Книга Краткая теория времени - Карло Ровелли

Путь вычислений, который ведет от базовых уравнений этой теории к наблюдаемым величинам, весьма сложен. Он подразумевает приблизительность расчетов, знание квантовой гравитации одновременно со знанием космологии, чем мало кто владеет, и незаурядную долю интуиции. Лучшие ученые, продвигающиеся в таком направлении, работают во Франции. Я в особенности подразумеваю здесь Орильена Барро и его группу в Гренобле, в своих исследовательских усилиях находящихся на переднем плане современной мировой науки.

С концептуальной точки зрения, я пребываю в замешательстве относительно того, как интерпретировать теоретические выводы о Большом взрыве в понятиях Вселенной «до» Большого взрыва. Эти выводы правильные, и наблюдения, которые могут быть сделаны исходя из них, вполне конкретны, но точное физическое значение этих открытий все еще для меня загадочно. Имеет ли смысл спрашивать себя о чем-то, что было «до» Большого взрыва?

Теория говорит нам, что в непосредственной близости к моменту Большого взрыва Вселенная находится в квантовом состоянии, когда время и пространство еще не имеют четких определений, точно так же как в квантовой механике траектория точки не может быть точно установлена. Но если пространство и время еще не очерчены в этой зоне пространства-времени, что тогда значит «до»? Наконец, что такое время в теории, где само пространство-время стало вероятностным?

Космология и звезды Планка

Одна из самых недавних разработок касается применения квантовой гравитации к изучению того, что происходит в центре черной дыры. Если новые перспективы, которые открывает такое изучение, однажды найдут подтверждение в наблюдениях, обычное понимание черной дыры и ее судьбы подвергнется глубоким изменениям.

Согласно классической теории, существование массивной звезды заканчивается, когда она до конца расходует свой запас горючих веществ. Тогда происходит взрыв ее внешней оболочки и провал внутренних слоев, в результате чего возникает состояние, которое и называют черной дырой. Внешняя часть черной дыры прекрасно описана классической теорией, и астрономические наблюдения подтверждают эти описания. Но что происходит внутри?

По классической теории, материя этой звезды падает к центру дыры и все более и более сгущается до нулевого объема, до бесконечной плотности и бесконечной температуры, когда материя исчезает. Все это, конечно, невозможно в физическом смысле. Фокус – не научная теория. Прежде чем дело дойдет до исчезновения звезды, квантовая гравитация должна обязательно вмешаться в процесс.

С появлением петлевой теории описание черной дыры меняется. Ведь квантованный характер гравитационного поля (зерна пространства-времени) не допускает бесконечно продолжающегося сжатия звезды. Наступает момент, когда плотность материи достигает такой степени, что квантовая гравитация вызывает действие отталкивания. Если размер становится меньше некоторого определенного значения, квантовые свойства пространства-времени начинают преобладать над его свойствами, существующими на большом масштабе. Испытываемое отталкивание (квантово-гравитационное давление) противостоит обвалу звезды к своему центру. Поэтому звезда достигает лишь ограниченной плотности, а не бесконечной – плотности Планка.

В реально наблюдаемых остатках звезд, которые не превратились в черные дыры, поскольку не имели для этого достаточной массы, существует наибольшая плотность материи, какая только известна, – плотность в центральных областях нейтронных звезд. Если бы Солнце обрушилось к собственному центру и стало бы нейтронной звездой, оно уменьшилось бы примерно до одного километра в диаметре – при совершенно исключительном сжатии.

Но если обрушение продолжилось бы и достигло планковской плотности, Солнце бы в итоге имело размер одного атома. Дальше сжатие невозможно. Планковская плотность – предельная. Звезды, которые достигают такой плотности, называются планковскими.

Если плотность черной дыры не является бесконечной, а имеет известную величину, то ее размер можно просчитать, так же как развитие процессов, которые там происходят. Иначе говоря, наш взгляд (теоретический) впервые касается доселе смутных объектов.

Что за процессы там происходят? Гравитационное давление действует подобно стене, от которой материя звезды «отскакивает». Это происходит очень быстро, подобно тому как быстро отскакивает мячик от стены. Поэтому звезда, как только обрушилась к своему центру, взрывается.

Но тогда как получается, что известные нам черные дыры могут существовать уже десятки тысяч или миллионы лет, судя по поведению материи рядом с ними?

Здесь входит в игру странное поведение самого времени, описанное общей теорией относительности. Протекание времени в каком-либо определенном месте Вселенной зависит от гравитационного поля, которое там господствует. Часы на поверхности Земли идут медленнее, чем часы на борту спутников, потому что гравитационное поле обладает большей силой на Земле, чем на ее орбите. На Солнце часы заметным образом отставали бы относительно времени внешнего наблюдателя. Астронавт, который рискнул бы высадиться на поверхность Солнца, не заметил бы никакой разницы, его часы продолжали бы идти как шли, но он считал бы, что часы его друга, оставшегося на Земле, пошли слишком быстро. А когда он вернулся бы на Землю, двое друзей обнаружили бы серьезное расхождение.

А теперь представьте себе, во что превращается время внутри черной дыры… Чем больше материя сжимается, тем больше увеличивается гравитационное поле, тем сильнее замедляется время, до такой точки, когда кажется, что оно почти остановилось. Пока у нас протекают века и тысячелетия, часы внутри черной дыры едва сдвигаются вперед на миллисекунду. Поэтому процесс, который, как нам кажется, занял бы миллионы лет, длится не более чем секунду на часах в черной дыре. За сжатием сразу же следует взрыв, но оба они происходят, как при замедленном просмотре, для наших глаз наблюдателей, находящихся вне столь интенсивного гравитационного поля.

Продолжительность этого процесса не одна и та же для всех черных дыр, она зависит от массы, которую имела звезда в начале (точнее, продолжительность пропорциональна массе в кубе). А чем сильнее гравитационное поле (в зависимости от массы), тем медленнее протекает время.

Если выражаться более точно, взрыв не происходит непосредственно сразу за сжатием, потому что звезда обладает слишком большой массой и сама себе мешает преодолеть собственный горизонт, мешает себе выйти из «дыры», которую сама же и проделала в гравитационном поле. Она должна сначала потерять часть своей массы путем «испарения» – процесса, открытого Стивеном Хокингом. По истечении определенного срока испарения (очень долгого для нас, но очень короткого для черной дыры) остаток планковской звезды становится макроскопическим объектом из микроскопического (чем меньше плотность, тем он больше) и горизонт исчезает. На этой стадии квантовое гравитационное давление может переместить то, что осталось от звезды, и распылить ее.

Это новое описание превращает черную дыру в такой же объект, как другие, объект, который эволюционирует, сменяя одно состояние на другое. Очень важно, что тогда черная дыра дает нам возможность проверить теорию наблюдениями. Взрыв черной дыры должен иметь особые признаки. Рассчитанные свойства отскока показывают, что вещество такой звезды должно превращаться в гамма-излучение, и можно даже указать длину волны этого излучения. Поскольку первые черные дыры возникли в начале существования Вселенной, их возраст сегодня 13,7 миллиардов (наших) лет. Посредством петлевой теории квантовой гравитации можно подсчитать массу черной дыры, которая взрывается через 13,7 миллиарда лет: 1012 кг. Для черной дыры такой массы высчитывается длина волн в излучении, испускаемом во время взрыва, примерно 10–14 см, будь гамма-энергия сразу выявлена гамма-телескопами типа Fermi-LAT, к примеру.