Что нас ждет внутри черной дыры? Неизбежная смерть от расплющивания, врата в другие вселенные или необъятные многомерные библиотеки с бесконечным объемом информации? Или, может быть, мы все находимся внутри одного из этих объектов, как утверждают некоторые физики?

Сверхмассивная черная дыра в представлении художника

Общая теория относительности Эйнштейна оказалась чрезвычайно успешной. Она никогда и никого не подводила. Однако науке известно, где она не работает – внутри черных дыр и во время Большого взрыва. Оба этих «сбоя» связаны с сингулярностью – бесконечной плотностью задействованной материи. Названные космические феномены обладают математическим сходством, которое побуждает некоторых физиков верить, что Большой взрыв – это ничто иное как сингулярность невероятных размеров черной дыры. Попробуем разобраться, насколько безумно это предположение.

Большой взрыв в представлении художника

Начнем с черной дыры. В неё может превратиться любой кусочек материи, если его сжать до определенного предела. В рамках общей теории относительности это точка с бесконечной плотностью, окруженная горизонтом событий. Последний можно описать как поверхность, образованную потоком пространства, движущимся со скоростью света. Ничто не способно плыть против этой «реки». Для стороннего наблюдателя черная дыра выглядит как не испускающий никакого света провал посреди космоса, так как из-за горизонта событий ничто не способно выбраться.

Радиус Шварцшильда для Земли

У Вселенной также имеются сингулярность и горизонт событий. Первой является Большой взрыв – момент времени в начале её существования, когда вся материя была сжата до бесконечной плотности и все её точки накладывались друг на друга. После этого пространство начало расширяться и делает это до сих пор. Описанная экспансия дает нам горизонт событий. Если космос расширяется во все стороны равномерно, то отдаленные области Вселенной должны удаляться от нас быстрее скорости света. Это означает, что на определенном расстоянии имеется «поверхность», служащая пределом наших наблюдений – за неё мы не сможем заглянуть никогда, даже при самом большом желании. Это так называемый космологический горизонт событий.

Космологический горизонт событий

С ним все не так просто, как выглядит по предыдущему описанию. Мы можем видеть свет от объектов, находящихся за ним, если он был испущен до пересечения этой воображаемой линии. Кроме того, из-за ускорения расширения Вселенной космологический горизонт событий находится ближе, чем точка, где рецессия равна скорости света. Результат, однако, от этого не меняется: мы не сможем увидеть события, происходящие в данный момент времени за обозначенным пределом.

Если говорить об отличиях между черной дырой и Вселенной, то самое очевидное заключается в следующем: в первом случае сингулярность – это точка бесконечной плотности в пространстве, а во втором - это время бесконечной плотности, захватывающее все пространство. Но эта разница не так уж велика, как кажется на первый взгляд. В обоих случаях сингулярности занимают все пространство, только у Большого взрыва она существует в прошлом, а у черной дыры в будущем. Здесь, естественно, должно последовать объяснение.

В общей теории относительности движение объектов описывается с помощью так называемых «геодезических». Так именуются кратчайшие пути, по которым можно пройти через искривленный пространственно-временной континуум. В некотором смысле геодезические формируют сетку, определяющую структуру пространства-времени. Мы можем отследить эту кривую, например, для подброшенного в воздух мяча – от точки подлета до места приземления.

Но траекторию можно провести и дальше – например, сквозь планету и до возвращения мяча в исходную точку. Более того, геодезическую можно продолжить в бесконечное будущее или в прошлое вплоть до Большого взрыва. Она определена для всех времен, причем вне зависимости от того, где находится мяч. Геодезические, как правило, просто не заканчиваются. Если не считать сингулярности, которые в общей теории относительности рассматриваются как конечные точки этих кривых. Все геодезические во Вселенной сходятся внутри Большого взрыва, который занимал все пространство. В прошлом.

Черная дыра содержит будущую сингулярность. Это совсем не значит, что все мы когда-нибудь попадем в неё. Просто для всего пространственно-временного континуума, оказавшегося за горизонтом событий, оттуда нет выхода. Это точка невозврата. Конец.

Большой взрыв (слева) и черная дыра и гравитационная сингулярность (справа)

Как добиться того, чтобы черная дыра больше походила на Вселенную? Нужно сделать то, что в ней находится, математически неотличимым от содержимого Вселенной. Первый шаг – это отправить данную сингулярность в прошлое. Черная дыра с обращенным параметром времени – это белая дыра, которая полностью вписывается в уравнения Эйнштейна. Горизонт событий этого объекта является полной противоположностью такового у черной дыры – его можно пересечь только изнутри наружу.

Пространство вырывается со скоростью света через горизонт событий, и это уже чем-то напоминает Вселенную – прошлую космическую сингулярность, в которую невозможно попасть извне. Но у белой дыры существует «внешняя сторона», которая выглядит как яркая точка посреди космоса. Её сингулярность отличается от сингулярности самой белой дыры. С другой стороны, любой наблюдатель, находящийся внутри объекта, даже не догадывается об этом. Может ли он считать, что находится внутри обычной вселенной?

Несмотря на заявленные выше сходства, содержимое белой дыры вовсе не похоже на таковое у Вселенной. Прежде всего, оно состоит из чистого пространства-времени. Материи там нет от слова «совсем». К тому же оно чрезвычайно неоднородно. Кривизна по мере приближения к сингулярности меняется очень резко. В то же время Вселенная, как считается, однородна – материя и энергия распределены равномерно, а в начале её существования это единообразие было практически абсолютным. Кривизна пространственно-временного континуума здесь почти не просматривается, поэтому нет и безумных приливных сил.

Александр Фридман

Пространство-время нашей Вселенной описывается метрикой Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уолкера. И уже найден способ поместить её в черную или белую дыру таким образом, чтобы наблюдатели, находящиеся внутри названных объектов, не могли заметить разницы. Первое «реалистичное» математическое описание процесса формирования черной дыры было составлено в 1939 году Робертом Оппенгеймером. Тем самым, который прославился созданием атомной бомбы. Ученый совместно со своим учеником Хартландом Снайдером предложил модель коллапса звезды, представив её как сферическое облако материи с идеально однородной плотностью и нулевым давлением. Объект «схлопнулся» под воздействием собственной гравитации, вокруг него образовался горизонт событий, однако внутри вещество осталось единообразным, а пространство-время плоским до момента появления сингулярности. В настоящих звездах, все, конечно же, совсем не так. Внутри них очень большое давление, и плотность по мере приближения к центру заметно увеличивается. Тем не менее, решение Оппенгеймера-Снайдера дало науке первые представления об образовании черных дыр.

Но здесь примечателен другой аспект. Предположение об однородности и нулевом давлении было сделано Александром Фридманом, впервые решившим уравнения Эйнштейна для всей Вселенной, и на нем, собственно, строится метрика Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уолкера (FLRW). В принципе, пространство-время коллапсирующей звезды можно описать, вставив метрику FLRW в метрику Шварцшильда. Это будет работать даже после образования горизонта событий черной дыры. В этом случае мы получим внутреннее содержимое черной дыры, которое выглядит как плоское пространство внутри коллапсирующей звезды.

Эта теория работает одинаково и для черной дыры, и для белой. Перевернув ось времени, мы получим белую дыру, содержащую «пузырь» расширяющегося пространства. При достаточно крупном размере она могла бы выглядеть как наша Вселенная. Все это было описано индийским физиком Раджем Патрией в 1972 году в «Космологии черных дыр». Насколько известно, его логические построения так никто до сих пор и не опроверг. Также сформулирована идея «Космологического естественного отбора», согласно которой вселенные – это белые дыры, образовавшиеся после коллапса черных дыр. Её автором является американский физик-теоретик Ли Смолин. Согласно этому представлению, черные дыры не образуют сингулярности, а создают новые пространственно-временные континуумы из белых дыр, которые впоследствии порождают черные дыры, и так до бесконечности.

Итак, для ответа на поставленный вопрос, то есть о том, действительно ли мы можем находиться внутри черной дыры, осталось добавить последний ингредиент. В 1999 году Стивен Хокинг показал, что если черная дыра теряет ровно столько же массы посредством излучения Хокинга, сколько поглощает (в качестве источника вполне сгодится реликтовое излучение), грань между белой и черной дырой фактически стирается. Они могут считаться одним и тем же объектом. В общем, если сложить воедино идею о том, что белые дыры могут выглядеть как наша Вселенная, и аргумент Хокинга, который приравнивает белые дыры к черным, мы можем весьма окольным способом прийти к выводу, что можем находиться в черной дыре.

Понятно, что Вселенная с огромной долей вероятности не является ни черной, ни белой дырой. Однако чисто теоретически такая возможность все же существует. Чтобы научная общественность стала относиться к ней сколь-нибудь серьезно, нужны хоть какие-то доказательства. А пока их нет, мы можем воображать все, что угодно. Например, что за горизонтом нашей черной или белой дыры существует ещё одна Вселенная, обитатели которой тоже задаются вопросом, сформулированным в заголовке этой статьи. И так до бесконечности. Что в результате? Очень сложная «матрешечная» мультивселенная, состоящая из несметного числа вложенных друг в друга черных дыр.