Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

зрения внешнего и падающего наблюдателя. Падающий наблюдатель за конечное собственное время достигнет сингулярности и сожмется в точку с бесконечной плотностью. Бесконечными становятся также гравитационные и приливные силы, которые разрывают самого прочного наблюдателя еще до достижения им сингулярной точки (его трагическую кончину любят обсуждать в популярных книгах). Таким образом, гравитация преодолела все барьеры и подвела нас вплотную к неотвратимой сингулярности или к неотвратимой необходимости ее уничтожения.

Парадоксальность ситуации в том, что в момент пересечения поверхности черной дыры падающий наблюдатель обнаруживает поразительный факт: оставшаяся Вселенная мгновенно проэволюционировала до конца своей истории или до своего бесконечного будущего. С точки зрения внешнего наблюдателя, внутренний наблюдатель, пересекая границу черной дыры, должен оказаться даже не в бесконечно далеком будущем, а в будущем, которое «расположено» за бесконечным временем внешней Вселенной. А с точки зрения падающего наблюдателя, внешний наблюдатель, даже будучи бессмертным, должен тем не менее каким-то образом умереть и закончить свою историю.

Это выглядит предельно странно, но именно так гласят строгие решения общей теории относительности. Роджер Пенроуз так описывает наблюдателя, падающего в черную дыру: «Когда он смотрит на Вселенную, которую он „покидает“, то, бросив на нее последний взгляд при пересечении [границы черной дыры], наблюдатель видит всю последующую историю остальной части его „прежней вселенной“» («Структура пространства-времени», 1972).

«То, что бесконечно во времени внешнего наблюдателя, конечно по часам падающего. Можно ли привести более наглядную иллюстрацию относительности понятия временной бесконечности?» (Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. «Релятивистская астрофизика», 1967). Современные учебники редко рассматривают факт несопоставимости точек зрения двух наблюдателей, но никто не может ответить на вопрос: что происходит с внешним наблюдателем и со всей внешней Вселенной в момент, когда падающий наблюдатель уже пересек границу черной дыры? Что такое время, большее, чем бесконечность? Этот парадокс незаслуженно забыт, хотя в свое время теоретики, включая группу Ландау, долго ломали над этим головы. Е. М. Лифшиц говорил: «Вы не можете себе представить, как трудно для человеческого мышления понять, как могут обе точки зрения быть верны одновременно» (цитируется по книге Torn K. «Black Holes and Time Warps», 1994).

Таким образом, мы имеем два факта, верных одновременно: для внешнего наблюдателя падающий смельчак навсегда застревает возле радиуса черной дыры. Падающий же наблюдатель обнаруживает, что черная дыра легко достижима, зато за его плечами остальная Вселенная закончила свою историю и историю всех своих внешних наблюдателей. Поверхность Шварцшильда не может остановить падение наблюдателя, а следовательно, он должен достичь центра черной дыры и сжаться в сингулярную точку вместе со всем содержимым черной дыры.

Неотвратимость наступления сингулярности с бесконечными физическими величинами в ней вызвало кризис в физике. Проигнорировать сингулярность, в которую устремляются падающие наблюдатели, нельзя еще и потому, что космология Большого взрыва часто строится, начиная с точки. Как отмечает С. Хокинг (1942–2018), «считается, что в момент Большого взрыва размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечно горячей». Следовательно, проблема сингулярности должна быть решена, потому что многие теории начинают расширение Вселенной из точки.

Наблюдатели доказали, что черные дыры существуют в системах двойных звезд и в центрах всех галактик, включая и нашу. В данную секунду мы вместе с Солнечной системой несемся со скоростью 220 километров в секунду вокруг гигантской черной дыры в центре нашей Галактики. Можно ночью найти на небе середину Млечного Пути на стыке созвездий Стрельца, Скорпиона и Змееносца и посмотреть на эту черную дыру, вернее — на то место, где главная черная дыра нашей Галактики прячется за темными межзвездными облаками.

Когда черные дыры в сознании ученых стали реальными объектами, вырос интерес к поведению вещества внутри черной дыры. Если гравитация преодолела все барьеры давлений и даже с помощью остановки времени нельзя удержать коллапсирующее вещество на радиусе Шварцшильда, то можно ли с помощью какого-нибудь трюка избегнуть бесконечной плотности в центральной особой точке, то есть в сингулярности?

Рассмотрим понятие сингулярности на примере двух теннисных мячей, летящих навстречу друг другу. Если мы попробуем описать их столкновение, исходя только из законов динамики (не учитывая законов упругости), то мы можем легко вычислить время соударения шаров. Запретив взаимопроникновение шаров, мы получим сжатие теннисных шаров при встрече в бесконечно тонкий и бесконечно плотный кружок. Такой кружок является двумерной сингулярностью. Появление сингулярности в расчетах в данном случае демонстрирует очевидную неполноту физической модели. Учет сил упругости легко приводит к ликвидации сингулярности и умеренной плотности в момент удара: мячи, сминаясь, передают свою кинетическую энергию в энергию упругого сжатия (резины и воздуха внутри), которая потом снова превращается в кинетическую энергию разлетающихся мячей и тепловую энергию, выделившуюся из-за некоторой неупругости соударения.

Таким образом, сингулярности в решении совсем необязательно означают ущербность фундаментальных теорий, на которых эта модель базируется. Модели всегда расположены на стыке объективной теории и субъективного человеческого умения (или неумения) упрощать сложную реальность до простой системы. Когда гравитационист наталкивается в своих решениях на такую ужасную вещь, как сингулярность, то перед ним возникает выбор: или обвинить в появлении этой непристойности себя и свою неправильную либо неточную модель, или переложить ответственность на общую теорию относительности и ее творца — Эйнштейна, который возразить уже не сможет. И часто побеждает желание отвести от себя обвинение. Мы воспротивимся этому желанию, от которого дурно пахнет отступлением, и рассмотрим в данной книге возможные решения проблемы сингулярности в рамках ОТО.

К сингулярной точке приводит сферически симметричное сжатие. Можно предположить, что отклонение от сферической симметрии решит проблему сингулярности. Е. М. Лифшиц (1915–1985) и И. М. Халатников (1919–2021) в 1963 году предприняли попытку решить проблему сингулярности и Большого взрыва в рамках классической теории Эйнштейна: они попробовали показать, что разлет вещества Вселенной (то есть Большой взрыв) возможен после несимметричного коллапса и пролета частиц мимо друг друга. Так комета, падая на Солнце, чаще всего промахивается и снова улетает на окраины Солнечной системы.

Эта модель исходила из симметрии во времени траекторий движения частиц в поле тяготения. На самом деле частица, падающая в гравитационном поле черной дыры, не может повторить свою траекторию после точки максимального сближения — гравитационное излучение отнимает у нее часть кинетической энергии и массы. Отсутствие гравитационных волн делало модель Лифшица — Халатникова слишком упрощенной. Эта модель могла бы стать более реалистичной, но ее развитию помешало увлечение физиков теоремами.

В 1965–1970 годах С. Хокинг и Р. Пенроуз доказали математическую теорему, согласно которой