Отвечает старший научный сотрудник Политехнического музея Василий Панюшкин.

###SLIDER-photo
$image 240131 белая дыра.jpg

$source Freepik
$slide-end ###

О чёрных дырах слышали все. Их представляют как загадочные космические объекты, поглощающие всё на своём пути, как точки невозврата, притяжение которых настолько сильно, что из них не может вырваться ничто, даже свет. И хотя чёрные дыры связаны со многими неочевидными проявлениями релятивистской физики, такими как гравитационное искривление света или замедление времени, их базовая концепция очень проста.

Красивая теория…

Если гравитационное притяжение объекта настолько сильно, что скорость, необходимая, чтобы улететь с его поверхности, превышает скорость света, ничто, включая свет, не сможет этого сделать. Такая концепция возникла задолго до появления Общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), когда в конце XVIII века многие естествоиспытатели независимо друг от друга описали идею «тёмных звёзд». Основываясь исключительно на физике Ньютона, они представили себе звёзды настолько массивные и компактные, что свет не мог вырваться из их гравитационной хватки, что делало их невидимыми.

Но в популярной культуре чёрные дыры часто изображают таинственными и наделяют их фантастическими свойствами. Подобное изображение в фильмах и книгах приводит к размыванию различий между научными фактами и художественно переосмысленными спекуляциями. Из-за этого может возникнуть представление, что чёрные дыры — это такая же умозрительная вещь, как путешествия во времени или порталы в параллельные вселенные. Или, наоборот, представление о том, что если чёрные дыры существуют, то должны существовать и другие связанные с ними гипотетические объекты — например, белые дыры. Это теоретические антиподы чёрных дыр, которые выбрасывают в космос материю и энергию и которые часто изображают как выходы из порталов, входами в которые являются чёрные дыры.

…и фактическое подтверждение

Наблюдательных доказательств существования чёрных дыр в течение XX и XXI веков набралось уже немало. Первоначально они были косвенными и выводились из траекторий видимых объектов — таких, например, как звёзды в двойных системах, где их движение предполагало присутствие невидимого массивного партнёра. Также по траекториям ближайших звёзд были описаны параметры сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики.

В 2000-х появились новые методы: гравитационные волны, зафиксированные с помощью обсерватории LIGO в 2015 году, по характеру соответствовали именно слиянию двух чёрных дыр. А в 2019 году телескоп Event Horizon получил первое визуальное подтверждение существования сверхмассивной чёрной дыры в галактике M87. Это изображение, демонстрирующее тень чёрной дыры на фоне светящегося диска раскалённой материи, стало историческим. Оно впервые напрямую подтвердило существование этих некогда теоретических объектов.

Кто-то может сказать: «Если следующие из уравнений теории относительности Эйнштейна чёрные дыры физически существуют, то и белые дыры, существование которых тоже может быть выведено из этих уравнений, должны быть настолько же реальными!» Чтобы понять, почему это не так, нужно разобраться в том, как именно чёрные и белые дыры выводятся из уравнений Эйнштейна.

Ошибается ли уравнение?

В уравнениях ОТО гравитация описывается не как сила в ньютоновском смысле, а как искривление и затягивание пространства-времени массой. Объекты же оказываются на своих гравитационно заданных орбитах, двигаясь прямолинейно по пространству-времени, постоянно «втекающему» в гравитационный колодец массивного объекта. Чёрные дыры представляют собой крайнее проявление такого «затягивания», когда масса тянет объекты быстрее скорости света.

Эта метафора соответствует описанию чёрных дыр уравнениями ОТО при обычном течении времени. Но сами уравнения симметричны по времени. Другими словами, они ничего не говорят о том, в какую сторону должно идти время, в прошлое или в будущее. Они одинаково хорошо описывают оба варианта. И если повернуть течение времени вспять, мы получим массивную точку в пространстве, из которой быстрее скорости света извергается поток пространства-времени, несущий с собой массу и энергию. То есть получим белую дыру — точную инверсию чёрной дыры, в которую ничто, даже свет, не может попасть. И если математически, чтобы получить белую дыру, достаточно поменять знак у переменной t, в реальности это значит, что их, скорее всего, не существует, ведь в нашей Вселенной время течёт только в одну сторону. Но предположим, что это не так.

Противоречие «обратной эволюции»

Вопрос о том, что такое время и как именно оно работает, до сих пор остаётся неоднозначным и провоцирует философские споры. Но большинство физиков сходятся, что течение времени неразрывно связано со вторым законом термодинамики, то есть с неизбежностью роста энтропии, или меры неупорядоченности.

В этой картине то, что мы ощущаем как течение времени, есть рост энтропии Вселенной: она родилась в очень плотном и горячем состоянии Большого взрыва с низкой энтропией и движется к очень разреженному и холодному состоянию тепловой смерти с высокой энтропией. Но второй закон термодинамики — статистический. Он работает для больших систем и на больших отрезках времени. А ненадолго даже изолированная система может случайно оказаться в более упорядоченном состоянии.

Поэтому чисто теоретически, если для какой-то чёрной дыры второй закон термодинамики вдруг обратится вспять, она может начать вести себя как белая дыра. Но чем больше масса и дольше предполагаемое время аномалии, тем менее реалистично такое событие.

Поэтому вероятность того, что столь массивный объект, как чёрная дыра, будет эволюционировать назад во времени достаточно долго, чтобы мы смогли это обнаружить, оказывается настолько низкой, что практически не отличается от нуля. Именно поэтому белые дыры, скорее всего, не будут обнаружены в реальности, несмотря на лёгкость их описания теоретическими уравнениями.

Если и у вас есть вопросы к учёным об устройстве мира или человека, задавайте их в комментариях или по электронной почте question@polytech.one

Существуют ли белые дыры в том же смысле, в каком существуют чёрные?