Потайной ход, ведущий в другую галактику: зачем ученые охотятся за белыми дырами

В апреле 2019 года человечество впервые сфотографировало черную дыру. Она находится на расстоянии более 50 миллионов световых лет от Земли.

А что происходит с материей, которая попадает внутрь черной дыры? Ученые говорят о спагеттификации, то есть растягивании объекта до состояния нити. А что, если отправить туда человека? Об этом – в программе "Тайны Чапман" с ведущей Анной Чапман на РЕН ТВ.

Выживет ли человек, если попадет в черную дыру

Падение в черную дыру – самый фантастический и самый ужасный сценарий космического путешествия. Представьте, что вы приближаетесь к этому объекту. Первое, что вы заметите, – это странное поведение времени.

"Если мы будем приближаться прямо к границе черной дыры, то для стороннего наблюдателя, который будет смотреть на меня, как будто бы я падаю в черную дыру, время практически останавливается", – рассказал научный сотрудник МГУ имени М.В. Ломоносова, кандидат физико-математических наук Владислав Шевцов.

Для вас, падающего, время течет нормально. Вы пересечете горизонт событий, даже не заметив этого. Но для вашего друга, который остался на безопасном расстоянии и наблюдает за вами, например, в телескоп, картина будет иной.

"Если мы пересекаем горизонт событий, то происходит растяжение. Потому что там градиент силы тяжести колоссальный. Если у человека был какой-то размер метр, то это будет километры – растягиваться в процессе пересечения", – объяснил ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт.

Из-за чудовищной гравитации свет от вас будет уходить, ваш образ замедлится, растянется, покраснеет и в конце концов застынет на границе горизонта событий.

"Согласно общей теории относительности, такие сверхмассивные объекты искажают не только пространство вокруг себя, но и время. Так, например, со стороны внешнего наблюдателя, если объект будет двигаться к черной дыре, то он будет бесконечно замедляться, приближаясь к горизонту событий", – добавил заведующий лабораторией передовой инженерной школы МГТУ имени Баумана Андрей Беляев.

Ваши ноги, если вы летите ногами вперед, будут притягиваться сильнее, чем голова. Вас начнет неудержимо растягивать в длину и сжимать поперек. Этот эффект называется спагеттификация.

"Спагеттификация – это вполне реальный научный термин. Гравитационное поле вокруг черной дыры очень сильное, и оно меняется по мере приближения к черной дыре. Даже если находиться рядом с черной дырой, то на ту часть, которая находится ближе к ней, будет действовать гораздо больше гравитационная сила, чем на ту часть, которая находится дальше от черной дыры", – подчеркнул Андрей Беляев.

Со стороны будет казаться, что его растягивает невидимая сила, как жевательную резинку. В реальности такие перегрузки ни предмет, ни тело не выдержит – просто разорвется.

"То есть в спагетти превратится. Его реальному телу, материальному, пересечь можно только ценой вот такого растяжения, можно сказать, чуть ли не бесконечного, в тонкую-тонкую нить. Не спагетти, а просто нить", – заявил Эйсмонт.

На горизонте событий вы превратитесь в поток элементарных частиц, которые продолжат свой путь к центру черной дыры – сингулярности.

Что выплевывают из себя черные дыры

Но, как ни парадоксально, черные дыры могут не только поглощать, но и буквально выплевывать из себя нечто. Это открытие принадлежит британскому физику-теоретику Стивену Хокингу.

"Раньше было такое обывательское представление о черных дырах: черная дыра в себя просто все засасывает и ничего не отдает. Просто вот такая дырка, которая чем больше в себя засосет, тем сильнее разрастается. Но на самом деле все оказалось несколько сложнее, потому что она может не только поглощать в себя объекты, но и излучать энергию, так называемое излучение Хокинга", – отметил Владислав Шевцов.

Хокинг предположил, что на квантовом уровне вблизи горизонта событий рождаются пары частица-античастица. Одна из них падает в черную дыру, а другая улетает, унося с собой крошечную часть ее энергии. Со стороны это выглядит как очень медленное испарение. Для больших черных дыр этот процесс длится невообразимо долго, но для микроскопических дыр он может быть стремительным.

"И если такая пара образуется вблизи черной дыры, то одна частица попадает на горизонт событий, а другая частица двигается от черной дыры. Таким образом, со стороны внешнего наблюдателя мы видим излучение", – указал Андрей Беляев.

Теория выглядит безупречно, но не отвечает на все вопросы наблюдателя. Если черные дыры испаряются, почему мы до сих пор не стали свидетелями их смерти? Причина – в невообразимо медленном течении этого процесса, который растягивается на временные масштабы, трудно поддающиеся человеческому пониманию.

"Дело в том, что материя превращается в энергию. На горизонте событий образуются две частицы. Одна частица, которая вроде как пополняет черную дыру, а вторая, симметричная ей, наоборот, забирает эту энергию", – пояснил Натан Эйсмонт.

Таким образом, испарение черных дыр переходит из разряда гипотез в общепризнанный теоретический факт. Однако подтвердить его на практике мешает одно фундаментальное обстоятельство – время. Вернее, его колоссальные космические масштабы.

"Вселенная существует сейчас 13,8 миллиарда лет. Этот процесс существенно длиннее – может быть, сотни миллиардов лет. Когда все это придет в другую форму, это трудно сказать, но за пределами времени существования Вселенной. То есть мы этого не можем наблюдать", – пояснил Эйсмонт.

Парадокс исчезновения информации

Это излучение порождает один из самых сложных парадоксов современной науки – парадокс исчезновения информации. Представьте себе, что вы бросили в черную дыру книгу. Книга несет в себе информацию. Черная дыра испарится через миллиарды лет, оставив после себя лишь безликое тепловое излучение. Куда делась информация из книги? По законам квантовой механики, информация не может исчезать бесследно. Это противоречие до сих пор не разрешено.

"Это информационный парадокс, потому что черная дыра действительно засасывает в себя материю, а на выходе получается, грубо говоря, обезличенное такое излучение Хокинга. Проблема в том, что в квантовой физике должен быть детерминизм. Информация об объекте не должна исчезать бесследно", – подчеркнул физик Шевцов.

Как информация должна сохраниться? И что это за закон такой? Понять это поможет простая аналогия. Вы бросаете в костер деревянную табличку с надписью "Привет!". Табличка сгорает, превращаясь в дым и пепел. Кажется, что информация уничтожена.

Но если бы у вас был сверхмощный квантовый компьютер, способный проанализировать положение, скорость и состояние каждой молекулы дыма и пепла, вы могли бы, в теории, восстановить не только надпись на табличке, но и породу дерева, годы его роста и так далее. Информация не исчезла – она перешла в другую, чрезвычайно сложную форму. С черной дырой та же история, только в миллиарды раз сложнее.

"Парадокс исчезновения информации – это та проблема, которая до сих пор не решена. Хотя есть простое решение. Ведь что такое исчезновение информации? Что-то такое, что было, оно запомнилось, никуда не делось, и если оно оказалось в черной дыре, можно извлечь", – отметил Натан Эйсмонт.

Черные дыры – это природные ультрателескопы: их гравитация настолько сильна, что искривляет путь света, позволяя увидеть объекты, находящиеся за ними. Фактически, если бы вы парили рядом с черной дырой, вы могли бы наблюдать сразу всю ночную сферу, включая звезды, которые в нормальных условиях скрыты за вашей спиной. Их свет огибал бы горизонт событий и попадал прямо в глаза.

Гипотеза о белых дырах

Астрономы обнаружили, что некоторые черные дыры "плюются" материей со скоростью, близкой к скорости света. А еще есть гипотеза об антиподах черных дыр – белых дырах. Они не втягивают, а извергают вещество. Существуют ли они на самом деле? И может ли черная дыра стать порталом?

Кажется, что черная дыра – это космический вампир, который только поглощает материю. Но природа любит баланс. Дыры не только работают, как пылесосы.

"Существует такое явление, как джеты. Это узкие, определенно направленные пучки излучения и плазмы, которые характерны для черных дыр. Данные струи спускаются в определенных направлениях", – сообщил Андрей Беляев.

Это не просто хаотичный выброс. Это высокоточный космический ускоритель частиц. Магнитные поля черной дыры, закрученные до предела ее чудовищным вращением, действуют как гигантские электромагнитные рельсы: они разгоняют заряженные частицы – электроны, протоны – до бешеных скоростей.

"При захвате вещества черной дырой не все частицы попадают на горизонт событий. Некоторые из них захватываются мощным магнитным полем и за счет этого выталкиваются с невероятной энергией. Таким образом, данные частицы имеют околосветовую скорость и двигаются многие десятки световых лет", – добавил Беляев.

Эти выбросы – их называют джеты – обладают поистине титанической силой. В молодых, активных галактиках – квазарах – джеты являются самыми яркими объектами во Вселенной. Они могут растягиваться на миллионы световых лет, выметая газ из галактик и тем самым регулируя рождение новых звезд.

"Эти джеты могут выстреливать на очень большое расстояние, которое представляет собой поток ионов, частиц, протонов, нейтронов, электронов. Если бы вдруг Земля оказалась на пути такого джета, то нам бы пришлось очень плохо, потому что это излучение, в том числе и радиоактивное излучение и разные ионизирующие излучения. Наша атмосфера и магнитосфера Земли бы с этим не справилась", – указал Владислав Шевцов.

К счастью, наша галактика давно миновала период бурной молодости. Джеты сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути сейчас дремлют, позволяя жизни на Земле существовать в относительном спокойствии. Но эти струи остаются одним из самых грозных и величественных явлений во Вселенной – напоминанием о той колоссальной энергии, что скрывается в сердцевине космической тьмы.

"На самом деле Землю постоянно атакуют любого рода излучения, в том числе и от Солнца, но у нас вокруг Земли есть магнитосфера, которая нас защищает. От такого мощного излучения, конечно, Землю бы ничего не защитило. Слава богу, рядом с нами нет таких квазаров, которые бы своими джетами до нас добивали", – добавил физик Шевцов.

Черные дыры – это не просто космические могильщики, пожирающие все на своем пути. В их природе, предсказанной уравнениями физика Альберта Эйнштейна, скрыты куда более удивительные и даже фантастические возможности. Некоторые ученые считают, что эти объекты могут быть не концом, а началом. Вратами в иные миры, туннелями сквозь ткань пространства-времени и даже ключом к разгадке тайны нашего собственного существования.

"Если существуют черные дыры, которые вбирают в себя всю информацию, убирают все вещество, ничего не дают назад, то, согласно закону симметрии, должны быть противоположные объекты, которые, наоборот, в себя ничего не впускают", – объяснил кандидат физико-математических наук Железнов.

Кротовая нора позволяет преодолевать немыслимые расстояния

Идея о симметрии Вселенной породила концепцию белых дыр – гипотетических антиподов черных дыр.

"В белые дыры, наоборот, нельзя попасть, но все оттуда вылетает, из какой-то там области пространства. И все это соединяется так называемой червоточиной, еще называется кротовой норой. Если мы будем двигаться по кротовой норе в надежде попасть, выбраться в другой части Вселенной через белую дыру, то, поскольку временная координата стала пространственной, то мы будем двигаться еще по времени. То есть мы, когда выберемся, мы окажемся где-то в другом времени, скорее всего, в будущем", – говорит эксперт.

Червоточина или кротовая нора – это гипотетический мост через высшие измерения, своего рода туннель в ткани пространства-времени. Он позволяет мгновенно преодолевать немыслимые расстояния между точками Вселенной, которые в обычных условиях разделяют многие световые годы.

"Что касается белых дыр, то никто этого не видел, но есть теории, которые показывают, что они в принципе возможны. Или, если вдруг такое возможно, образовалась белая дыра. Белая дыра – это то же самое, что черная, но только вещество не внутрь, а вне идет. Но она может просуществовать буквально микросекунды. Для того чтобы она выжила дольше, нужно, чтобы ничто в нее не попадало. То есть если там песчинка или соринка попадает, то она от этого мгновенно переходит в состояние черной дыры", – сказал ученый РАН Эйсмонт.

Зачем ученые ищут белые дыры

Увы, математика – наука суровая. Те же уравнения, что допускают существование белых дыр, предсказывают их крайнюю нестабильность. Любая попытка такой структуры проявиться в нашей Вселенной должна моментально закончиться коллапсом. Однако ученые активно ищут во Вселенной белые дыры. Но для чего?

"Потому что, если на самом деле будет обнаружен объект, который будет вести себя как белая дыра, это будет явное подтверждение тем моделям, которые существуют сейчас – модель существования кротовой норы, модель существования связи черных дыр и белых дыр. И если белые дыры не найдут, тогда вся теория черных дыр, кротовых нор, конечно, будет оставаться на уровне гипотез, у которых не будет подтверждения", – подчеркнул Николай Железнов.

Так почему же ученые, зная о теоретической неустойчивости, продолжают эту охоту? Ответ прост: цена открытия слишком высока. Обнаружение белой дыры стало бы не просто добавлением нового объекта в астрономический каталог. Это перевернуло бы все наши представления о физике, подтвердило бы самые смелые теории Эйнштейна и открыло бы дверь в область непознанного – мир кротовых нор и межзвездных путешествий.

"Согласно некоторым гипотезам, черные дыры могут представлять собой входы в кротовую нору. Таким образом, попадая в черную дыру, мы перемещаемся в другое место во Вселенной и выходим в так называемой белой дыре, которая является выходом из кротовой норы", – добавил Андрей Беляев.

Но для того, чтобы этот проход был стабильным и пригодным для путешествий, а не мгновенно схлопывался, требуется особая, экзотическая форма материи. Материя с отрицательной плотностью энергии, которая будет не притягивать, а отталкивать стенки кротовой норы, не давая им столкнуться. Существует ли такая материя в реальности – одна из величайших загадок современной науки.

Еще больше интересного от РЕН ТВ – в мессенджере MAX