Ми знаємо, що чорні діри дивні, але вони можуть приховувати щось ще дивніше за своїми горизонтами.
Автор: Гідеон Кукук — доцент кафедри гравітаційних хвиль та фундаментальної фізики Маастрихтського університету в Нідерландах, має вчені ступені як з фізики, так і з педагогіки.
Що було першим, курка чи яйце? Можливо, це дурна загадка, яку вже вирішила дарвінівська біологія. Але природа подарувала нам реальну аналогію цієї загадки: чорні діри. Усередині цих космічних об'єктів екстремальне викривлення простору-часу зближує минуле і майбутнє, тому важко сказати, що було першим. Чорні діри також стирають межу між матерією та енергією, об'єднуючи їх в єдине ціле. У цьому сенсі вони також викривляють наші повсякденні уявлення про простір, час і причинність, роблячи їх одночасно і куркою, і яйцем.
Фізики, подібні до мене, вже давно прийняли ці дивні властивості чорних дір. Але я підозрюю, що природа цілком могла зіграти зовсім інший трюк і зробити чорні діри воротами до чогось набагато більш незвичайного — області, де самі правила простору-часу перетворюються на щось, чого ми ніколи раніше не бачили. Багато об'єктів, які ми вважаємо чорними дірами, насправді можуть бути самозванцями: зовні ідентичними, але з абсолютно іншою фізикою всередині. Щоб з'ясувати, чи це правда, потрібно зняти оболонку самої реальності. І людство наближається до того, щоб це зробити.
Щоб зрозуміти, чому чорні діри можуть щось приховувати, давайте спочатку згадаємо, як працює гравітація, адже саме вона є основою того, як простір-час може викривлятися, утворюючи такі захоплюючі й таємничі об'єкти. До появи теорій Альберта Ейнштейна гравітація мала різні незрозумілі особливості. За теорією гравітації Ісаака Ньютона, планети відчувають вплив Сонця через вакуум космосу без будь-якої взаємодії. Більше того, вона також стверджує, що будь-яка взаємодія займає рівно нуль часу. Якби ми могли одним помахом чарівної палички прибрати Сонце, гравітація Ньютона передбачає, що планети негайно позбулися б гравітаційного тяжіння Сонця, що суперечить загальновідомому факту, що ніщо не рухається швидше за світло.
Саме Ейнштейн знайшов рішення цієї загадки. Все, що йому було потрібно, — це найпростіші спостереження: всі об'єкти падають однаково під дією гравітації. Підніміть в одну руку кулю для боулінгу, а в іншу — капусту, і ви помітите, що одна рука докладає більше зусиль. Однак, коли ви їх відпустите, і куля, і капуста падають однаково швидко і вдаряються об підлогу в один і той же момент. Яка б не була різниця в масі, гравітація нівелює її під час падіння. Це відкриває щось дуже важливе про природу. Так само, як криві залізничних колій змушують кожен поїзд рухатися однаковими поворотами, той факт, що гравітаційний рух усіх об'єктів однаковий, свідчить про те, що це також має бути пов'язано з кривими, але цього разу в самому просторі.
Навколо зірки з достатньою масою та енергією час стискається в один момент
Тисячі експериментів виявили, що простір і час дійсно є полотном вигинів, вм'ятин і розтяжок, невидимих неозброєним оком, але повністю вимірюваних за рухом планет, галактик і навіть світла. Це тепер так само доведено, як фотосинтез, існування Марса і те, що омлети складаються з атомів. Отже, Сонце і планети пов'язані між собою викривленим простором-часом, і будь-яка зміна кривизни повинна пройти через цю розтягнуту тканину з тією ж універсальною швидкістю, що й все інше. Отже, якщо Сонце миттєво зникло б, Земля продовжувала б обертатися навколо простору, який воно залишило, протягом приблизно восьми хвилин.
Але чи є теорія Ейнштейна єдиним способом викривлення простору і часу? Одним із місць, де можна шукати відповідь, є чорна діра. Незабаром стало зрозуміло, що версія Ейнштейна про викривлення простору і часу супроводжувалася передбаченням: навколо зірки з достатньою масою і енергією ці залізничні колії стають нескінченно витягнутими, а час стискається в один момент, стираючи всі відмінності між минулим, сьогоденням і майбутнім. Це відомі рішення Ейнштейна щодо чорних дір у загальній теорії відносності: сферичні оболонки чисто викривленого простору-часу, які називаються горизонтами і плавають у безмежності Всесвіту. Будь-який сигнал, який має пройти нескінченну відстань за нуль секунд, напевно ніколи не вийде звідти. Без світла, матерії та випромінювання, що виходять за межі горизонту, чорні діри є настільки чорними, наскільки це взагалі можливо.
Чорні діри вимірювали різними методами. Один із них полягав у спостереженні за яскравими зірками, що обертаються навколо темної плями пустоти, де має бути джерело гравітації (за що в 2020 році було присуджено Нобелівську премію). Інший — за допомогою гравітаційних хвиль від зіткнення чорних дір, які були зареєстровані сотнями детекторів LIGO, Virgo і KAGRA (що також принесло Нобелівську премію в 2017 році). Третій — за допомогою вимірювання кільця світла, траєкторії якого викривлені навколо чорної діри (за допомогою телескопа Event Horizon; Нобелівська премія, можливо, також чекає на них). Чорні діри дійсно, справді, реально існують, що свідчить про те, що викривлення простору і часу, описане Ейнштейном, дійсно є правильним.
Однак про чорні діри ще багато чого невідомо. Добре відомо, що їхній вміст є таємничим і недоступним, але залишаються також без відповіді питання про їхнє походження та еволюцію.
Щоб зрозуміти чому, повернемося до загадки про курку і яйце: що було першим, курка чи яйце? У біології відповідь дає дарвінівська еволюція, яка вишиковує мільйони поколінь курей і яєць уздовж стрілки часу, кожне з яких дещо відрізняється від попереднього покоління. Якщо простежити цю лінію назад, щоб з'ясувати, чи чекає на початку курка чи яйце, то можна знайти щось, що є прапрапрадідом, який не схожий ні на те, ні на інше.
Подібне питання можна поставити і щодо чорних дір. На їх горизонті минуле і майбутнє стискаються в один момент, що ускладнює відстеження їх походження. Але це не означає, що чорні діри не мають початку. Для багатьох чорних дір їх предком на початку їхньої лінії «яйце чи курка» є хмара маси, яка не може протистояти власній гравітації. У 1930-х роках фізики Гартленд Снайдер і Роберт Оппенгеймер довели, що якщо така хмара маси залишається під гравітаційним тяжінням власних складових частинок, вона не має іншого вибору, як колапсувати. Гравітація тут діє як маховик, оскільки частинки, що наближаються одна до одної, створюють все більшу кривизну, що, в свою чергу, змушує хмару маси все більше тягнути себе. Незабаром утвориться горизонт, за яким все, що знаходиться всередині, зникне, і ніхто ззовні не зможе побачити його остаточну долю. Зірки є типовими прикладами. Поки їх внутрішня піч ще палає, її пекельне тепло протидіє гравітації, стримуючи колапс. Коли паливо вичерпується, гравітація бере верх, і передбачення Снайдера та Оппенгеймера змушує зірку буквально поглинути себе в небуття. Фундаментальні роботи фізиків Роджера Пенроуза та Стівена Гокінга показали, що ця кінцева зупинка космічної еволюції є цілком неминучою.
Однією з найвизначніших властивостей хвилі є неможливість точно визначити її положення
Але що, якщо існують інші еволюції? Формули Ейнштейна передбачають, що простір-час навколо чорної діри є таким самим, як і простір-час навколо будь-якої іншої сферичної кулі з масою, тому логічно припустити, що, можливо, ланцюг курей і яєць може мати іншу початкову точку, ще не відкритого предка, який може призвести до такої самої кривизни простору-часу, як у чорної діри, але який приховує щось інше в межах горизонту. Якщо вони існують, ці «імітатори» чорних дір були б дуже цікавими, розкриваючи незнану фізику. Можливо, вони є результатом існуючих правил, які ще не до кінця опрацьовані, але вони також можуть означати, що самі закони фізики є зовсім новими, а за горизонтом ховається нова логіка простору і часу.
Прикладом першого є ідея, що буквальна порожнеча колапсує під власною вагою. Дивно, але це цілком можливо, якщо додати трохи квантової механіки до раннього Всесвіту. Квантова механіка стверджує, що, якщо достатньо близько придивитися, природа представляє частинки як маленькі хвилі. Однією з найвиразніших властивостей хвилі є неможливість точно визначити її положення; за визначенням, хвилі завжди простягаються на деяку відстань, і це безпосередньо означає неможливість точно знати положення маленьких частинок. Радіоактивність є яскравим прикладом цього: оскільки природа не дає чіткого уявлення про місцезнаходження частинок, що складають атомне ядро, деякі з них можуть опинитися поза атомом, вилітаючи у вигляді того, що ми сприймаємо як радіоактивне випромінювання.
Поверніть назад годинник розширення Всесвіту, і ви побачите, що він достатньо невеликий, щоб проявити свою квантову хвильовість. Хвилі цього раннього «супу» могли дозволити йому випадково отримати трохи більше енергії в одній позиції, ніж в іншій, що потенційно могло бути достатньо для створення горизонту без наявності зірки. Це було б як яйце без курки, яке з'явилося завдяки квантовій випадковості раннього Всесвіту. Ці первинні чорні діри активно шукають за допомогою детекторів гравітаційних хвиль.
Квантова механіка також дозволяє навести другий приклад імітатора чорної діри. Близько горизонту чорної діри простір розтягується настільки, що навіть крихітні квантові хвилі стають достатньо великими, щоб заявити про себе. Точні деталі того, як це може відбуватися, ще до кінця не з'ясовані (повна теорія квантової гравітації ще не розроблена), але одне з передбачень квантової механіки щодо чорних дір полягає в тому, що горизонт може утворювати шар матерії, оболонку навколо чорної діри, яка запобігає всмоктуванню деяких сигналів і, натомість, відбиває їх назад у Всесвіт.
Існує також другий сценарій, за якого правила кривизни повністю змінюються, і це область, якою мені особисто подобається займатися. Теорія гравітації Ейнштейна базується на спостереженні, що вся матерія та енергія падають однаково під впливом вигинів і слідів простору-часу, але існує більше ніж один спосіб перекласти це на мову математики, що в принципі допускає цілу низку поведінок простору-часу, які відрізняються від оригінальної моделі Ейнштейна.
Одним із прикладів є «гравастари» — теоретична конструкція, яка заповнює внутрішню частину чорної діри речовиною, яка, на відміну від звичайної матерії, що притягується гравітацією, навпаки, виштовхує себе назовні. Про існування такої таємничої речовини теоретики розмірковують вже десятиліттями, оскільки було виміряно, що Всесвіт прискорює своє розширення за допомогою темної енергії (ще одне відкриття, яке принесло Нобелівську премію, цього разу в 2011 році). Припускаючи, що ця темна енергія існує, заповнення нею чорної діри створює новий тип зірки, гравітаційна тенденція якої до притягання матерії до себе врівноважується заповненням її своєрідною антигравітацією. Це призводить до стабільної рівноваги ідеально сферичної бульбашки темної енергії, яка виглядає як чорна діра, але не є нею.
Особисто мене цікавить ще один сценарій. А що, якщо не наповнення імітатора підпорядковується іншим законам фізики, а сам простір-час? Відправною точкою цього дослідження є один з основних принципів природи: її байдужість до спостерігача, який її розглядає. Щоб пояснити це, запитайте друга, яку страву він любить найбільше. Потім побіжіть поруч з ним і запитайте знову. Чи зміниться його кулінарний вибір? Звичайно, ні. Його смакові рецептори не зважають на відносну швидкість між вами двома. Незалежно від того, стоїте ви на місці відносно свого друга чи ні, його любов до піци, омлетів, капусти або чогось іншого завжди буде однаковою.
Те саме стосується природи в цілому: її правила повинні бути однаковими незалежно від руху спостерігача. Це називається принципом відносності, однією з найяскравіших перлин фізики. Наскільки нам відомо, вся реальність підпорядковується цьому принципу повної байдужості до руху спостерігача.
Більш просунутий приклад походить з електромагнетизму. Заряджена частинка, така як електрон, має електричне поле, яке повідомляє іншим зарядженим частинкам, як вони будуть притягуватися або відштовхуватися. Далі подивіться на той самий електрон, коли він рухається відносно вас, і він буде виглядати для вас як струм, який, як відомо, може створювати магнітні поля поверх свого електричного поля. Скільки електричного та магнітного полів ви сприймаєте, дивлячись на електрон, залежить від вашого стану руху відносно електрона. Однак, якщо взяти сукупний ефект цих двох полів, це призведе до абсолютно однакового рівня тяжіння та відштовхування, незалежно від того, як ви рухаєтеся відносно електрона.
Виявляється, що математично справді можливо з'єднати різні простори-часи між собою
Саме цей приклад Ейнштейн використав у 1905 році для виведення своєї теорії відносності. Він припустив, що байдужість електромагнетизму до руху спостерігача не є щасливим збігом математики, а є законом природи, який виходить за межі деталей будь-якого конкретного явища, будь то електричне, магнітне, смакові рецептори вашого друга чи будь-що інше. Оскільки єдиною спільною рисою всіх цих явищ є те, що вони відбуваються в просторі та часі, Ейнштейн припустив, що саме простір і час разом забезпечують дію принципу відносності. І він мав рацію: ми знаємо і можемо виміряти, що простір дійсно стискається, а час розтягується в чітко визначеному унісоні, і завжди так, що все в природі відбувається за одними і тими ж правилами, незалежно від руху спостерігача.
Але виявляється, що теорія Ейнштейна — не єдиний спосіб забезпечення принципу відносності, і що вона також допускає інші комбінації простору і часу. Ці альтернативні версії теорії відносності мають дивовижні властивості, схожі, але не зовсім такі самі, як у версії Ейнштейна. Наприклад, вони можуть наділити простір-час тенденцією до виштовхування простору назовні. Якщо звичайна гравітація все тягне до себе, то цей новий тип простору-часу виштовхує себе назовні, і може бути можлива стабільна конфігурація, в якій виштовхування і тяжіння врівноважують одне одного. Це був би новий тип імітатора чорної діри, сферична оболонка, яка має нові правила простору-часу всередині, тоді як решта Всесвіту зовні підпорядковується звичайній теорії відносності. Тонкість полягає в тому, що відбувається на оболонці, де два різних просторо-часи переходять один в один. Там кривина повинна мати плавний перехід від внутрішньої частини до зовнішньої. Ця плавність обов'язково повинна бути, оскільки кривина чорної діри нерозривно пов'язана з її масою та енергією, а це означає, що стрибок у кривизні простору-часу порушував би закон збереження енергії, один із інших священних принципів природи.
Виявляється, що математично дійсно можливо з'єднати різні простори-часи таким чином, за умови, що перехід відбувається саме на горизонті чорної діри. Це створює ще один інтригуючий тип імітатора чорної діри, де її горизонт не утримує в собі екзотичне наповнення, а є воротами до інших типів простору-часу. Той факт, що вони ховаються за горизонтом чорної діри, зручно пояснює, чому їх не бачили — принаймні досі.
Існує багато моделей імітаторів чорних дір, розроблених за допомогою прекрасної математики. Але чи достатньо математичної узгодженості, щоб серйозно ставитися до їхнього існування? Історія науки дає тут деякі підказки. Коли були передбачені стандартні чорні діри, спочатку їх розглядали як якусь аномалію; цікавий продукт математики, але не настільки реальний, як атоми, кури, що несуть яйця, або існування суходолу під назвою Велика Британія. Іноді накреслені на дошці символи просто передбачають більше, ніж природа вирішила проявити. Але в інших випадках математика була дуже ефективним способом передбачення нових законів природи, навіть коли спочатку ці передбачення здавалися дуже незвичними. Коли фізик Пол Дірак об'єднав квантову механіку зі спеціальною теорією відносності, він виявив удвічі більше частинок, ніж було відомо на той час. І, о диво, вимірювання показали, що ці античастинки дійсно існують.
До якого типу математики належать імітатори чорних дір? Сам Ейнштейн твердо вірив, що звичайні чорні діри належать до першого типу: цікаве передбачення, яке природа вирішила не приймати. Але століття вимірювань — і, зокрема, гравітаційних хвиль — показали, що чорні діри є дуже поширеними у Всесвіті. Те саме може бути і в випадку з імітаторами.
Щоб це з'ясувати, потрібно активно їх шукати. Хоча зовнішній простір-час імітатора чорної діри, як правило, виглядає так само, як і звичайної чорної діри, а внутрішній простір прихований від нас горизонтом, їх гравітаційні хвилі, ймовірно, будуть різними. Якщо вдарити по чорній дірі з достатньою силою (для цього достатньо зіткнути з нею іншу чорну діру), вона почне коливатися, створюючи гравітаційні хвилі з дуже специфічними частотами. Так само, як хімік може визначити тип газу за частотами світла, яке він випромінює, хиткі чорні діри мають свій характерний спектр частот, який може дозволити нам відрізнити чорні діри від їхніх імітаторів. На щастя, природа була настільки ласкавою, що наповнила Всесвіт безліччю таких космічних зіткнень. Єдине, що нам залишається зробити, — це детально виміряти гравітаційні хвилі, які вони створюють.
Людство дуже близько до того, щоб розгадати таку загадку. За останні 10 років було виміряно безліч зіткнень чорних дір. А вже цього року мережа детекторів гравітаційних хвиль LIGO/Virgo/KAGRA змогла виміряти зіткнення чорних дір з такою точністю, що можна було побачити частотний спектр його хиткого кінцевого продукту. Більше того, нинішня мережа незабаром буде замінена детекторами нового покоління, такими як майбутній телескоп Ейнштейна та детектор гравітаційних хвиль LISA у відкритому космосі, які набагато чутливіші до частот горизонтів чорних дір. Маючи в розпорядженні такі потужні нові технології, ми, можливо, зможемо розгадати таємницю горизонтів чорних дір або, принаймні, проникнути в їхню оболонку. Що б ми не побачили, це або підтвердить, що чорні діри є саме такими, якими ми їх завжди уявляли, або назавжди змінить наші уявлення про простір і час.
