Физики предполагают, что наша Вселенная существует внутри чёрной дыры
Эта странная теория, над которой физики работают уже ни одно десятилетие, может пролить свет на многие вопросы, на которые не в состоянии ответить знаменитая теория Большого взрыва.
Согласно теории Большого взрыва, до того, как Вселенная начала расширяться, она пребывала в сингулярном состоянии-то есть в бесконечно малой точке пространства содержалась бесконечно высокая концентрация материи. Эта теория позволяет объяснить, например, почему невероятно плотная материя ранней Вселенной начала расширяться в пространстве с огромной скоростью и образовала небесные тела, галактики и скопления галактик.
Но в то же время, она оставляет без ответа и большое количество важных вопросов. Что спровоцировало сам Большой взрыв? Каков источник таинственной тёмной материи?
Теория о том, что наша Вселенная находится внутри чёрной дыры, может дать ответы на эти и многие другие вопросы. И к тому же в ней объединены принципы двух центральных теорий современной физики: общей теории относительности и квантовой механики.
Общая теория относительности описывает Вселенную в самых крупных масштабах и объясняет, как гравитационные поля таких массивных объектов, как Солнце, искривляют время-пространство. А квантовая механика описывает Вселенную в самых мелких масштабах — на уровне атома. Она, например, учитывает такую важную характеристику частиц, как спин (вращение).
Идея состоит в том, что спин частицы взаимодействует с космическим временем и передаёт ему свойство, называемое «торсион». Чтобы понять, что такое торсион, представьте космическое время в виде гибкого прута. Сгибание прута будет символизировать искривление космического времени, а скручивание — торсион пространства-времени.
Если прут очень тонкий, вы можете его согнуть, но разглядеть, скручен он или нет, будет очень сложно. Торсион пространства-времени может быть заметен только в экстремальных условиях — на ранних стадиях существования Вселенной, либо в чёрных дырах, где он будет проявляться как сила отталкивания, противоположная гравитационной силе притяжения, исходящей от кривизны пространства-времени.
Как следует из общей теории относительности, очень массивные объекты заканчивают своё существование, сваливаясь в чёрные дыры — области космоса, от которых не может ускользнуть ничего, даже свет.
В самом начале существования Вселенной гравитационное притяжение, вызванное искривлением пространства, будет превосходить силу отталкивания торсиона, благодаря чему материя будет сжиматься. Но затем торсион станет сильнее и начнёт препятствовать сжатию материи до бесконечной плотности. А поскольку энергия обладает способностью превращаться в массу, то чрезвычайно высокий уровень гравитационной энергии в этом состоянии приведёт к интенсивному образованию частиц, отчего масса внутри чёрной дыры будет нарастать.
Таким образом, механизм скручивания предполагает развитие поразительного сценария: каждая чёрная дыра должна порождать внутри себя новую Вселенную.
Если эта теория верна, то материя, из которой состоит наша Вселенная, тоже привнесена откуда-то извне. Тогда наша Вселенная тоже должна быть образована внутри чёрной дыры, существующей в другой Вселенной, которая приходится нам «родительской».
Движение материи при этом всегда происходит только в одном направлении, чем обеспечивается направление времени, которое мы воспринимаем как движение вперёд. Стрелка времени в нашей Вселенной, таким образом, тоже унаследована из «родительской» Вселенной.
Источник
В черных дырах могут быть вселенные. Рассказываем о новом открытии
Астрофизики показали, что в заряженных черных дырах теоретически могут существовать экзотические фрактальные объекты и множество других необычных вещей. Разбираемся, что мы вообще знаем о черных дырах теперь.
Что такое черные дыры?
Черные дыры — массивные космические объекты. Увидеть их почти невозможно, поскольку они не отражают свет, даже, наоборот, поглощают его в прямом смысле слова. Их сила притяжения настолько велика, что даже лучи света не могут устоять, и они попадают под влияние дыры. Поэтому вокруг нее «изображение» космоса нам кажется расплывчатым и искаженным. Это видно на картинке выше.
Черные дыры — не черные шары, какими мы привыкли видеть их. Они прозрачные, но оставляют черную тень. Это даже не дыра, а шарообразный поглотитель всего, что попадает под влияние его гравитации.
Как возникают черные дыры?
Звезды, превышающие массу и размеры нашего Солнца во много раз, в конце своей жизни взрываются и образуют либо нейтронную звезду, либо начинают сильно сжиматься, словно «падая» внутрь себя, стремительно уменьшая свои размеры при неизменной массе. Плотность материи в сжимаемой точке становится очень высокой, соответственно, гравитация сильно увеличивается. Когда размер звезды становится настолько мал и плотность настолько высока в одном месте, она «проваливается» внутрь себя, в результате чего появляется черная дыра.
Черная дыра, например, массой с одно Солнце будет по размеру меньше, чем наше светило.
Однако такие маленькие звезды, как наше Солнце, не превратятся в конце жизненного цикла в черную дыру — их масса недостаточна даже для взрыва и образования сверхновой. Взрыв, конечно, будет, однако на финальном этапе маленькие звезды превращаются в белых карликов — в очень маленькие и горячие звездочки, которые тоже вскоре затухнут.
В настоящее время мы знаем о четырех разных способах образования черных дыр
- Лучше всего изучен тот, что связан со звездным коллапсом. Достаточно большая звезда образует черную дыру после того, как ее ядерный синтез прекращается, потому что все, что уже можно было синтезировать, было синтезировано. Когда давление, создаваемое синтезом, прекращается, вещество начинает проваливаться к собственному гравитационному центру, становясь все более плотным. В конце концов оно настолько уплотняется, что ничто не может преодолеть гравитационное воздействие на поверхность звезды: так рождается черная дыра. Эти черные дыры называются «черными дырами солнечной массы», и они наиболее распространены.
- Следующим распространенным типом черных дыр являются «сверхмассивные черные дыры», которые можно найти в центрах многих галактик и которые имеют массы примерно в миллиард раз больше, чем черные дыры солнечной массы. Пока доподлинно неизвестно, как именно они формируются. Считается, что когда-то они начинались как черные дыры солнечной массы, которые в густонаселенных галактических центрах поглощали множество других звезд и росли. Тем не менее, они, похоже, поглощают вещество быстрее, чем предполагает эта простая идея, и как именно они это делают — все еще остается предметом исследований.
- Более спорной идеей стали первичные черные дыры, которые могли быть сформированы практически любой массой в крупных флуктуациях плотности в ранней Вселенной. Хотя это возможно, достаточно трудно найти модель, которая производит их, при этом не создавая чрезмерное их количество.
- Наконец, есть идея о том, что на Большом адронном коллайдере могут образовываться крошечные черные дыры с массами, близкими массе бозона Хиггса. Это работает только в том случае, если у нашей Вселенной имеются дополнительные измерения. Пока не было никаких подтверждений в пользу этой теории.
Насколько большие черные дыры?
Можно представить горизонт черной дыры как сферу, и ее диаметр будет прямо пропорциональным массе черной дыры. Поэтому чем больше массы падает в черную дыру, тем больше становится черная дыра.
По сравнению со звездными объектами, черные дыры крошечные, потому что масса сжимается в очень малые объемы под действием непреодолимого гравитационного давления. Радиус черной дыры массой с планету Земля, например, всего несколько миллиметров. Это в 10 000 000 000 раз меньше настоящего радиуса Земли.
Радиус черной дыры называется радиусом Шварцшильда в честь Карла Шварцшильда, который впервые вывел черные дыры как решение для общей теории относительности Эйнштейна.
Где находятся черные дыры?
Чаще всего они расположены в центре галактик. Они имеют большую силу притяжения, благодаря чему им удается удерживать звездные системы на очень большом расстоянии, образуя галактики, известные нам сейчас.
В центре нашего Млечного пути тоже есть сверхмассивная черная дыра под названием Стрелец А*. Она тяжелее Солнца в 4.02 млн раза, а радиус ее ≈ 45 астрономическим единицам (одна астрономическая единица = одному расстоянию от Земли до Солнца).
Помимо сверхмассивных черных дыр в центрах галактики есть и «локальные», образующиеся после кончины массивных звезд.
Что внутри черной дыры?
Никто не знает наверняка. Общая теория относительности прогнозирует, что в черной дыре сингулярность, место, в котором приливные силы становятся бесконечно большими, и как только вы преодолеваете горизонт событий, то уже не можете попасть куда-либо еще, кроме как в сингулярность. Соответственно, общую теорию относительности лучше не использовать в этих местах — она попросту не работает. Чтобы сказать, что происходит внутри черной дыры, нам нужна теория квантовой гравитации. Общепризнано, что эта теория заменит сингулярность чем-то другим.
Почему внутри черной дыры могут быть вселенные?
Существует множество гипотетических черных дыр — с электрическим зарядом или без него, вращающиеся или неподвижные, окруженные материей или плавающие в пустом пространстве. Некоторые из этих гипотетических черных дыр наверняка существуют в нашей Вселенной. Например, вращающаяся черная дыра, окруженная падающей материей — довольно распространенный тип этих объектов.
Но некоторые другие виды черных дыр являются чисто теоретическими. Описать их поведение и свойства можно, полагаясь только на математические методы. Одним из таких объектов является электрически заряженная черная дыра, окруженная антидеситтеровским пространством. Этот вид пространства имеет постоянную отрицательную геометрическую кривизну и похож по форме на седло.
Такого пространства в нашей Вселенной не существует, но его существование в теории открывает множество интересных эффектов, которые можно исследовать. Одна из причин, по которой это стоит исследовать, заключается в том, что заряженные черные дыры имеют много общего с вращающимися черными дырами, существующими в нашей Вселенной.
Авторы нового исследования обнаружили, что когда такие черные дыры становятся относительно холодными, они создают «туман» из квантовых полей вокруг своей поверхности. На поверхности объекта этот туман поддерживает гравитация черной дыры, но выталкивает наружу электрическое поле. В результате в таком тумане формируется сверхпроводящая среда. У таких черных дыр помимо обычного горизонта событий есть еще и внутренний горизонт. Благодаря этому в заряженные черные дыры можно проникнуть и не разорваться на атомы.
Ученые показали, что по ту сторону заряженной черной дыры вас могут ждать загадочные эффекты. Исследователи обнаружили, что самые внутренние области сверхпроводящей черной дыры могут представлять собой расширяющуюся Вселенную — место, где пространство может растягиваться и деформироваться с разной скоростью в разных направлениях.
Более того, в зависимости от температуры черной дыры в некоторых из этих областей пространства может произойти новый виток колебаний, который затем создаст еще один участок расширяющегося пространства, он вызовет новый виток колебаний, который затем создаст новый участок расширяющегося пространства, и так далее до бесконечности. Это будет фрактальная мини-Вселенная, бесконечно повторяющаяся с уменьшением размеров.
Источник
Мы живем в черной дыре. А может и нет.
Когда дело доходит до нашего понимания вселенной, 20-й век полон сюрпризов. Чуть более 100 лет назад мы думали, что галактика Млечный путь была домом для всего, что мы могли видеть в небе. Мы думали, что Вселенная статична, неизменна и, возможно, вечна, управляется законом всемирного тяготения Ньютона.
Все это резко изменилось за несколько коротких лет. Общая теория относительности Эйнштейна вытеснила гравитацию Ньютона, показав нам связь между материей и энергией и структурой пространства-времени. Согласно его уравнениям, Вселенная не может быть статичной, но должна изменяться с течением времени: факт, подтвержденный открытием расширяющейся вселенной. Его теория также предсказывала существование черных дыр, которые позже были открыты, обнаружены и даже изображены непосредственно.
Это привело к дикой (но все же интересной) идее: возможно, наша Вселенная родилась из черной дыры. Вот что делает эту идею столь убедительной. Определяющей чертой черной дыры является наличие горизонта событий: границы, которая разделяет пространств и время для объектов вне ее и для объектов внутри нее. Вне горизонта событий черной дыры любой объект будет испытывать ее гравитационные эффекты, поскольку пространство будет искривлено присутствием черной дыры, но он все еще может убежать. Если он движется достаточно быстро или ускоряется достаточно быстро в нужном направлении, он не обязательно упадет в черную дыру, но может вырваться из-под ее гравитационного влияния. Однако, как только объект пересекает горизонт событий, он сразу же обречен быть включенным в центральную сингулярность черной дыры. Из-за того, насколько сильно искривлена ткань пространства-времени внутри черной дыры, падающий объект достигнет сингулярности в течение нескольких секунд после пересечения горизонта событий, увеличивая массу черной дыры. Для человека, находящегося за горизонтом событий, черная дыра, по-видимому, формируется, набирает массу и растет с течением времени. Но какое это имеет отношение к нашей вселенной? Если взять все известные и измеримые формы материи которые мы можем видеть до 46 миллиардов световых лет во всех направлениях, и сложили всю энергию и материю во всей наблюдаемой вселенной, можно получить эквивалентную массу для Вселенной, используя самое известное соотношение Эйнштейна: E = mc2. Возникает закономерный вопрос: если бы вся Вселенная была сжата в одну точку, что бы произошло? Ответ такой же, как если бы вы сжали любое достаточно большое скопление массы или энергии в одну точку: оно образовало бы черную дыру.
Примечательно, что радиус Шварцшильда черной дыры с массой всей материи в наблюдаемой Вселенной почти точно равен наблюдаемому размеру видимой вселенной! Это само по себе кажется замечательным совпадением, поднимающим вопрос о том, может ли наша Вселенная действительно каким-то образом быть внутренней частью черной дыры. Но это только начало истории; по мере того, как мы погружаемся глубже, все становится еще интереснее. В середине 1960-х годов было сделано открытие, которое произвело революцию в нашей концепции вселенной: однородный, всенаправленный поток низкоэнергетического излучения идущий со всех сторон. Это излучение имело одинаковую температуру во всех направлениях, теперь определяемую как 2.725 к, Всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Излучение имело практически идеальный спектр черного тела, как будто оно имело горячее, тепловое происхождение, с минимальными отклонениями в температуре независимо от направления. Это радиоизлучение известное как космический реликтовое — представляло собой важнейшее доказательство того, что наша Вселенная расширяется и охлаждается, потому что в прошлом она была более горячей и плотной.
Чем дальше назад мы экстраполируем, тем меньше, однороднее и компактнее были вещи. Эта картина горячего Большого взрыва, по-видимому, приближается к сингулярности-тому же самому состоянию, которое наблюдается в центральных недрах черных дыр: месту, где плотность, температура и энергия настолько экстремальны, что сами законы физики нарушаются. Если посмотреть на уравнения черной дыры, можно заметить интересную особенность. Независимо в каком направлении вы двигаетесь от радиуса Шварцшильда (горизонта событий), что наружу, что вовнутрь, вы обнаружите, что все свойства пространства вне горизонта событий черной дыры и свойства пространства внутри горизонта событий черной дыры, идентичны в каждой отдельной точке. То есть, математически получается, что сингулярность выступает в роли непроницаемой стены между вселенными…
И в какой из вселенных живем мы это еще вопрос, внутри черной дыры или снаружи. А может быть все это относительно? К сожалению, не хватает ключевого шага уникальной идентифицируемой подписи, которая могла бы сказать нам, так это или нет. Это один из самых трудных шагов для любого физика-теоретика: определить эффекты новой идеи в нашей наблюдаемой Вселенной. Но пока нельзя отрицать возможность такого устройства мироздания. Возможно вселенных много, если принять каждую черную дыру за границу контакта, то их многие миллиарды. А где среди этого полчища пространств наше место вопрос будущего.
Источник