Раз – вселенная, два – вселенная

Это размышления о космологии – о черных дырах и множественных вселенных. Мои мысли почти наверняка не являются оригинальными идеями. Это, скорее, компилляция чужих идей или обрывков статей, отраженных в моем сознании дилетанта от физики. Написано на эту тему уже невероятно много, и у меня просто нет сил и способностей для того, чтобы всерьёз освоить физическую литературу про черные дыры со всей прилагающейся математикой. Некоторые мысли приходили мне в голову самостоятельно, но и они, наверняка, не оригинальны.

Правильнее всего, думаю, начать со СТО.
Когда после долгих раздумий первые проблески понимания СТО осветили туман в моей голове, я необычайно вдоховился идеей, что любые расстояния относительны, и что изменение скорости может превратить сколь угодно большое расстояние в сколь угодно маленькое. И, значит, даже такое невообразимо гигантское пространство, как пространство Вселенной, если только оно конечное, при достижении наблюдателем (почти) скорости света, сожмется в плоский “блин” (почти) нулевой толщины, с застывшим временем.
Продолжив движение, наблюдатель быстро вылетит из “блина” нашей Вселенной, и окажется, фактически, в другой Вселенной, движущейся (почти) со скоростью света относительно нашей. Хотя это будет всё то же единое пространство Минковского, и, скорее всего, оно должно быть совершенно пустым – иначе пролёт нашей “сплющенной” Вселенной сквозь ту Вселенную стал бы катастрофой вселенского же масштаба.
На сплющивании Вселенной в плоскость моё воображение не останавливалось, мне хотелось большего. Я полагал, по наивности, что, если бы теперь воображаемый наблюдатель мог (повернув двигатели) снова разогнаться до скорости света в направлении перпендикулярном первоначальному направлению, то исходная Вселенная превратилась бы из плоскости в тонкую линию. А, если бы наблюдатель разогнался еще раз, используя третье, последнее пространственное направление, то вся наша нынешняя огромная Вселенная для него сжалась бы из прямой линии в крохотную точку. Только подумайте: ВСЯ Вселенная – в точку!
Я был в восторге от этой идеи, мне показалось, что я углядел некий гениальный “божественный” замысел, заключенный в столь поразительной гибкости, безразмерности пространства – оказалось, что наш гигантский мир может обернуться крошечным, карманным, можно сказать, одним “легким движением руки” – изменением скорости.

Очень быстро, однако, я сообразил, что заблуждался. Что, во-первых, релятивистское правило сложения скоростей не позволит превратить плоскость в линию, а линию – в точку. Максимум, что можно достичь, – это сплющить пространство в плоский блин, перпендикулярный направлению движения… сколько ни поворачивай. Во-вторых, я не учел того, что пространство Вселенной расширяется, причем, на большом удалении от точки наблюдения, расширяется со скоростью, превышающей скорость света во много раз. Поэтому до скорости света можно разогнаться только относительно небольшого локального участка Вселенной, а не относительно всей Вселенной целиком. Ну, и в-третьих, конечность Вселенной тоже остается под вопросом, равно как и ее кривизна.

Тем не менее, сама идея о возможности уместить в малом объеме, или даже в точке, целую Вселенную, видимо, угнездилась где-то в угоке моего сознания. И когда позже я стал повнимательнее присматриваться к моделям черных дыр, у меня появилось растущая уверенность, что и господь Бог (или природа – как кому больше нравится) тоже не пренебрег этой возможностью…

Расширение пространства Вселенной.

Наша Вселенная расширяется во всех направлениях. Все далёкие объекты космоса удаляются от нас со скоростями, прямо пропорциональными расстоянию до них. Таков закон Хаббла. Экстраполируя назад во времени траектории их движения, ученые пришли к единственно возможному выводу: 14 млрд. лет назад все космические объекты, какие мы видим, разлетелись практически из одной точки, из очень маленькой области пространства, где плотность вещества в этот начальный момент (его принято называть “Big Bang” – момент “большого взрыва”) была чудовищно высока. И значит, даже если сегодня наша Вселенная имеет массу и диаметр недостаточные для того, чтобы казаться воображаемому “внешнему” наблюдателю черной дырой, то в прошлом она такой черной дырой несомненно была. Это самый важный факт, который мы должны ясно понимать и помнить в дальнейших рассуждениях.
К слову, Эйнштейн, на момент публикации ОТО, не предполагал, что пространство всей Вселенной расширяется. Он считал, что Вселенная бесконечна и стационарна, и впоследствии называл это своей главной научной ошибкой. Модель нестационарной замкнутой Вселенной с ненулевым и меняющимся коэффициентом кривизны, т.е., Вселенной, способной расширяться и сжиматься, была предложена Михаилом Фридманом в 1922 году.
Непростым моментом, требующим обязательного объяснения, является то, что на три разных вопроса: “как определяют скорость?”, “как определяют расстояние?”, и “как определяют возраст?” в отношении очень далеких объектов космоса, вы чаще всего получите один ответ: “по красному смещению”. Стоп… Это как же? Скорость удаления объекта по красному смещению (доплер-эффекту), действительно, можно определить, хотя и тут нужно знать, какой из формул следует пользоваться: формулы вычисления доплер-смещения для СТО и для раздувающегося координатного пространства совершенно разные. Но потом, чтобы определить по скорости наблюдаемый “возраст” объекта, нужно знать расстояние, на которое мы с ним разлетелись. А чтобы по скорости определить расстояние, надо знать “возраст” (время жизни от момента Большого Взрыва). Не возникает ли из-за этого неоднозначность и путаница, не пытаемся ли мы по одному известному вычислить два неизвестных?

К счастью, нет. Потому что имеются дополнительные способы определения расстояний до галактик: в основном, по силе светимости звезд определенных классов, называемых “стандартными свечами” – цефеид, красных гигантов, сверхновых, – светимость которых точно известна. Степень рассеяния света, идущего от них, и, соответственно, ослабление их светимости дает примерное представление о расстоянии, с точностью до сотни КПарсек. Приблизительное знание расстояний до галактик и позволило открыть закон Хаббла. Оно же позволило выбрать метод вычисления расстояния по красному смещению – отказаться от вычисления по формуле СТО, и остановить выбор на формуле для расширяющегося пространства. Поясню: если бы галактики разлетались в статичном пространстве Минковского, как осколки взрыва колоссальной мощности, то значительная часть их удалялась бы от нас почти со скоростью света, но не выше(!). Все они находились бы от нас на расстоянии некой сферы – свего рода космического “горизонта” (14 млрд.св.лет, для нынешнего “возраста”, значит, видели бы мы их на половинном расстоянии – 7млрд.св.лет). И, находясь почти на одном расстоянии, они сильно различались бы по величине красного смещения, из-за разницы замедления времени, резко нарастающей с приближением к скорости света. Но такая картина не наблюдается в действительности. Расстояния до многих видимых галактик существенно больше, чем 7 млрд.св.лет, самые далекие обнаруживаются на расстоянии более 13 млрд.св.лет от нас, т.е., их возраст от момента Большого взрыва меньше одного миллиарда лет. И красное смещение их спектров как раз соответствует модели расширяющегося пространства.
К примеру в “Википедии” приведены данные о галлактике UDFj-39546284 — компактной галактике, состоящая из голубых звёзд, которые удалены на 13,4 миллиарда световых лет, а их возраст всего 380 миллионов лет после Большого взрыва. Из-за красного смещения эта галактика на снимках выглядит темнокрасной, а не голубой.
Думаю, и тут требуется пояснение. Любой наблюдатель может с равным правом считать себя “неподвижным центром расширения Вселенной”, т.к. краёв Вселенной мы не видим и она представляется равномерно расширяющейся во всех направлениях. Следовательно, в нашей СО, мы всегда расположены в нулевой точке, а упомянутая галактика через 380 миллионов лет после Большого Взрыва удалилась от нулевой точки на некоторое расстояние Х, вследствие расширения пространства. Величина Х была большей, чем 380 миллионов св.лет, поскольку ограничение предельной скорости, известное из СТО, не действует в отношении расширяющегося пространства. Я не хочу здесь пускаться в точные вычисления, а хочу дать только качественную картину; поэтому, допустим, что Х был равен 1 млрд.св.лет.
Именно в этот момент (возраст – 380 милл.лет; расстояние – 1млрд.св.лет) был испущен галактикой свет, который дошел до нас сейчас – через 13.4 миллиарда лет после того, как он был испущен. Т.е., свету потребовалось 13.4 миллиарда лет на то, чтобы преодолеть расстояние в 1млрд.св.лет! Из-за чего? Всё из-за того же расширения пространства. Наилучшей иллюстрацией происходящего со светом мне кажется пример паучка, бегущего по паутинке от края к центру с постоянной скоростью С, в то время как некий человек, взявшийся за край паутины, растягивает ее со скоростью V, большей чем С: V>C. В первые секунды движения паучок будет не приближаться, а УДАЛЯТЬСЯ от своей цели, но, если человек, растягивающий нить паутины, продолжит двигаться с постоянной скоростью, а паучок неутомим и настойчив, он непременно достигнет центра паутины. Правда, у него уйдет на это много больше времени, чем на бег по нерастянутой паутинке.

Падение в гигантскую черную дыру.

Поразмышляем о падении материального тела в черную дыру гигантской массы и, соответственно, очень большого диамера. Почему не в маленькую? Потому, что падение в маленькую черную дыру уничтожает(разрывает) любой материальный объект еще до его попадания внутрь. К тому же, в малых ЧД действуют, наряду с гравитацией, квантовые законы, которые я и не умею, и не хочу моделировать. Мой интерес сейчас – космология, т.е., судьба всей Вселенной. А к космологии самое прямое отношение должны иметь, прежде всего, гигантские черные дыры, пусть и абсолютно гипотетические. Например, с массой, эквивалентной массе материи всего видимого космоса. Или хотя бы имеющие массу большого скопления галактик, галактического кластера. У таких ЧД кривизна пространства у “горизонта событий” совсем мала, и падение внутрь, за горизонт, должно происходить совершенно неприметно для проваливающегося туда наблюдателя (если только он не наблюдает в этот момент за звёздами). Точно также рыба, увлекаемая течением большой реки в огромный водопад, не почувствует того момента, когда она уже не сможет уплыть вверх по течению и избежать падения вместе с массой текущей воды. Таково мнение почти всех ученых, каких я слышал: пересечение горизонта гигантской ЧД произойдёт незаметно для падающего в нее наблюдателя. Он останется невредим. Но что произойдет с наблюдателем дальше, внутри черной дыры?

Это самым критическим образом зависит от того, явится ли пространство внутри ЧД для наблюдателя, угодившего в неё, большим или меньшим, чем наружный объем ЧД. Раз с наблюдателем, и любым телом, пересекшим горизонт гигантской ЧД, не произойдет никаких немедленных метаморфоз, значит, пространство внутри ЧД тоже является трехмерным. Но оно, при этом, не является частью внешнего трехмерного пространства; на его месте во внешнем пространстве просто дырка. И потому, никакие координатные оси, никакие системы координат внешнего пространства не могут быть продолжены внутрь ЧД или наложены на нее. В частности, довольно нелепа, хотя и объяснима, попытка описать предполагаемые процессы внутри ЧД в полярных координатах, начало которых отсчитывается от центральной сингулярности ЧД; ведь эти координаты на самом деле привязаны к наружному пространству вокруг черной дыры, внутри её их попросту нет. Координатное пространство внутри ЧД даже не ортогонально нашему, оно просто другое, отдельное. Причем, оно отдельное и во времени, о чем еще поговорим. Разумеется, что и в нем есть некая поверхность, которая воспринимается как граница с нашей Вселенной, но ни размеры этой поверхности, ни объем пространства внутри ЧД совершенно не обязаны соответствовать размерам ЧД в нашем пространстве.

(… продолжение возможно, но не обязательно)