Черные дыры уже давно привлекают внимание как небесные объекты, от которых не может ускользнуть ничто, даже свет. Однако физики-теоретики предлагают менее понятный, но не менее интересный аналог: белую дыру.
В отличие от черных дыр, которые притягивают материю, белые дыры отталкивают ее.
Что такое белые дыры?
В астрофизике белая дыра представляет собой теоретическое явление, при котором материя и свет возникают из определенной области пространства, а не втягиваются в нее. Это полная противоположность черной дыре.
Возможно, вы уже знаете, что черная дыра — это область в космосе, где гравитация настолько сильна, что скорость убегания превышает скорость света, что делает невозможным выход света.
Скорость убегания — это скорость, с которой объекту придется двигаться, чтобы покинуть гравитационное поле планеты, такой как Земля , и вместо этого отправиться в космос.
Теоретическая основа белых дыр
Идея белой дыры коренится в решении черной дыры Шварцшильда, названном в честь немецкого физика и астронома Карла Шварцшильда, который сформулировал его в ответ на общую теорию относительности Эйнштейна.
Когда Шварцшильд формулировал уравнения, описывающие черные дыры, он обнаружил, что белые дыры могут существовать по тем же законам физики, что и черные дыры.
Расширение его решений для черных дыр с помощью инварианта обращения времени превратило сингулярность черной дыры в сингулярность белой дыры — область, которая будет выбрасывать материю, а не втягивать ее.
В контексте физики обращение времени означает представление сценария, в котором время течет вспять, меняя последовательность событий.
Решение Шварцшильда уравнений Эйнштейна описывает точечную особенность, окруженную горизонтом событий.
Общая теория относительности Эйнштейна
Общая теория относительности Эйнштейна — это теория гравитации, описывающая ее не как силу между объектами, как теория Ньютона, а как искривление пространства и времени, вызываемое массой и энергией.
Согласно этой теории общей относительности, планеты, звезды и другие массивные объекты искривляют пространство вокруг себя, и это искривление пространства и есть то, что мы воспринимаем как гравитацию.
По сути, по этим изгибам пространства движутся объекты, поэтому, например, Земля вращается вокруг Солнца.
Что такое точечная особенность?
Точечная сингулярность — это место в пространстве, где определенные величины (например, плотность или гравитация) становятся бесконечно большими.
Проще говоря, это похоже на точку, в которой все, что мы можем себе представить во всей Вселенной, включая сами законы физики, рушится, потому что все сжимается в невообразимо крошечном пространстве.
Физики часто используют эту концепцию для описания ядра черной дыры, где вся ее масса сосредоточена в одной точке.
Что такое горизонт событий?
Горизонт событий — это, по сути, граница вокруг черной дыры, за которую ничто не может выйти — даже свет.
Думайте об этом как о точке невозврата; как только что-либо пересекает эту границу, оно затягивается в черную дыру без возможности выбраться наружу. Это делает горизонт событий самым внешним слоем черной дыры, определяя предел, когда ее гравитационное притяжение становится слишком сильным, чтобы что-либо могло ускользнуть.
Как предположил Шварцшильд, в любопытном случае обращения времени, например в белой дыре, этот горизонт событий становится границей, из-за которой материя и свет могут только уйти, но не поглотиться.
Квантовые соображения о белых дырах
Когда вы рассматриваете белые дыры как концепции классической и квантовой гравитации, эти идеи расширяются еще дальше.
Квантовая механика, наряду с теориями квантовой гравитации, предсказывает такие явления, как излучение Хокинга, когда черные дыры испускают излучение из-за квантовых эффектов вблизи горизонта событий.
Применив обращение времени к этим процессам, некоторые ученые предполагают, что белые дыры могут аналогичным образом излучать материю и свет, что является физическим процессом, отражающим излучение Хокинга.
Существуют ли белые дыры?
Вопрос о том, существуют ли белые дыры, полон проблем. Никакие наблюдательные данные напрямую не подтверждают существование таких объектов в наблюдаемой Вселенной.
Однако теоретическая физика предлагает сценарии, при которых теоретически могут появиться белые дыры. Одна из возможностей — это космическая инфляция, или «большой взрыв», в ранней Вселенной, когда чрезвычайное расширение могло растянуть области пространства-времени, создав белые дыры.
Еще одна интригующая идея — теория большого отскока, которая предполагает, что наша Вселенная возникла как белая дыра, образовавшаяся из остатков коллапсирующей родительской Вселенной.
Петлевая квантовая теория гравитации
Астрофизик Эндрю Гамильтон предполагает, что если белые дыры существуют, то они могут быть остатками сверхмассивных черных дыр, которые претерпели квантовую гравитационную трансформацию, изменив свою роль с поглощения на вытеснение массы и энергии. Эта теория называется петлевой квантовой гравитацией.
Эта трансформация потенциально может произойти под воздействием темной энергии или темной материи, которые, как известно, влияют на Вселенную. Однако у физиков до сих пор нет четкого понимания того, как темная материя взаимодействует с фундаментальными частицами.
Связи с другими теоретическими основами
Исследование концепции белых дыр затрагивает несколько других областей физики. Например, гравитационное линзирование — явление, при котором свет огибает массивные объекты, такие как черные дыры, — может аналогичным образом применяться и к белым дырам, изменяя наше восприятие пространства позади них.
Более того, идея детской вселенной, потенциально рожденной из внешних слоев родительской вселенной через белую дыру, глубоко связана с теорией мультивселенной, предполагая, что наша Вселенная может быть лишь одной из многих.
Белые дыры также бросают вызов нашему пониманию теплового равновесия во Вселенной.
Поскольку они излучают, а не поглощают энергию и материю, теоретически они могут служить космическими семенами, рассеивая плотность энергии и фундаментальные частицы по Вселенной, тем самым влияя на формирование и эволюцию галактик способами, фундаментально отличными от черных дыр.
