В рамках общей теории относительности белые дыры столь же математически обоснованны, как и чёрные дыры. Чёрные дыры реальны; а как насчёт белых дыр?
Ключевые тезисы:
Многие законы физики, включая всё, что содержится в общей теории относительности Эйнштейна, симметричны как во времени, так и в пространстве: не имеет значения, идут ли ваши часы вперёд или назад.
Мы знаем, что чёрные дыры, существование которых математически предсказывается общей теорией относительности, абсолютно реальны, и в нынешнюю эпоху гравитационно-волновой астрономии мы обнаружили и измерили несколько сотен из них.
Математически и в контексте общей теории относительности белые дыры — это просто обращение чёрной дыры во времени. Могут ли белые дыры быть столь же реальными, как чёрные? И что их существование означало бы для нашей Вселенной?
Законы физики, выраженные в математической форме, дают нам возможность понять, какая из наших идей может существовать в принципе. Однако лишь наблюдая непосредственно, измеряя и экспериментируя с нашей Вселенной, мы можем определить, какая из многочисленных математических возможностей действительно описывает нашу физическую реальность. В общей теории относительности Эйнштейна одним из самых первых теоретических решений, когда-либо полученных, стало решение для чёрной дыры: области пространства, в которой сосредоточено столь много материи и энергии, что из этого объёма никакая материя или энергия (даже то, что движется со скоростью света) никогда не сможет вырваться наружу. Обратная сторона чёрной дыры — это столь же обоснованное математическое решение, представляющее собой обращённую во времени чёрную дыру: белую дыру, из которой спонтанно появляются материя и энергия.
Чёрные дыры были зафиксированы посредством разных типов наблюдений не просто как физически существующие, но и как весьма распространённые по всей Вселенной. А как насчёт их обращённого во времени аналога — белой дыры? Что такое белые дыры и могут ли они быть физически возможны для нашей Вселенной? Именно это хочет узнать Кристин Хаузер, которая спрашивает:
«[Я] наткнулась в блоге на случайный пост о белых дырах и подумала, не писали ли вы когда-нибудь о них? […] Держу пари, всё, что вы напишете, будет намного лучше того, что появляется на первой странице Гугла.»
Это одна из самых увлекательных возможностей, когда-либо предложенных. Давайте подробно рассмотрим всё, что нам об этом известно.
Идея белых дыр обретает гораздо больший смысл, если мы начнем с их более знакомого аналога — чёрной дыры. Впервые предложенная в XVIII веке Джоном Мичеллом, который называл их «тёмными звёздами», эта идея была основана на осознании следующего факта: подобно тому, как все массы во Вселенной имеют «скорость убегания» со своей поверхности (то есть существует определённая скорость, которую необходимо достичь, чтобы полностью преодолеть гравитационное притяжение), то если собрать достаточно массы в достаточно малом объёме, эта скорость убегания достигнет или превысит скорость света. Поскольку ничто не может двигаться быстрее этой скорости, такие объекты будут лишь поглощать свет и материю, но никогда не будут излучать ничего изнутри определённого расстояния: его горизонта событий.
Первоначально идея была выдвинута в контексте ньютоновской гравитации, но в 1915 году была опубликована общая теория относительности Эйнштейна, которая заменила теорию Ньютона всеобъемлющим законом тяготения. Тем не менее идея чёрных дыр сохранились: уже в 1916 году было показано, что они возникают и в теории Эйнштейна, были предложены версии чёрных дыр с электрическим зарядом и угловым моментом (то есть с вращением). И вновь, при достаточной массе в одной области пространства, образование чёрной дыры становилось практически неизбежным.
Удивительное явление, которое должно произойти внутри горизонта событий чёрной дыры согласно законам теории относительности — это образование сингулярности. Сингулярность, иногда в шутку называемая местом, где «Бог делил на ноль», это точка, где законы физики перестают действовать. В случае чёрной дыры это место, где правила, описывающие пространство и время, более неприменимы; всё выглядит так, как будто в этой точке на любой физический вопрос о системе вы получаете лишь бессмыслицу.
Независимо от того, какая конфигурация начальной материи и энергии была до образования чёрной дыры, как только этот материал коллапсирует и образует горизонт событий, возникновение сингулярности становится неизбежным. Если у нашей чёрной дыры есть только масса, сингулярность будет точкой, окружённой сферическим горизонтом событий. Если наша чёрная дыра обладает угловым моментом (то есть вращается), то сингулярность «размазывается» в одномерное кольцо, и законы физики нарушаются всюду вдоль этого кольца, давая бессмысленные ответы на любые вопросы, связанные с временем или пространством.
Хотя чёрные дыры сами по себе не излучают света, их воздействие на материю (от звёзд-компаньонов в двойных системах до падающего газа и вещества, а также фотонов, искажаемых гравитацией чёрной дыры), выдаёт их присутствие, и несколько лет назад это увенчалось наблюдением непосредственной визуализации света, огибающего горизонт событий чёрной дыры.
Итак, если всё, что мы описали выше, чёрная дыра, то что такое белая дыра?
Есть два способа посмотреть на это. Первый — просто признать, что общая теория относительности является теорией, симметричной во времени: если мы наблюдаем систему из материи и энергии, движущуюся сквозь ткань пространства во времени, мы не можем определить, идут ли часы вперёд или назад. Предсказания общей теории относительности симметричны во времени, что означает, что объекты движутся, ускоряются и взаимодействуют по одним и тем же законам в обоих случаях.
Это применимо даже к самым необычным ситуациям. Две чёрные дыры, обращающиеся друг вокруг друга по затухающей орбите и излучающие гравитационные волны, подчиняются тем же физическим законам, что и две чёрные дыры, обращающиеся друг вокруг друга и поглощающие гравитационные волны из окружения, удаляясь друг от друга со временем. Сжимающееся облако материи, распадающееся на сгустки, которые в итоге образуют звёзды, подчиняется тем же правилам, что и ряд расширяющихся сгустков материи, разлетающихся от точек своего происхождения и рассеивающихся в большое разреженное облако.
А материя, коллапсирующая с образованием горизонта событий, а затем сингулярности, то есть чёрной дыры, подчиняется в точности тем же правилам, что и сингулярность, из которой появляются материя и энергия, а также пространство и время. Рассмотрение обращённого во времени способа образования чёрной дыры — это один из вариантов представления белой дыры.
Другой способ представить себе белую дыру — не обращать стрелу времени, а сконструировать модель, где наше пространство обратимо. Прежде чем мы начнём ломать голову, как такое возможно, нужно рассмотреть аналог в реальном мире: сферическое зеркало. Если поместить сферическое зеркало в космос, мы сможем увидеть отражение всей внешней Вселенной, просто взглянув на зеркало под нужным углом.
Пространство-время внутри и снаружи горизонта событий чёрной дыры ведёт себя аналогично именно этой ситуации. Если рассмотреть чёрную дыру, определяемую только точечной массой, то есть чёрную дыру Шварцшильда, то для любого значения массы/энергии чёрной дыры мы также можем определить конкретный радиус (назовём его R) горизонта событий чёрной дыры.
Можно задавать всевозможные вопросы о том, «как ведёт себя пространство» на любом расстоянии от этой чёрной дыры... Итак, это расстояние мы можем обозначить как r. Существуют три случая:
r > R: мы находимся за пределами горизонта событий.
r = R: мы находимся на горизонте событий.
И r < R: мы находимся внутри горизонта событий.
А теперь довольно интересная часть: обращение пространства. Всё, что нужно сделать, это заменить r везде, где оно встречается, на его инверсию относительно горизонта событий: ℛ, которую мы можем определить как
ℛ = R²/r.
Примечательно, что теперь у нас есть те же три случая, но обращённые:
ℛ > R: мы находимся внутри горизонта событий,
ℛ = R: мы находимся на горизонте событий,
и ℛ < R: мы находимся за пределами горизонта событий.
Несмотря на то что теперь это противоположный набор условий для чёрной дыры, уравнения, описывающие пространство и время, идентичны для обоих случаев.
Это означает, что если мы представим чёрную дыру «вывернутой наизнанку», так, чтобы каждая точка внутри горизонта событий чёрной дыры (включая её сингулярность при r = 0) соответствовала точке за пределами горизонта событий (где сингулярность теперь оказывается всюду при r = ∞), и наоборот, мы получим идентичное физическое поведение, как у обычной чёрной дыры. Единственное различие — то, что было снаружи, теперь внутри, а то, что было внутри, теперь снаружи; всё просто обращено. Вместо чёрной дыры этот «вывернутый» объект теперь можно рассматривать как белую дыру.
Один из вопросов, который часто занимает физиков, таков: когда что-то пересекает границу и оказывается по ту сторону (то есть внутри) горизонта событий чёрной дыры, куда оно попадает? Конечно, можно просто сказать: «Оно попадает в центральную сингулярность чёрной дыры», но это неудовлетворительный ответ, особенно потому, что мы знаем: законы физики в сингулярности перестают работать.
Одна из рассматриваемых возможностей поведения внутри чёрной дыры состоит в том, что сингулярность может быть не просто точкой, куда вещи «уходят» после падения за горизонт событий, но и точкой, откуда вещи «появляются». Вместо того чтобы быть просто «концом» истории для материи, она может быть «началом» новой, иной истории.
Иными словами, вполне правдоподобно, что существуют события, соответствующие появлению больших количеств материи и энергии в определённом месте и времени, которые также выглядят как сингулярность. Не только чёрные дыры могут существовать в нашей Вселенной, но могут существовать и белые дыры: места, где вещи, по всей видимости, начинаются из начальной сингулярности. Физики не могут не заметить, что во многих отношениях это соответствует замечательному событию, произошедшему 13,8 миллиарда лет назад: горячему Большому взрыву.
Это порождает возможность того, что существует связь между чёрными дырами и возникновением новой Вселенной. Каждый раз, когда в нашей Вселенной образуется новая чёрная дыра, появляется ли «младенческая Вселенная», аналогичная белой дыре, где-то по ту сторону сингулярности?
Означает ли это также, что наша Вселенная и наш собственный горячий Большой взрыв возникли из состояния, не столь отличного от белой дыры, и было ли это, возможно, вызвано тем, что предшествующая Вселенная образовала чёрную дыру, следствием из которой стало наше появление?
Можно проделать забавный расчёт, требующий небольших усилий, который предполагает, что к этой идее стоит отнестись серьёзно. Если сложить всю материю и излучение в наблюдаемой Вселенной, то есть все атомы, все чёрные дыры, всю тёмную материю, все фотоны и все нейтрино, то мы получим значение эффективной «массы» наблюдаемой Вселенной. (Ведь если самое знаменитое уравнение Эйнштейна говорит нам, что E = mc², то также верно, что m = E/c², так что мы можем вычислить эквивалент массы для всего, что обладает энергией.) А затем, если представить, что вся эта масса пошла на создание чёрной дыры, можно рассчитать ожидаемый радиус горизонта событий чёрной дыры с массой, эквивалентной содержимому нашей наблюдаемой Вселенной.
Ответ на вопрос «Насколько велик был бы горизонт событий чёрной дыры с массой, эквивалентной всей материи и излучению в наблюдаемой Вселенной?» представляет собой замечательное число: около 16,5 миллиарда световых лет. Это примерно треть от фактического радиуса до края наблюдаемой Вселенной: 46,1 миллиарда световых лет. Более того, если бы не присутствие тёмной энергии (если бы вместо тёмной энергии у нас было больше обычной материи, тёмной материи, нейтрино или фотонов), эти два значения были бы ещё ближе друг к другу.
Хотя мы не наблюдаем никаких свидетельств существования белых дыр в нашей Вселенной, тот факт, что у нас был Большой взрыв и что в нашей Вселенной есть чёрные дыры, вполне согласуется с идеей, что на другом конце каждой когда-либо созданной чёрной дыры находится «белая дыра».
Более того, если углубиться в детали, то задавая вопрос, что происходит, когда мы пересекаем внешний горизонт событий вращающейся чёрной дыры, оказывается, что переживаемое нами очень похоже на то, что, как мы полагаем, испытала наша Вселенная непосредственно перед началом горячего Большого взрыва: период экспоненциального расширения, весьма схожий с тем, что сегодня известно как космическая инфляция.
Но действительно ли белые дыры существуют? Правда такова: мы никогда не видели ни одной белой дыры и не ожидаем когда-либо обнаружить их в нашей Вселенной. Горизонты событий, к сожалению, очень хорошо скрывают всё, что происходит по ту сторону от них. Возможно, в центральных областях внутри каждой чёрной дыры в нашей Вселенной есть нечто очень интересное, но мы никогда не сможем получить к ним доступ. Возможно, нечто очень интересное происходило в том, что породило нашу Вселенную до начала космической инфляции и её следствия, горячего Большого взрыва, но у нас нет возможности получить какую-либо информацию о том времени.
Действительное, имеющееся у нас сейчас знание, как бы нам ни хотелось его отрицать, состоит в том, что объём информации, присутствующей во Вселенной, конечен и не позволяет нам восстановить то, что происходит (или происходило) по ту сторону этих событий. Стоит помнить, что общая теория относительности допускает белые дыры как равноправную возможность, наряду с чёрными дырами, но наблюдательные свидетельства существования только в отгошении чёрных дыр были обнаружены в нашей Вселенной.
Математика может рассказать нам о возможных вариантах того, что могло бы произойти, но только наблюдения, измерения и эксперименты могут сказать, что действительно происходит в нашей Вселенной. Белые дыры остаются интригующей возможностью, но их физическое существование на данный момент можно назвать лишь... умозрительным.
Эта статья была впервые опубликована в феврале 2023 года. Обновлена в сентябре 2026 года.
