Взрыв мироздания - Олег Фейгин

Неутихающие споры вызывают и возможные космические сценарии происхождения коллапсаров. Так, большинство ученых считает, что застывшие звезды – это сингулярные остатки гравитационного коллапса достаточно больших масс, возникших при объединении нескольких мелких небесных тел и последующего гравитационного налипании вещества. Этот процесс очень напоминает рост снежного кома, первоначально слепленного из нескольких снежков и катящегося по снежному насту. Однако у определенной части космологов есть мнение, что черные дыры возникли изначально в процессе катаклизма Большого взрыва, приведшего к рождению нашей Вселенной. За последующие миллиарды лет часть из них слилась друг с другом, при этом многие коллапсары достигли гигантских размеров, образовав ядра квазаров и галактик.

Явление гравитационного коллапса дает столь обильную пищу для самых необычных теоретических построений, что среди них возникают даже представления о коллапсарах как протяженных телах, состоящих из вещества в необычном состоянии, застывшего в процессе коллапса подобно воде, превратившейся в лед. Международный коллектив физиков, сделавших такое смелое предположение, считает, что их модель сможет объединить общую теорию относительности и квантовую механику. Подобные инновационные модели застывших звезд позволяют избежать трудностей «стандартных» сингулярных схем, содержащих сингулярности с бесконечными плотностями материи – энергии, окруженные воображаемой поверхностью горизонта событий.

Эта воображаемая силовая оболочка является своеобразным Рубиконом для путешественников в глубины черной дыры, ведь перейдя этот незримый гравитационный барьер материальное тело в принципе не сможет возвратиться назад. Именно за горизонтом событий, или эргосферой, начинаются очень странные эффекты, о которых мы уже упоминали: пространство меняется по смыслу со временем, пространство – время меняет размерность и закручивается в кокон….

Как показали исследования Стивена Хокинга, гравитационная сингулярность глубоко парадоксальна и с точки зрения квантовой механики, поскольку допускает потерю информации из нашего мира. Впрочем, сам Хокинг в ходе умозрительных дальнейших построений уже неоднократно менял точку зрения.

В альтернативных концепциях черных дыр понятие горизонта событий отсутствует. Общая идея состоит в том, что существует сила, способная на определенном этапе остановить коллапс звезды. При этом материя меняет свои фундаментальные свойства, вещество становится антигравитирующим и в нем начинают преобладать силы отталкивания. Предполагается, что подобными свойствами обладает основная «начинка» нашей Вселенной – темная энергия, которая и вызывает наблюдаемое ускоренное расширение Метагалактики.

В окружающей нас природе вещество постоянно переходит в различные агрегатные состояния: газ – жидкость – твердое тело, нечто подобное предполагается и в ходе гравитационного коллапса. При сверхвысоких плотностях энергии вещество переходит в новое агрегатное состояние, как бы затвердевая в состоянии особой сверхкритичной кристаллизации. В результате образуется совершенно уникальный физический объект, который ученые назвали гравастаром. Физики-теоретики придумали для него образ эскимо: твердая корка из очень плотного, привычного нам «материального» вещества на уровне горизонта событий, и необычное содержимое внутри.

Поверхность сферы Шварцшильда действительно может служить своеобразным порталом в иную физику, где рядом с уравнениями общей теории относительности стоят законы фазового перехода обычного пространства – времени в иную сущность. Все это очень напоминает агрегатные превращения жидкостей. Например, когда вода замерзает, молекулы остаются прежними, а их коллективное поведение резко изменяется вместе с физическими законами, поскольку законы, применимые к жидкости, перестают действовать. А вот переход жидкости в поразительное состояние сверхтекучести, когда она способна вытекать из сосуда «вверх», будут определяться уже законами квантовой механики, действующей в мире элементарных частиц. Именно подобный квантовый фазовый переход и может иметь место при пересечении горизонта событий.

Мы затронули обжигающие своей новизной физические модели застывших звезд гравитационных коллапсаров, и конечно же, у их критиков находится масса возражений и вопросов. Например, каким именно образом изменяется состояние вещества или пространства – времени в процессе коллапса звезды? Действительно, превращение массивной звезды, состоящей из обычного газа, подчиняющегося школьным законам физики в объект со столь странной структурой, как гравастар, довольно сложно обосновать. Правда, здесь на помощь могут прийти различные варианты теории квантовой гравитации, например, теория струн объясняет парадоксы черных дыр без отказа от горизонта событий и теории относительности. Вот что писал о теории струн (она же теория стрингов, суперструн, мембран и многомерных бран) известный американский физик-популяризатор Джеймс Трефил:

«Различные версии теории струн сегодня рассматриваются в качестве главных претендентов на звание всеобъемлющей универсальной теории, объясняющей природу всего сущего. А это – своего рода священный грааль физиков-теоретиков, занимающихся теорией элементарных частиц и космологии. Теория всего сущего содержит всего несколько уравнений, которые объединяют всю совокупность человеческих знаний о характере взаимодействий и свойствах фундаментальных элементов материи, из которых построена Вселенная. Сегодня теорию струн удалось объединить с концепцией суперсимметрии, в результате чего родилась теория суперструн, и на сегодняшний день это максимум того, что удалось добиться в плане объединения теории всех четырех основных взаимодействий (действующих в природе сил).

Сама по себе теория суперсимметрии уже построена на основе априорной современной концепции, согласно которой любое дистанционное взаимодействие обусловлено обменом частицами-носителями взаимодействия соответствующего рода между взаимодействующими частицами. Для наглядности взаимодействующие частицы можно считать «кирпичиками» мироздания, а частицы-носители – цементом».

Что же находится в сердцевине застывших звезд, и какая концепция, новая или классическая, больше подходит для их описания? Здесь на помощь нам могут прийти еще одни таинственные объекты Вселенной – гравитационные волны. Согласно теории относительности массивные тела при ускоренном движении должны так искажать пространство – время, что по нему побегут колебания, воздействующие на другие массы. Такая своеобразная «рябь» пространства – времени и получила название гравитационных волн. Заметим сразу, что, несмотря на массу экспериментальных ухищрений, астрофизикам еще не удалось надежно зафиксировать сам факт наличия гравитационных волн, хотя теоретики и не сомневаются в их существовании.

Естественно, что массивные коллапсары должны в определенных условиях испускать гравитационные волны. Следовательно, если в будущем экспериментаторы откроют надежный способ детектирования гравитационных колебаний, то теория предсказывает, что по их спектру можно будет определить форму пространства – времени в окрестностях предполагаемых черных дыр.

А теперь давайте представим себе, что же увидит экспедиция, рискнувшая исследовать коллапсар. Поскольку почти все модели – и классические, и инновационные – предсказывают невозвратность погружения в пучины застывшей звезды, то в центр коллапсара мы отправим автоматический исследовательский зонд. До границы сферы Шварцшильда ничего необычного не происходит, вот только датчики радиации начинают показывать возрастание потоков различных элементарных частиц и электромагнитного излучения. Природа источников излучения раскрывается в непосредственной близости к поверхности Шварцшильда.