Что такое белая дыра и чем она отличается от черной?
Возможность существования белых дыр впервые была предложена теоретическим астрофизиком Игорем Новиковым в 1964 году.
Белая дыра — это гипотетическая область в пространстве-времени, которая предсказывается как часть решения уравнений поля Эйнштейна.
Но давайте начнем с черных дыр, потому что их легче объяснить. Черные дыры образуются, когда центр большой умирающей звезды падает на себя. Вся масса выдавливается в бесконечно малый объем. Их гравитационное притяжение становится настолько большим, что даже свет не может избежать этого.
Белые дыры в точности противоположны черным дырам: хотя ничто не может вырваться из горизонта событий черной дыры, ничто не может войти в горизонт событий белой дыры. Проще говоря, белая дыра выплевывает все и ничего не входит.
Концепция белой дыры чрезвычайно сложна. Таким образом мы попытались объяснить это в небольших разделах. К концу этой статьи вы узнаете намного больше об этом интригующем явлении.
Существуют ли белые дыры?
Белая дыра — это просто теоретическая математическая концепция, и она не наблюдалась во вселенной. Большинство дискуссий о белых дырах вращаются вокруг слов «гипотетический», «неосуществимый» и «нереальный».
Они являются потенциальным решением законов общей теории относительности, которые подразумевают, что если существуют вечные черные дыры, то белые дыры также должны существовать во вселенной.
Ожидается, что они будут иметь такие свойства, как масса, заряд, момент импульса, но все, что приближается к белой дыре (даже со скоростью света), никогда не достигнет ее. Теоретически, в нашей вселенной недостаточно энергии, которая могла бы втянуть вас внутрь.
Они нарушают второй закон термодинамики
Одна из основных причин, по которой белые дыры считаются нереальными, заключается в том, что они уменьшают энтропию, что противоречит закону термодинамики.
Второй закон термодинамики гласит, что общая энтропия вселенной постоянно увеличивается, поэтому изменение энтропии всегда положительно. Вот почему белые дыры не вписываются в нашу текущую модель вселенной.
Доказательства в отношении белых дыр
Хотя свидетельства и информация, касающиеся белых дыр, остаются неопределенными, гамма-всплеск, названный GRB 060614, обнаруженный Свифтской обсерваторией Нила Гереля в 2006 году, считается первым зарегистрированным явлением для белой дыры.
В отличие от типичных гамма-всплесков, которые длятся всего несколько секунд, гибридный всплеск GRB 060614 длился замечательные 102 секунды, но не был связан со сверхновой. Это поставило под сомнение предыдущий научный консенсус в отношении черных дыр и других типов небесных тел, которые могут испускать гамма-всплески.
Белые дыры могут составить темную материю
В 2018 году ученые предположили, что белые дыры с микроскопическими диаметрами могут составлять темную материю. Такие крошечные белые дыры не будут излучать никакого излучения, и, поскольку они меньше длины волны света, они будут невидимы.
Темная материя составляет примерно 27% нашей вселенной, а ее локальная плотность составляет примерно 1% массы Солнца на кубический парсек. Чтобы учесть эту плотность с белыми дырами, команда оценила, что одна микроскопическая белая дыра (около одной миллионной грамма и намного меньше, чем протон) требуется на 10000 кубических километров.
Белые дыры могут даже предшествовать Большому взрыву
Другая интригующая теория, выдвинутая исследователями, заключается в том, что белые дыры могут объяснить Большой Взрыв, поскольку это еще один случай, когда спонтанно появилось огромное количество вещества и энергии.
Фактически утверждалось, что Большой Взрыв был результатом взрыва белой дыры, который предположительно извергал всю материю и информацию, которая была поглощена черной дырой.
Очевидно, мы не знаем, верна ли теория или нет, но опять же забавно думать, что жизнь возникла из белой дыры.
Белая дыра и черная дыра связаны через червоточину
Одна из главных причин изучения существования белых дыр заключается в том, что они могут раскрыть загадку: что происходит в центре черной дыры. Что происходит со всей информацией, которая засасывается?
Несколько теорий предполагают, что на другом конце черной дыры есть белая дыра. Вся материя и информация, поглощенная черной дырой, выбрасывается белой дырой в другую вселенную.
«Вход» черной дыры и «выход» белой дыры могут быть связаны с двумя совершенно разными вселенными. И то, что делает это соединение возможным, называется червоточиной: его можно представить в виде туннеля с двумя концами, каждый в разных местах в пространстве-времени.
Теория общей теории относительности имеет действительные уравнения, которые состоят из червоточин, однако, они еще не наблюдались во вселенной. Червоточина может соединять короткие расстояния (несколько метров), чрезвычайно большие расстояния (миллионы световых лет) или разные вселенные.
В 1935 году ученые открыли червоточину первого типа, называемую червоточиной Шварцшильда, с использованием общей теории относительности Эйнштейна. Вся метрика Шварцшильда состоит из белой дыры, черной дыры и двух отдельных миров, связанных на их горизонтах событий через червоточину.
Решение Шварцшильда имеет два действительных уравнения — положительный и отрицательный квадратный корень. Последнее объясняет, что черная дыра движется назад во времени, что также представляет собой белую дыру.
Белые дыры открывают возможности путешествий во времени
В определенных условиях червоточина может соединять две точки во времени вместо двух точек в пространстве. Таким образом, объект, проглоченный черной дырой, может пройти через червоточину и извергаться белой дырой в другой области времени [или пространства].
Тем не менее концепция имеет многочисленные недостатки. Например, объект, падающий в черную дыру, не сможет выдержать своего огромного гравитационного притяжения. А поскольку червоточина невероятно нестабильна, она мгновенно обрушится на себя.
Тем не менее некоторые физики показали, что червоточина (если она существует) может позволить путешествовать как в пространстве, так и во времени. Профессор Кип Торн из Калифорнийского технологического института, который также является лауреатом Нобелевской премии, предположил, что эти три явления (черные дыры, червоточины и белые дыры) могут позволить людям путешествовать во времени и назад (тысячи лет).
Честно говоря, существуют сотни теорий, касающихся белых дыр, но ученые не нашли убедительных доказательств, подтверждающих их существование. Может быть, в нашей огромной таинственной вселенной есть место даже для них.
Источник
Белые дыры в космосе – существуют ли они?
Если черные дыры «засасывают» пространство, то существуют ли белые дыры «выбрасывающие» его назад?
Может ли время течь в другую сторону?
Само по себе понятие «течение времени», конечно, весьма условно. Однако неоспорим тот факт, что мы воспринимаем время как равномерно текущий в одном направлении поток.
При этом уравнения Общей теории относительности (Альберт Энштейн) симметричны по отношению к направлению времени, то есть теория одинаково хорошо «работает», и когда время направлено вперед, в будущее, и когда оно направлено назад, в прошлое.
Черная дыра потому и называется черной, что не выпускает свет. Иным словами «увидеть» её просто – там где она находится больше не видно ничего!
Ничего необычного в этом нет, аналогичная ситуация имеет место и в теории тяготения Ньютона.
Допустим, что вокруг Солнца по эллиптической орбите движется комета. Если изменить направление времени, то комета все равно будет двигаться по той же эллиптической орбите, хотя, конечно, направление ее движения изменится. Однако характер его останется прежним: комета будет ускоряться, приближаясь к Солнцу, и замедляться, удаляясь от него.
Подобным же образом абсолютно упругий мяч будет падать из вашей руки на пол и отскакивать обратно, если направление времени сменится на противоположное.
Зная, что решения уравнений общей теории относительности симметричны относительно времени и что черные дыры образуются в результате гравитационного коллапса некой массы вещества в скрытую за горизонтом событий сингулярность, которая существует бесконечно долго, нельзя ли предположить существование подобных “дыр” с обращенным временем, т. е. процесса коллапса с обратным ходом развития событий?
Антипод черной дыры – белая дыра
Если бы такие процессы происходили во Вселенной, то в некоторой ее области вдруг обнаружился бы источник, не “засасывающий” вещество как черная дыра, а выбрасывающий вещество — белая дыра.
Она должна была бы содержать сингулярность, существовавшую с момента начала отсчета времени во Вселенной, и в какой-то случайный, непредсказуемый момент из этой сингулярности вдруг начало бы истекать вещество.
Вас может заинтересовать
Действительно, как после завершения формирования черной дыры на нее могут падать частицы, так, вероятно, они могут и вылетать из белой дыры, прежде чем она, взорвавшись в процессе обратного коллапса, превратится в облако из пыли и газа. Поскольку частицы и излучение могут вылетать из центральной сингулярности белой дыры, следовательно, эта сингулярность должна быть голой.
Возможность существования белых дыр серьезно обсуждалась в течение некоторого времени. По мнению ряда ученых, гипотеза белых дыр могла бы помочь объяснить феномен «взрывающихся галактик» и другие космические явления, сопровождающиеся большим выделением энергии, например квазары, из которых, возможно, происходит истечение вещества в нашу Вселенную.
На основании подобных представлений были найдены потенциально возможные решения, описывающие поведение таких необычных объектов.
В 1964 г. советский астрофизик И. Д. Новиков высказал предположение, что белые дыры могли бы появиться вследствие процессов, сопутствовавших Большому взрыву, в котором, согласно теоретическим представлениям, из сверхплотно сжатого вещества—начальной космологической сингулярности— возникла наша Вселенная.
Новиков рассуждал следующим образом: если некоторые области пространства-времени в момент Большого взрыва не приняли участия в немедленном процессе всеобщего расширения, то эти области, или «задержавшиеся ядра», могут взорваться на более поздней стадии эволюции Вселенной, создав белые дыры.
Ещё один вариант развития событий также не исключен: что если в других вселенных происходит коллапс вещества в черную дыру, то результатом этого может быть возникновение белой дыры в нашей Вселенной. Другими словами, «чью-то чужую» коллапсирующую звезду мы могли бы наблюдать как белую дыру!
Космическая «белая дыра» в воображении художника выглядит ярко и эффектно… Но существуют ли белые дыры на самом деле?
Возможно ли существование “белых дыр” во вселенной?
Следует отметить, что все представления о черных и белых дырах и о множественности вселенных, с которыми мы не можем поддерживать контактов иначе, как только с помощью дыр в пространстве-времени, основываются на нашем глубоком ощущении необходимости существования пространственно-временных симметрии.
В действительности черные и белые дыры не единственно возможные экзотические объекты, предсказываемые теорией. Обсуждалась также возможность существования так называемых «серых дыр», вещество которых, выплескиваясь, как в белых дырах, за горизонт событий, почти тотчас же начинает быстро сжиматься в процессе гравитационного коллапса. Могут ли белые (или серые) дыры существовать реально?
По мнению большинства специалистов, представления о пространственно-временных мостах во вращающихся и заряженных черных дырах слишком идеализированы и что такие мосты вряд ли в природе есть. Наиболее вероятно, что в черных дырах сингулярность, поглощающая вещество, пространственноподобна, и тогда нет оснований говорить о белых дырах, порождаемых коллапсом звезд в других вселенных (или в других областях одного и того же пространства-времени).
Что же касается так называемых «задержавшихся ядер», то и для них условия образования весьма неблагоприятны.
Итак, если черные дыры есть и это факт – возможно ли существование в космосе белых дыр, хотя бы теоретически? На самом деле точного ответа на этот вопрос нет, хотя есть ряд интересных теорий, проработанных достаточно хорошо в 1970-х г.г. К примеру, американец Д. М. Эрдли в 1974 г. пришел к следующим выводам:
- Если вблизи черной дыры излучение испытывает сильное красное смещение, то в окрестностях белой дыры оно должно претерпевать интенсивное фиолетовое смещение.
- На ранней стадии развития Вселенной, когда вещество и излучение были сжаты до сверхвысоких плотностей в малом объеме, вокруг потенциальной белой дыры должны были концентрироваться мощные сгустки высокоэнергетического излучения с сильным фиолетовым смещением.
- Если это так, то подобная невероятная энергия заключенная в невероятно же малых объемах, неминуемо привела бы к тому, что вокруг зарождающейся белой дыры сразу же сформировалась бы черная дыра, которая навсегда скрыла “белую” под своим горизонтом событий.
Впрочем, шанс на образование белой дыры все-таки есть.
Как показал К. Лэйк из университета г. Торонто, если процесс образования белой дыры чуть-чуть задержится и начнется не во время Большого взрыва (как считал Эрдли), а сразу после него, то шанс не создать черную дыру и не быть тут же ей поглощенной, все-таки есть. Правда и тут есть оговорки.
Лэйк рассмотрел три возможности:
- Некоторые белые дыры, вновь коллапсируя, превращаются в черные дыры
- Часть белых дыр расширяется далеко за пределы сферы Шварцшильда, и сегодня мы не можем уже считать их белыми дырами
- Некоторые локальные неоднородности, возникшие в процессе Большого взрыва, не перешли границу шварцшильдовского радиуса и все время оставались наблюдаемыми космическими объектами.
Вот этот третий частный случай нам и интересен. Правда, согласно расчетам Лэйка, для дыр третьего типа такое излучение должно испытывать сильнейшее красное смещение, вследствие чего эти источники должны иметь вид тусклых красноватых точек, а не эффектных катастрофических взрывов.
То есть, если белые дыры и существуют, то они неотличимы от черных дыр, а некоторые другие ученые, в том числе и Пенроуз, считают, что белые дыры вообще невозможны, так как они нарушают “принцип космической цензуры”: ведь их сингулярность, по крайней мере в принципе, можно наблюдать!
Все-таки белых дыр в космосе не существует?
В итоге, можно сделать вывод: хотя теория белых дыр в космосе красива и интересна, на самом деле никаких белых дыр в природе, по-видимому, нет. А даже если они и есть, то в лучшем случае это слабые, едва видимые объекты, а в худшем — они ни чем не отличаются от черных дыр.
Маловероятно, что белые дыры представляют собой яркие, эффектные источники вещества и энергии, с помощью которых нам удалось бы объяснить загадку гигантской светимости квазаров или, как предлагают некоторые авторы, определенных типов сверхновых звезд.
Источник