Что происходит с физикой в сингулярности
Сингулярность — это точка, где привычные законы физики перестают работать. Там всё сжимается до бесконечной плотности, пространство и время теряют смысл, а математика просто ломается. Учёные до сих пор не могут точно сказать, что именно происходит внутри чёрной дыры или в момент Большого взрыва. Одни теории предполагают, что там рождаются новые вселенные, другие — что время просто останавливается. Но пока ни одну из них не удалось проверить на практике.
Пространство-время — это сцена для всей истории Вселенной. Начиная с Большого Взрыва, через рождение Млечного Пути, Солнца и эпоху динозавров, до Александра Македонского и современных научных журналов. Часто к этому понятию добавляют слово «континуум» (от латинского «непрерывное»). Но есть места, где пространство-время обрывается. Там привычные законы физики перестают работать. Время ведет себя иначе. Ты даже не можешь сказать «здесь», потому что самого пространства нет. Это область нигде и никогда. Гравитационная сингулярность.
Притяжение геометрии
Древние греки считали пространство чем-то неизменным, постоянным и однородным, а время — циклической спиралью вечного возвращения. К эпохе научных революций эти идеи только укрепились. Декарт расчертил мир тремя перпендикулярными осями, а время превратилось в отдельную прямую линию, независимую от пространства и вообще от всего. Во многом мы до сих пор живем с этими представлениями, которые сложились еще в XVIII веке.
Рене Декарт
Эйнштейн перевернул все, поняв две ключевые вещи. Во-первых, пространство и время связаны и образуют единый континуум. Во-вторых, этот континуум не постоянен: он деформируется под действием любой энергии, в том числе массы.
Классический пример — геометрическая модель. Представь двухмерное пространство — туго натянутую сетку, на которую положили тяжелый бильярдный шар. Если запустить мимо него теннисный мяч, тот отклонится, словно притянутый шаром, или даже «упадет» на него. Гравитация по Эйнштейну — это геометрическое свойство пространства-времени, его искажение из-за энергии или массы. Даже вращающееся массивное тело увлекает за собой «сетку» пространства-времени.
Альберт Эйнштейн
Теперь мысленно расширь этот пример на четыре измерения — три пространственных и одно временное. Получится примерная геометрическая модель реального пространства-времени. Там, где есть масса или энергия, нет прямых осей координат, а время перестает быть равномерным для всех. Прямая линия — это математическая абстракция. Даже световой луч, самая прямая вещь в физике, искривляется под действием гравитации. Материя движется по прямой, но в глобальном масштабе эта прямая оказывается кривой.
Разрывая сети
А что, если бросить на сетку не бильярдный шар, а что-то тяжелее — гантель или двухпудовую гирю? Скорее всего, сетка лопнет, и в центре останутся только дыра и обрывки нитей. Примерно так выглядит сингулярность.
В философском смысле сингулярность — противоположность континуальности, то есть непрерывности. Это нечто, что происходит лишь однажды. Точка, к которой все стремилось, пока не случился уникальный исход — взрыв, слияние, освобождение. В точках сингулярности математические функции резко меняются: уходят в бесконечность, ломаются, обнуляются. Если переменная стремится к нулю, а функция от нее — к бесконечности, значит, ты в сингулярности. Там обрывается непрерывная геометрия пространства-времени и происходит нечто невообразимое.
Удивительно, но Общая теория относительности сама указывает границы своей применимости: в сингулярности она «не работает». При этом теория не только допускает существование гравитационных сингулярностей, но в некоторых случаях делает их неизбежными. Речь о черных дырах — объектах колоссальной плотности, которые при небольших размерах невероятно массивны.
Черная дыра может весить как крупная планета или как миллиард звезд. Но масса определяет лишь размер области, откуда ничто не может вырваться — ни вещество, ни излучение, ни информация. Граница этой «области невозврата» называется радиусом Шварцшильда, а ограничивает ее горизонт событий. По одну сторону — Вселенная с привычными законами, по другую — сингулярность.
Карл Шварцшильд
Гравитационная плюс космологическая
Часто говорят, что в сингулярности «законы физики теряют силу». Это не совсем так. Просто привычные законы там неприменимы, как законы классической механики неприменимы к квантовому миру. Немецкий профессор Клаус Уггл выразился красочно: поведение математических уравнений в сингулярности «становится патологическим». Заметить это можно, наблюдая за свободно падающими частицами.
Независимо от типа частицы и места падения, она стремится двигаться по максимально прямой траектории в данных условиях. В пустом космосе, у поверхности Земли или за горизонтом событий траектория меняется только под действием других сил, включая гравитацию. Но в сингулярности гравитационное поле становится бесконечным, и частица просто перестает существовать.
Прямые линии там обрываются — это называется геодезической неполнотой. А вместе с ними обрывается и судьба частицы. Еще около 40 лет назад математик Роджер Пенроуз показал, что геодезическая неполнота неизбежна внутри любой черной дыры. Позже Стивен Хокинг развил эти идеи и распространил их на всю Вселенную.
Да, в начале была сингулярность. В 1967 году Хокинг строго доказал: если взять любое решение уравнений Общей теории относительности и «развернуть» его назад во времени, в расширяющейся Вселенной мы неизбежно придем к сингулярности. Из бесконечного провала этой «космологической праматери» и распустился цветок нашего пространства-времени.
Стивен Уильям Хокинг и сэр Роджер Пенроуз
«Теоремы сингулярности Пенроуза – Хокинга» красиво доказывают, что сингулярности вообще могут существовать. Но вот что творится внутри черной дыры или что было до Большого Взрыва — об этом они молчат. Возьмем космологическую сингулярность по Хокингу. По идее, у нее одновременно бесконечная плотность и бесконечная температура. Только вот совместить их никак не выходит. Бесконечная температура означает бесконечную энтропию, то есть полный хаос. А бесконечная плотность, наоборот, говорит о том, что хаос стремится к нулю. Сплошное противоречие.
Сингулярность оголяется
И это далеко не единственная странность. На основе общей теории относительности физики выдвигают и другие диковинные гипотезы. Например, идея «голых сингулярностей» — тех, что не спрятаны за горизонтом событий и теоретически видны снаружи.
Некоторые считают, что голая сингулярность может появиться из обычной черной дыры. Если дыра вращается слишком быстро, сингулярность вместо точки превращается в кольцо — тор, окруженный горизонтом событий. Чем быстрее вращение, тем ближе друг к другу внутренний и внешний горизонты. В какой-то момент они могут слиться и исчезнуть вовсе.
В реальности голую сингулярность пока никто не видел. Зато в фантастике она встречается сплошь и рядом. В культовом сериале «Звездный крейсер «Галактика» одна из колоний разумных существ вращается не вокруг звезды или планеты, а как раз вокруг такой голой сингулярности.
Кстати, Роджер Пенроуз придумал принцип космической цензуры. Согласно ему, голых сингулярностей во Вселенной вообще быть не может. Ученый сформулировал это образно: «Природа не терпит голых сингулярностей». До сих пор этот принцип никто не доказал и не опроверг окончательно.
Как (не) попасть в сингулярность
Если рассуждать логически, то оказаться внутри сингулярности мы не сможем никогда — разве что в момент гибели Вселенной. Представьте частицу, которую затягивает в черную дыру. Она ускоряется, летит по спирали. Чем сильнее гравитация и выше скорость, тем сильнее замедляется время — это из уравнений Эйнштейна. Наконец частица пересекает горизонт событий.
Сколько времени это заняло? Для стороннего наблюдателя — годы. А вот когда частица летит уже к сингулярности в центре, пространство-время вокруг нее буквально сходит с ума. Время для частицы почти останавливается. А если смотреть наоборот — время Вселенной для нее ускоряется до бесконечности.
Но черные дыры не вечны. Еще в 1970-х Стивен Хокинг показал, что из-за сложной игры гравитации и квантовых эффектов у горизонта событий дыры понемногу испаряются и рано или поздно исчезают. Может, и частица исчезнет, так и не долетев до сингулярности. Но тут возникают парадоксы почище алисиных в Стране Чудес. Например — где тогда вообще находится эта частица?
С точки зрения теоретической физики, черные дыры пустые. Горизонт событий есть, а за ним — ничего, что можно было бы измерить или зафиксировать. Значит, нет ничего вообще. Вся масса черной дыры сосредоточена в сингулярности — бесконечно малой точке, окруженной сферой почти метафизической тьмы.
Что у нее внутри?
Некоторые теоретики считают, что Вселенная не терпит не только голых сингулярностей, но и разрывов пространства-времени. Поэтому каждая сингулярность — это червоточина. Провал, туннель, который соединяет одну область мира с другой коротким путем. В народе это называют «кротовой норой». Правда, это всего лишь гипотеза. И непонятно, появится ли у нас когда-нибудь возможность ее проверить.
Главный вопрос остается открытым: что там, внутри сингулярности? Что происходит, когда сама ткань пространства-времени мнется, растягивается, дыбится и в конце концов рвется? Ответ простой: неизвестно.
