Переменчивая скорость света, существование неизведанных миров внутри черных дыр и форма Вселенной, напоминающая бублик, — вот три захватывающих научных гипотезы, которые переворачивают наше представление о космосе.
1. Чёрные дыры порождают внутри себя новые миниатюрные вселенные
Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики М 87, снимок Event Horizon Telescope. Изображение: EHT Collaboration
Чёрная дыра представляет собой участок пространства-времени, в котором гравитация достигает такой колоссальной силы, что ни вещество, ни даже свет не способны преодолеть её границы. Когда массивные звёзды завершают свой жизненный цикл, они под воздействием собственного веса сжимаются в сингулярность — центральную точку чёрной дыры, обладающую бесконечной плотностью. Любой объект, оказавшийся в гравитационной ловушке, неизбежно устремляется к этой сингулярности.
Поскольку в сингулярности из-за её запредельной плотности перестают действовать привычные физические законы, ни один учёный не способен достоверно описать происходящие там процессы. В результате исследователи выдвигают самые необычные гипотезы.
Физик-теоретик Ли Смолин из Университета Ватерлоо поистине умопомрачительную теорию. Согласно ей, внутри чёрных дыр могут зарождаться собственные мини-вселенные.
Вот в чем заключается основная идея. Когда звезда коллапсирует в черную дыру, внутри ее сингулярности происходит квантовый переход, порождающий новую вселенную с иными физическими законами. В этой вселенной свои значения космологической постоянной, постоянной Планка, гравитационной постоянной, скорости света (если она вообще существует), абсолютного нуля температуры и прочих фундаментальных параметров.
Те вселенные, в которых условия оказываются благоприятными для формирования черных дыр, продолжают порождать новые вселенные. Если же в очередной сингулярности получилось так, что в ее карманной вселенной даже материя не может толком сформироваться, то она не проходит естественный отбор. Такая вселенная будет существовать в зачаточном состоянии, пока черная дыра не испарится.
Смолин эту теорию «естественным отбором», поскольку данный процесс приводит к тому, что физические параметры в «успешных» вселенных, где много черных дыр, постепенно закрепляются. Такие вселенные «выживают» и «размножаются». Все как по Дарвину.
Эта теория может объяснить, почему наша Вселенная кажется «тонко настроенной» для возникновения материи и жизни. Просто ее менее успешные «сестры» не производят «потомства», поэтому имеют тенденцию к «вымиранию». А наша Вселенная — хорошая, прошедшая «естественный отбор».
2. Скорость света не является константой
Вид на Солнце с МКС. Изображение: NASA
С школьных времен нам известно незыблемое правило: в вакууме свет со скоростью 299 792 458 метров в секунду. Эта цифра считается фундаментальной константой, и ничто не может превысить этот предел. Однако Жуао Магейжу, физик-теоретик из Имперского колледжа Лондона, совместно с Ниайешем Афшорди из Университета Ватерлоо в Канаде смелую гипотезу, согласно которой скорость света могла меняться на ранних стадиях существования Вселенной.
Дело в том, что ученые до сих пор не могут объяснить, почему космос выглядит настолько однородным, а реликтовое излучение одинаково во всех направлениях, хотя противоположные участки Вселенной, из-за колоссальных расстояний, должны были быть изолированы друг от друга.
Для решения этой загадки исследователи разработали теорию инфляции. Согласно этой теории, ранняя Вселенная была гораздо меньше, что позволяло температурам выравниваться. Затем произошло резкое расширение — этот этап и называют инфляцией, — и процесс расширения продолжается по сей день, хотя и не с такой интенсивностью.
Магейжу и Афшорди удалось найти альтернативное толкование этому явлению. В рамках их гипотезы нынешняя однородность Вселенной объясняется тем, что в прошлом максимально допустимая скорость в ней была совершенно иной. Согласно их вычислениям, на ранних этапах, когда космос был гораздо горячее современного состояния, скорость света вообще достигала бесконечных значений, и в результате излучение распространялось быстрее гравитации.
Этот процесс позволил равномерно прогреть всё пространство, что и привело к формированию однородного микроволнового реликтового излучения, которое мы фиксируем сегодня. Кроме того, изменения скорости света могли оказать влияние на значение космологической постоянной, что в свою очередь могло бы стать причиной ускоренного расширения Вселенной.
3. Долетев до одного конца Вселенной, можно оказаться в противоположном
Модель Вселенной в форме тора. Изображение: European Organisation for Astronomical Research / J. Law
Вы наверняка сталкивались с компьютерными играми, где, достигнув края карты, персонаж оказывается на её противоположной стороне. Некоторые физики считают, что в реальной Вселенной всё происходит аналогично. Правда, с той разницей, что у неё нет края.
Так называемая замкнутая модель , что Вселенная обладает конечным объёмом, но при этом лишена границ. Это означает, что если отправиться в путешествие по прямой линии на достаточно долгое время, то в итоге вы вернётесь в ту же точку, откуда начали.
Существует несколько моделей топологий замкнутого космического пространства. Наиболее вероятные из них — это сфера и тор.
Международный коллектив космологов, объединившийся в рамках коллаборации COMPACT Collaboration, провел детальный анализ реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва, и пришел к заключению, что существующие теоретические модели вполне допускают наличие именно такого космического ландшафта.
Подобная топология Вселенной способна порождать весьма необычные явления. К примеру, из-за замкнутости пространства многие галактики и другие астрономические объекты, фиксируемые учеными, могут на самом деле быть «отражениями» иных галактик.
Предположим, что свет от одного и того же объекта достигает нас различными путями — например, один маршрут прямой, а второй пролегает через противоположный конец Вселенной. Это приводит к появлению нескольких изображений одной и той же галактики. Однако мы не способны это осознать, поскольку из-за конечности скорости света этот объект предстает перед нами на разных стадиях своей эволюции.
Словно Вселенная — это комната кривых зеркал в парке аттракционов.
4. Вселенная — это голограмма
Снимок части видимой Вселенной телескопом Хаббл. Изображение: NASA / European Space Agency
К слову, раз мы заговорили о замкнутых картах в видеоиграх. Многие слышали гипотезу о том, что вся наша Вселенная — это компьютерная симуляция. Однако существует ещё более невероятная, но при этом вполне логичная теория, имеющая под собой научные обоснования. Её физик Герард Хофт из Утрехтского университета, а затем развили Леонард Сасскинд из Стэнфорда и Хуан Малдасена из Института перспективных исследований в Принстоне. Согласно этой теории, наша Вселенная — всего лишь проекция другой вселенной.
Вы наверняка видели голограммы — это изображения на двумерной поверхности, которые выглядят объёмными, если смотреть на них под разными углами. По сути, это двухмерная «световая карта» трёхмерного объекта.
Малдасена , что наша Вселенная может быть такой же голограммой. Он объединил теорию так называемого пятимерного антидеситтеровского пространства с квантовой теорией поля. И показал, что сложные физические процессы внутри объёмного пространства с гравитацией могут быть более простой физикой на поверхности этого пространства, без гравитации. Это называется «голографический принцип»: всё, что происходит в трёхмерном пространстве, можно полностью описать, зная, что происходит на его двухмерной поверхности.
Малдасена предположил, что, хотя нам кажется, будто мы живём в четырёхмерной Вселенной, на самом деле она имеет лишь два измерения. Это означает, что всё наше мироздание — это, по сути, просто некоего двухмерного пространства более низкого порядка. Думаете, что люди не могут быть двухмерными и не замечать этого? Ну, так мы и кривизну, и вращение Земли не ощущаем, хотя они существуют.
Голографический принцип может помочь объединить квантовую механику и гравитацию. Кроме того, эта теория информационный парадокс чёрных дыр. Она предполагает, что информация, попавшая в чёрную дыру, не исчезает навсегда, а оказывается закодирована на её поверхности (горизонте событий) как двухмерная проекция.
В 2017 году международная группа учёных из Великобритании, Канады и Италии в ходе экспериментальных исследований получила в пользу голографического принципа. При этом исследователи не утверждают, что мы прямо сейчас живём в голограмме. Однако выполненные ими расчёты , что, как минимум, на самых ранних этапах развития Вселенной — спустя несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва — пространство действительно могло быть двумерным.
5. Наблюдения за Вселенной могут повлиять на неё
Обсерватория Very Large Telescope ESO в Чили использует лазер для отслеживания звёзд. Изображение: Claudio Rolli / Unsplash
Наверняка вы слышали о так называемом эффекте наблюдателя. Это физический феномен, при котором состояние системы изменяется под воздействием, вызванным самим фактом ее наблюдения. Особенно ярко эффект проявляется на квантовом уровне: когда ученые в ходе эксперимента наблюдают за субатомными частицами, те могут вести себя иначе, чем в отсутствие наблюдателей. Создается впечатление, что кванты каким-то образом осознают, что за ними подсматривают.
Наша Вселенная из обычной, или барионной, материи — из которой состоят звезды, планеты и мы с вами — всего на 4,9%. Следующие 26,8% — это темная материя, масса, которую невозможно потрогать, увидеть или вступить с ней во взаимодействие. О ее существовании мы знаем лишь благодаря гравитационным эффектам. И наконец, оставшиеся 68,3% космоса занимает темная энергия. Именно эта сущность, пока недоступная для науки, заставляет Вселенную расширяться.
Американский физик и космолог Лоуренс Краусс теорию, согласно которой темная энергия обладает свойствами, похожими на квантовые. И человечество буквально может влиять на состояние Вселенной (по крайней мере, ее наблюдаемой части) из-за так называемого квантового Зенона.
Последний заключается в том, что время распада метастабильного квантового состояния некоторой системы напрямую зависит от частоты измерения ее состояния. То есть чем чаще вы это делаете, тем быстрее она переходит в другое состояние.
Краусс предположил, что сам факт того, что человечество знает о темной энергии и ищет ее, влияет на квантовое состояние этой самой энергии. Правда, СМИ несколько преувеличили его выводы заголовками в духе «Астрономические наблюдения могут сократить срок жизни Вселенной!». Краусс подобного не утверждал — его теорию неправильно интерпретировали. Вряд ли мы способны вызвать коллапс всего мироздания, просто взглянув на него.
Тем не менее квантовый парадокс Зенона реален, и в теории всегда существует возможность влияния наблюдателя на темную энергию, пусть и не в макромасштабе. Когда пристально вглядываешься в бездну, бездна тоже вглядывается в тебя.