ему написать: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в 250 раз большим диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз превосходить солнечную. А поскольку дальнейшие астрономические измерения показали, что массы реальных звезд не очень сильно отличаются от солнечной, идеи Митчела и Лапласа о гравитационных коллапсарах были забыты.

Во второй раз ученые обратились к концепции черных дыр в начале двадцатого века, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений только что созданной тогда Альбертом Эйнштейном релятивистской теории гравитации — общей теории относительности. Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особыми свойствами на расстоянии гравитационного радиуса; именно поэтому данную величину часто называют шварцшильдовским радиусом, а соответствующую поверхность — горизонтом событий или шварцшильдовской поверхностью. В следующие полвека усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования коллапсары еще не рассматривались.

В конце тридцатых годов прошлого века знаменитый впоследствии своим участием в Атомном проекте физик Роберт Оппенгеймер выдвинул гипотезу, что ядро массивной звезды будет безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого описываются поверхностью Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь застывшей звездой коллапсара. Но поскольку такой объект не должен излучать электромагнитные волны, то и обнаружить его в космосе будет невероятно трудно ( рис. 11, 12цв. вкл.).

Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, и происходящие внутри застывшей звезды физические процессы не могут влиять на ее окружение. В то же время, вещество и излучение, падающие снаружи на коллапсар, свободно проникают внутрь через его горизонт.

Можно сказать, что черная дыра все поглощает и ничего не выпускает. По этой причине и родился термин «черная дыра», предложенный в шестидесятых годах прошедшего столетия видным американским физиком и космологом Джоном Арчибальдом Уилером ( рис. 13цв. вкл.).

В связи с этим можно упомянуть о гипотезе квантового испарения черных дыр, предложенной известным английским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом. Согласно этой гипотезе, черная дыра излучает как абсолютно черное тело. Излучение черной дыры связано с квантовыми флуктуациями виртуальных частиц вакуума. Эти частицы на мгновение расходятся друг от друга и тут же снова сливаются в пары. В поле тяготения черной дыры эти флуктуации могут резонировать, увеличивая амплитуду расхождения частиц. При этом одна из частиц может оказаться внутри сферы Шварцшильда и будет неудержимо падать к ее центру, а другая — вне сферы Шварцшильда и улетит в космос, унося с собой часть энергии черной дыры. В результате черная дыра будет испаряться, уменьшаться в своих размерах.

Открытие квантового испарения черных дыр произвело сенсацию, правда, в основном среди теоретиков. На практике черные дыры продолжали оставаться такими же ненаблюдаемыми, как и раньше. Объясняется это тем, что черные дыры являются неустойчивыми объектами и при своем образовании попросту исчезают из нашей Вселенной. Другое дело, что в области виртуальной геометрии вакуумные частицы могут резонировать так же, как и на обычной сфере Шварцшильда. Но этот резонанс никак не связан с гравитационным коллапсом звезд. С гораздо большим основанием его можно отнести к обычным квантовым скачкам реальных элементарных частиц из одной точки пространства в другую. А вот выбрасывание остатков вещества коллапсирующей звезды в другие вселенные действительно можно рассматривать как квантовое испарение черной дыры. Но такое испарение не имеет никакого отношения к резонансу вакуумных частиц.

В последние десятилетия развитие космологии и физики элементарных частиц позволило теоретически рассмотреть самую начальную, сверхплотную стадию расширения Вселенной, которая называется инфляционной.

Получается, что Вселенная рождалась в два приема, проходя стадию «увеличения объема», заполненного физическим полем, но не содержащего ни вещества, ни излучения, и стадию появления вещества и излучения и последующего образования из него звезд, галактик, планет и всего прочего.

До момента, который наступил примерно через миллион лет после начала расширения, Вселенная была непрозрачной для квантов света. Поэтому с помощью электромагнитного излучения нельзя заглянуть в предшествующую эпоху. На сегодняшний день это можно сделать только с помощью воображения и теоретических моделей. Очень долго (и окончательно споры еще не утихли) ученые обсуждали вопрос — почему окружающая природа состоит из материи, а не антиматерии и существуют ли антимиры во Вселенной?

В начале расширения Вселенной ее температура была столь высока, что энергии хватало для рождения пар всех известных частиц и античастиц.

Затем температура понизилась, так что почти все частицы и античастицы взаимно уничтожились — аннигилировали, превратившись в излучение. А фотоны, энергия которых к этому времени стала меньше, уже не могли порождать частицы и античастицы.

Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составлял ничтожную миллиардную долю от их общего числа. Вот именно этих избыточных протонов и нейтронов и хватило на то, чтобы сформировать вещество современной Метагалактики. Так наш мир не превратился в Антимир.