Черные дыры

Роль эффектов квантовой гравитации. Сингулярности  — это болезнь общей теории относительности, и, как показывают строгие теоремы, болезнь неизлечимая. Однако имеются основания считать, что учет эффектов квантовой гравитации, приводящий к модификации уравнений Эйнштейна в областях с большой кривизной, является тем универсальным средством, которое предотвращает появление сингулярностей. Величина 1 пл = = sqrt(hG/c 3) ~- 10 -33 см, называемая планковской длиной, является характерным масштабом, возникающим при рассмотрении квантовогравнтационных явлений. Эффекты, связанные с квантовой природой гравитационного поля, оказываются существенными тогда, когда кривизна пространства-времени больше или порядка l пл -2 . Модификация уравнений Эйнштейна связана с добавлением в уравнения членов, учитывающих вклады в энергию-импульс квантовых эффектов поляризации вакуума и рождения частиц гравитационным полем. 

При сравнении  поляризации вакуума в гравитационном поле с поляризацией вакуума в  электростатическом поле выясняется одно крайне существенное отличие. Поляризация вакуума связана с действием электростатического поля на вакуумные виртуальные пары. В электрическом поле заряженные частицы виртуальной пары двигаются таким образом, что ближе к заряду, создающему внешнее поле, находится частица виртуальной пары, имеющей противоположный заряд. Поэтому даже в том случае, когда отсутствует рождение реальных частиц из вакуума, взаимодействие виртуальных пар при усреднении приводит к экранировке внешнего заряда. Наблюдаемый на бесконечности заряд оказывается меньше, чем заряд, внесенный в вакуум. 

В гравитационном поле, поскольку одноименные заряды притягиваются, имеет место обратное явление. Эти простые качественные соображения подтверждаются результатами, полученными в 1977 г. советскими учеными Г. А. Вилковыским и Е. С. Фрадкиным, которые свидетельствуют в пользу того, что квантовая гравита-ция является так называемой “асимптотически свободной” теорией, т. е. теорией, в которой константа взаимодействия на малых расстояниях, эффективно уменьшаясь, обращается в ноль. В соответствии с этим эффекты квантовой гравитации проявляются в ослаблений силы притяжения на малых расстояниях. Это может привести к отсутствию сингулярности при гравитационном коллапсе. В пользу такой возможности свидетельствует также то, что в квантовой теории условие положительности плотности энергии нарушается, и поэтому строгие теоремы, которые используют это предположение в той или иной форме, перестают работать. Вопрос о роли эффектов квантовой гравитации вообще и в черных дырах в частности чрезвычайно важен. И хотя квантовая гравитация как теория еще далеко не завершена, а применение ее к исследованию конкретных вопросов'связано со значительными, часто принципиальными трудностями, уже полученные на этом пути результаты подтверждают надежду на то, что квантовая гравитация действительно устранит сингулярности. 

Белые дыры 

По ту сторону  черных дыр, как полагают некоторые  астрофизики, расположены объекты  не менее загадочные: «белые дыры». Если черные дыры без устали поглощают материю, белые дыры неустанно порождают ее. Одни пожирают целые миры, другие порождают новые миры. Воистину их симбиоз есть Начало и Конец, Альфа и Омега. Здесь могила Прошлого смыкается с колыбелью Будущего. Разумеется, это лишь гипотеза. Но почему бы не отправиться по следам одной опубликованной гипотезы? 

Возможно, космос и впрямь — один гигантский организм? Живой организм с присущими всему  живому процессами? Поглощение, порождение, поглощение, порождение... Если это так, то закономерности его бытия мы только начинаем постигать. 

Вот уже несколько  десятилетий внимание ученых и читателей  привлекают «черные дыры». Сперва —  предполагаемые объекты Вселенной, теперь — изучаемые. Для чего они, эти бездны, утягивающие в себя всю окружающую материю? Вселенная, словно страшный зверь, усеянный тысячами пастей, охотится за звездами, планетами, космической пылью. Как предполагают ученые, посредине каждой галактики ширится подобная пасть, хлопает клубами гибнущей материи. 

Так было. Ученые сомневались, критиковали эту модель, но смирились, приняли ее как нечто неизбежное. В расцвете жизни космос объят смертью. 

С недавних пор  за этими мертвыми безднами что-то забрезжило. Стал пробиваться — по крайней  мере, в некоторых гипотезах —  таинственный, нездешний свет. Вдруг вспышка, выброс энергии, выброс материи. Рождение? Воскресение? Что? И разверзлись тут белые дыры... 

Разумеется, эта  идея так же гипотетична, как выглядела  поначалу идея Карла Шварцшильда  о существовании черных дыр. «Белые дыры» никто не наблюдал воочию — разве что... на экране монитора. 

Астрофизики Калифорнийского  университета, моделируя на суперкомпьютере  процесс формирования Вселенной, с  удивительной неизбежностью получали в своей модели не только реки «мертвой воды», впадающие в свои бездны — черные дыры, но и ключи «живой воды» — потоки материи и энергии, пробивающиеся из «белых дыр». Модель создавалась учеными исключительно на основании формул общей теории относительности. «По теории Эйнштейна, время может течь вспять» — поясняет космолог Блейк Темпл (подробнее об этом смотрите статью В. Барашенкова и М. Юрьева в «ЗС», 2005, № 1). Именно здесь и кроется залог существования «белых дыр». «Эти странные объекты вполне удовлетворяют законам природы. В сущности, белые дыры — это... те же черные дыры, время в которых течет вспять». 

Если оба направления  стрелы времени для Вселенной  равнозначны, то тогда должно существовать столько же белых дыр, сколько  и черных. Белые дыры, убежден  Темпл, разбросаны по всему космосу. Некоторые физики сравнивают их с вулканами, извергающими материю, поглощенную черными дырами. В чем-то они напоминают зоны спрединга — зоны разрастания земной коры, откуда изливается базальтовая лава. Существование таких зон — важная часть новой глобальной тектоники, то есть теории движения литосферных плит. 

Земная поверхность  не бесконечна. Если в зонах спрединга  плиты пополняются новым материалом, то где-то в другом месте материал должен убывать. В самом деле, существуют зоны, где две плиты сталкиваются и одна из них подминается под другую. Материал плиты вдавливается в раскаленную мантию Земли и плавится. Двигаясь вниз, он увлекает за собой часть океанического дна. Чем не черная дыра, расположенная посреди океана? Не правда ли, этот планетарный механизм, движущий континенты, напоминает ту самую астрономическую махину, как она представляется, например, Темплу? 

Кстати, некоторые  космологи полагают, что наша планета  все еще... пребывает в утробе —  в огромном «родовом канале» гигантской белой дыры. «Мы только рождаемся; нас крайне медленно выдавливает наружу, — полагает американский исследователь Джоэль Смоллер. — Только покинув белую дыру, мы наконец увидим ее со стороны». 

Увидим абсолютно  иной мир? Некоторые исследователи  полагают даже, что по ту сторону  «белых дыр» времени нет вообще, как нет и смерти. В любом случае вернуться оттуда в наш мир будет невозможно. У этого путешествия никогда не будет конца. 

Впрочем, как  показали расчеты, помимо гигантских белых  дыр, чреватых новыми мирами, существуют и небольшие белые дыры, возникающие ненадолго. Они появляются на свет всякий раз, когда рождается «дочерняя Вселенная». Под этим термином космологи понимают некую замкнутую вселенную, «отпочковавшуюся» (см. «ЗС», 2000, № 1) от одного из регионов нашей Вселенной, но связанную с нашим пространством-временем. Связанную как? Теми самыми таинственными парами – черной и белой дырами. Наблюдая за звездным небом, мы можем отыскивать лишь черные дыры; их двойники недоступны нашему наблюдению, как недоступна земным звездочетам обратная сторона Луны. 

Если Вселенную  мы сравнили с живым организмом, то с не меньшим правом мы должны именовать так пару «черная дыра — белая дыра». Все, что в нашей  Вселенной — вот мы уже в  области черной дыры — распадается  до атомов, до электронов, в дочерней Вселенной рождается, разрастается. Из кирпичиков мироздания по мановению физических законов возводится новый мир. 

А нельзя ли проникнуть в него и выплыть по ту сторону? Мысль о существовании «гипервселенских мостов» будоражит умы ученых. Но не повиснет ли мост в пустоте, едва пустишься по нему в путь? 

По расчетам, многие белые дыры, связывающие нашу Вселенную с дочерними, возникают  очень ненадолго. Это — яркие, но эфемерные вспышки, что освещают изнанку черной дыры и тут же гаснут. Прибегая к утилитарному сравнению: спичка — черная дыра у вас в руках. Огонь, разгоревшийся на миг на конце спички, — белая дыра. Огонь угас; накопленная энергия расточилась. В цифири же это выглядит так: если белая дыра в 10 раз больше нашего Солнца, то она «прогорит» всего за тысячную долю секунды. Даже если белая дыра разрослась в миллионы солнц, ей сиять не больше минуты. 

Итак, чтобы проскочить по этому «мосту», надо вовремя возле  него оказаться, иначе он растает, не оставив и следа. Или, перефразируя Мао Цзэдуна (в большом космическом путешествии все кормчие хороши?), черную кошку можно поймать в темной комнате, пока горит спичка. Вот только сегодня никто и не возьмется сказать, где эта спичка вспыхнет. 

Так что пока пути нет, остается... строить корабли. Ученые уже рассуждают о том, как могут выглядеть аппараты, увозящие в несусветную космическую даль. Они будут разительно отличаться от нынешних. Их размеры будут гигантскими, ведь на борту корабля людям придется жить сотни лет. Стартовать такие корабли будут с Марса, где сила притяжения значительно ниже. 

По мнению американского  антрополога Джона Мура, подобный корабль увезет в космос 150 — 180 человек, все семейные пары, пока не имеющие  детей. Настоящий городок в открытом космосе. За время полета в городке  сменится 6 — 8 поколений людей. «В каждом поколении, — рассуждает Мур, — любой астронавт имеет возможность выбрать себе одного из примерно десятка потенциальных партнеров». Их дети будут расти в самой естественной природной среде — на борту корабля; другой среды они не знают. Благодаря семейной поддержке людям будет легче выносить тяготы бесконечного путешествия. 

Когда-то в такие  путешествия пускались полинезийцы. Просторы Тихого океана бросали им вызов. Нигде в океане, кроме островов, этих «планет водного мира», они  не могли остановиться, осесть. Они открывали все новые острова и продолжали кочевать. Так кочевали прежде и в Великой степи, пока некоторые народы, населявшие ее, не сумели заставить ее плодоносить, — не открыли сельское хозяйство. Может быть, и космос со временем окажется не мрачной пустыней, а источником все новых богатств.  

Конечно, подобный корабль — лишь малая веха на пути в космос. Но даже «малый шаг  человека» (Н. Армстронг) станет «великим шагом». Возможно, когда-нибудь на нашем  пути нам и впрямь встретится «белая дыра» — предвестие новой части света, лежащей далеко за пределами света.