Большой взрыв = черная дыра?

— Во вселенной то и дело случаются совпадения. Солнце и Луна из-за разного расстояния от нас кажутся одинаковыми по размеру. А вот посмотрите на туманности Пакман.. или Колдун. Или вспомним сюжет “Пробуждения силы” и любой другой части “Звездных войн”. Совпадения на каждом шагу.

Но есть еще одно странное совпадение. И оно связано с природой самой вселенной. Сейчас объясню. Обратимся к загадочным черным дырам. Мы много о них говорили. Кто смотрел наши ролики, тот знает, что черная дыра — это область космического пространства, где энергия и материя так плотно сжаты, что сбежать от их притяжения можно было бы только на сверхсветовых скоростях.

Мы пока не знаем точных масштабов черных дыр, но, возможно, они сжаты в бесконечно плотную область, которую называют словом… сингулярность. Сингулярность… Где-то мы это уже слышали. Ну, в смысле, не только от Рэймонда Курцвэйла и сингулярианцев. 

Это слово упоминают, когда говорят о зарождении вселенной — о Большом взрыве. В начале всего, тринадцать и восемь десятых миллиарда лет назад, целая вселенная была сжата до точки бесконечной плотности, которая затем, буквально за какую-то долю секунды, стремительно расширилась. 

Эту точку бесконечной плотности астрономы называют сингулярностью Большого взрыва. Совпадение? Вот уж не думаю! Ведь это одно и то же слово! Одно и то же! Что если сингулярность Большого взрыва — это просто сингулярность очень большой черной дыры? Черной дыры, вмещающей в себя массу вселенной?

Честно говоря, для меня одного этот вопрос сложноват, и чтобы получить научное объяснение, я пригласил гостя. Доктор Пол Мэтт Саттер — астрофизик из университета штата Огайо и астрономической обсерватории Триеста. Пол специализируется на космических войдах, а еще он много знает как о Большом взрыве, так и о черных дырах.

Мы познакомились на съемках его подкаста “Аск э спэйсмэн” и я сразу же задал ему этот непростой вопрос. Пол, скажи, в чем разница между сингулярностью до Большого взрыва и сингулярностью черных дыр? Может, вся вселенная образовалась из одной массивной черной дыры?

— Спасибо, Фрэйзэр. Для начала давайте вспомним, что же именно мы понимаем под словом сингулярность. Сингулярность — это точка с бесконечной плотностью. В целом это значит, что мы не можем использовать нашу привычную математику, чтобы описать это явление.

То есть мы проводим вычисления, и в ответе все время получается бесконечность. И насколько нам известно, классические вычисления дают сбой в двух случаях. Во-первых, это центр черной дыры, где всё настолько сжато, что наша математика уже не работает.

А во-вторых, вселенная до Большого взрыва, сжатая до такого крошечного объема и такой высокой плотности, что наши формулы просто не справляются. Сингулярность — это единственное, что их объединяет; то есть то, что эти явления не подвластны нашим вычислениям.

И хотя, с одной стороны, они схожи, с другой — абсолютно разные. Сингулярность черной дыры — это точка в пространстве-времени. Условно, находясь в космосе, можно сразу увидеть, что сингулярность есть там, там, вон там и вон там.

Это лишь крошечная область в нашей большой вселенной. В то время как сингулярность Большого взрыва — уже сама по себе целая вселенная, которая сжата до такой невероятно высокой плотности, что наша математика не в состоянии описать, что же там происходит.

— А почему ранняя вселенная просто не коллапсировала в черную дыру? 

— Очень хороший вопрос, Фрэйзэр! Зная, что, ранняя вселенная была в чрезвычайно плотном состоянии, естественно задать вопрос: почему она просто не стала черной дырой? Почему вселенная не сжалась до бесконечно плотной точки, а, наоборот, начала расширяться? И здесь нужно вспомнить, в чем заключается отличие между черными дырами и ранней вселенной. В обоих случаях мы обращаемся к общей теории относительности, к тем законам гравитации, которые господствуют в обеих системах.

Мы берём одни и те же уравнения, но  решаем совершенно разные задачи. Абсолютно разные. Решение уравнений Эйнштейна для черных дыр — это лишь один из аспектов общей теории относительности. И решение это можно найти, задавшись вопросом: “Если я возьму кучу объектов и сожму их до невероятно высокой плотности, то что произойдет?”

И ответом будет сингулярность, обрамленная горизонтом событий. 

Это результат некоего ряда определенных математических вычислений. Но для ранней вселенной нужен другой подход, потому что ситуация совершенно иная.

Это другая вселенная. Решение для черных дыр является статическим, оно не меняется со временем. Так предполагают ученые. Но в ранней вселенной время играет роль. И это уже другие решения уравнений. Чтобы раскрыть загадку ранней вселенной, нужно поставить иной вопрос: “Если я возьму кучу объектов и равномерно наполню ими вселенную, то что мы получим тогда?” 

Этот вопрос не имеет никакого отношения к черным дырам, а значит, мы получим другой ответ. Хотя в обоих случаях мы имеем дело с чрезвычайно высокой плотностью, для разгадки тайны ранней вселенной нам нужно другое решение и другие ответы, поскольку определяющим является именно эволюционный аспект.

И когда мы задаем вопрос: “Если я равномерно наполню вселенную, то что, черт возьми, произойдет?”-  мы получаем два ответа. Либо из-за этого наполнения всё во вселенной коллапсирует и сжимается, либо из-за этого вселенная берёт и расширяется.

Ответ зависит от состава вселенной. И ученые быстро обнаружили, что наша вселенная состоит из того, что заставляет ее расширяться. Это и есть та важная эволюционная составляющая, которая отличает происходящее в ранней вселенной от происходящего в черной дыре.

— Могли ли черные дыры сформироваться в ранней вселенной, раз там была такая высокая плотность?

Да, да, да, хороший вопрос, Фрэйзэр, я понял, я знаю, куда ты клонишь. Учитывая невероятно высокую плотность, можно представить, как в первые микросекунды крупица вещества отщепляется от остальной вселенной и превращается в черную дыру. Но почему эта черная дыра тогда не расширилась и не поглотила оставшуюся часть вселенной? 

Но важнее всего здесь вовсе не сама плотность, а разница в плотностях. Чем… чем я отличаюсь от черной дыры? Она гораздо более плотная… надеюсь. Не только относительно меня, но и относительно окружающих ее объектов. Вместе с тем, для образования черной дыры нужны дополнительные условия: еще одно газовое облако или чрезвычайно высокоплотная звезда. 

Тогда гравитация начинает притягивать всё больше объектов, всё больше и больше, пока не происходит гравитационный коллапс, который и образует черную дыру. Но ранняя вселенная была идеально однородной. Не было никаких гравитационных различий. Да, вселенная была очень плотной, но если перенестись в то время и… выжить, то мы бы не почувствовали силы притяжения.

Потому что абсолютно везде была одинаковая плотность. Вселенная имела однородный состав, и не было никакой гравитации, все силы притяжения компенсировали друг друга. А поскольку не было никакой разницы в плотностях, черная дыра образоваться не могла. Если нет гравитации — ничего не происходит, не формируется никаких черных дыр. Они начали появляться гораздо позже в процессе эволюции, когда вселенная была уже настолько огромной, что черные дыры не могли повлиять на общий ход развития.

— Сейчас вселенная расширяется. А может она когда-нибудь резко сжаться?

— Несколько десятков лет назад  многие астрофизики и космологи боялись именно этого. Мы думали: да, вселенная сейчас расширяется, но, возможно, из-за большого количества скоплений вещества расширение замедлится, остановится и обратится вспять. И тогда произойдет Большое сжатие, этакий Большой взрыв наоборот.

Но, как оказалось, существует темная энергия. Из-за темной энергии расширение вселенной постоянно ускоряется. Вселенная не только ежедневно становится всё больше и больше, но и происходит это всё быстрее и быстрее с каждым днем. И это… так себе, если честно.

— Теперь все стало предельно ясно, но вместе с тем нам предстоит еще многое узнать. Если взять массу и энергию целой вселенной и превратить ее в черную дыру, то у этой черной дыры была бы практически та же плотность, что и у самой вселенной. А горизонт событий был бы больше всей наблюдаемой вселенной.

Так значит ли это, что мы на самом деле живем внутри черной дыры? Можем ли мы это понять? Ищите в описании ссылку на второе видео, в котором Пол Саттер подробно ответил на этот интересный вопрос. Не забудьте посмотреть. И подписаться! Напомню, у Пола на канале “Аск э спейсмэн” еще много отличных роликов.

Хотя астрономы используют термин “Сингулярность” как в контексте зарождения вселенной, так и в отношении черных дыр, речь о разных вещах. А значит, мы по-прежнему не знаем, что же стало причиной Большого взрыва.