08.05.2015

Предложен новый механизм рождения Вселенной и происхождения времени

В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН разработан новый механизм космогенезиса, основанный на геодезически полных геометриях чёрно-белых дыр с интегрируемой сингулярностью.

Идея о том, что черные дыры являются «колыбелью» новых вселенных имеет давнюю историю. Это попытка ответа на вопрос о том, что было до «Большого взрыва». Гипотеза космогенезиса (рождения вселенных) основана на определенном сходстве в структуре решений, описывающих черную дыру и вселенную: и то, и другое решение содержат сингулярность, причем в черной дыре это конечная «точка» эволюции, а во вселенной – начальная. Если бы можно было совместить эти две сингулярности, то получилась бы единое пространство–время, состоящее из черной дыры и вселенной, как из двух половинок.

Проблема в том, что не удается соединить два пространства–времени через сингулярность однозначно, из-за чего приходится сингулярную часть решения заменять регулярной, процедура снова неоднозначная.

Космологическая сингулярность — состояние Вселенной в начальный момент Большого взрыва, характеризующееся большой (но не бесконечной) плотностью и температурой вещества.

Научная группа ФИАН в составе В.Н. Лукаша, Е.В. Михеевой и В.Н. Строкова построила ряд моделей, в которых обоснована возможность связать черную дыру с новой вселенной через сингулярность, однако последняя должна быть интегрируемой. Это означает, что существуют такие геодезические траектории, вдоль которых приливные силы остаются конечными. Двигаясь вдоль этих «разрешенных» траекторий, коллапсирующая материя беспрепятственно доходит до сингулярности, создавая интенсивное гравитационное поле, которое, в свою очередь, приводит к рождению нового вещества. Последнее проходит интегрируемую сингулярность и образует за ней белую дыру, обладающую свойствами космологического решения, то есть являющуюся, в сущности, новой вселенной. Описанный объект, в котором черная дыра соединяется с белой через интегрируемую сингулярность, авторы называют черно-белой дырой.

Чёрная дыра – область в пространстве–времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер – гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда.

Белая дыра – гипотетический физический объект во Вселенной, в область которого ничто не может войти. Белая дыра является временной противоположностью черной дыры. Теоретически предполагается, что белые дыры могут образовываться при выходе из-за горизонта событий вещества черной дыры, находящейся в другом времени.

Как известно, в рамках общей теории относительности коллапс пылевого облака со сферически симметричным распределением начальных положений и скоростей частиц ведет к образованию сингулярной гиперповерхности. По аналогии с таким же коллапсом в ньютоновской механике можно было бы предположить, что причиной образования сингулярности является высокая симметрия начальных условий. Однако, как следует из теорем о сингулярностях, в общей теории относительности небольшое отклонение от начальной симметрии не влияет на факт образования сингулярности. Таким образом, сингулярность становится неизбежным результатом коллапса.

Между тем, с физической точки зрения сингулярные состояния, характеризующиеся бесконечной кривизной и плотностью, являются бессмысленными, и можно предположить, что они указывают на границы применимости существующей теории гравитации. Кроме того, они противоречат квантовой механике, которая запрещает бесконечно точную локализацию при одновременном знании значения скорости. Поэтому предполагается, что теория, объединяющая гравитацию с квантовой механикой, должна разрешить проблему сингулярностей. На данный момент существует целый ряд теорий, в которых в той или иной степени выполнено это объединение (например, петлевая гравитация, энтропийная гравитация, теория функциональной ренорм-группы), но ни одна из них не может считаться полностью удовлетворительной.

Авторы моделируют поведение гравитационного поля и материи вблизи сингулярной гиперповерхности феноменологически, то есть переносят все возможные поправки в правую часть уравнений Эйнштейна и объединяют их в эффективный тензор энергии–импульса. При этом из физических соображений необходимо потребовать, чтобы некоторые величины оставались конечными. В рамках концепции интегрируемых сингулярностей такое требование накладывается на гравитационный потенциал на сингулярной гиперповерхности. А физически появление эффективного тензора энергии–импульса означает рождение материи в сильных гравитационных полях, которое и останавливает бесконечный рост гравитационного потенциала. Такой подход дает возможность продолжить пространство–время за сингулярность, за которой оно оказывается белой дырой, имеющей все свойства расширяющейся вселенной.

Гравитационно-приливные модели черно-белых дыр позволяют угадать возможные ответы на самые фундаментальные вопросы современной физики. Один из них – происхождение принципа причинности, ставящего причинно-следственную цепочку событий в соответствие со стрелой времени.

В контексте проведённой работы речь идет и о происхождении космологической стрелы времени, под которой понимается ориентация светового конуса будущего в направлении объемного расширения крупномасштабного потока материи.

Космологическая стрела (времени) – направление времени, в котором Вселенная расширяется.

Как известно, динамические уравнения, описывающие локальные процессы, инвариантны относительно изменения знака времени. Это – проявление принципа соответствия, согласно которому локальная геометрия лоренц-инвариантна: малую область пространства–времени можно аппроксимировать метрикой Минковского, а она неизменна при инверсии времени. Поэтому локальную динамику приходится дополнять внешней по отношению к ней стрелой времени.

Пространство Минковского – четырехмерное пространство, объединяющее физическое трёхмерное пр-во и время. Положение события в этом пространстве-времени задаётся четырьмя координатами — тремя пространственными и одной временной. Введено немецким учёным Г. Минковским (Н. Minkowski) в 1907—1908 гг.

Неинвариантность относительно направления времени присуща глобальной геометрии, но она теряется в предельном переходе к локальной физике.

Геодезически полные геометрии с интегрируемыми сингулярностями дают подсказку о происхождении стрелы времени. Они содержат разные пространственно–временные домены, разделенные горизонтами событий: нестационарные области черных и белых дыр и статические зоны, в которых сигнатура меняет свой знак и чётность. Здесь реализуются все возможности. Есть свои времена как у коллапсирующей области, так и у антиколлапсирующей (космологической). Статические области не зависят от времени, но они пространственно неоднородны. При пересечении любого из горизонтов изменяется смысл координаты, от которой зависит метрика. В одних доменах это временная координата (и тогда получаются черные дыры и/или космологические модели), а в других – пространственная (статические зоны).

Таким образом, ответ на вопрос о происхождении космологической стрелы времени кроется в начальных условиях и граничных условиях в том или ином секторе полной геометрии.

Земной исследователь (наблюдатель) принадлежит космологическому потоку материи и живёт по собственному времени потока, который возник вместе с рождением Вселенной и существует уже 14 млрд. лет. Временную координату можно продлить в прошлое в докосмологическую эпоху, но там она описывала время в T-области родительской черной дыры. А еще дальше представляла собой радиальную координату асимптотически плоского пространства родительской вселенной, в котором находилась звезда до того, как сколлапсировала и образовала черную дыру. Возникшая в ходе коллапса интегрируемая сингулярность в r=0 «зажгла» нашу Вселенную, в которой через миллиарды лет начала развиваться нелинейная крупномасштабная структура, запустившая процесс звездной активности. В результате возникли новые черные дыры, которые могут быть входами в новые вселенные.

Этот процесс эволюции многолистного пространства–времени напоминает рост дерева (генеалогического древа, если угодно). Такое дерево может процветать, а может и зачахнуть, если в дочерних вселенных не оказалось новых черных дыр. Критическая ситуация возникает, когда условия развития не обеспечивают производство затравочных возмущений плотности для формирования гравитационно-связанных сгустков материи и их коллапса в черные дыры. Но может развиться и иная история: одно событие коллапса при благоприятных обстоятельствах, реализующих параметры космологической инфляции и фазовых переходов в белой дыре, может привести к расцвету целого дерева с незатухающими цепочками новых вселенных. Благодаря этим процессам, работает космологический естественный отбор: выживают и развиваются те вселенные, в которых образуются черные дыры, а для этого предпочтителен определенный набор параметров, мировых констант и т.д.

Базисом этой концепции многолистной вселенной являются процессы гравитационной неустойчивости, напоминающие осциллирующие приливы. Антиколлапсирующие пространственно-временные области (белые дыры) развиваются из коллапсирующих систем черных дыр, и наоборот, расширяющийся квазиоднородный поток материи белой дыры распадается на сгустки, коллапсирующие в черные дыры. Если первый процесс связан с горизонтом r=0, то второй – с шварцшильдовским горизонтом r=2GM.

На обоих горизонтах гравитационный потенциал – релятивистский и необходимо учитывать квантово-гравитационные процессы поляризации вакуума и рождения частиц. Однако, если на шварцшильдовском горизонте эти эффекты ограничены массой и малы (испарение Хоукинга), то при r=0 они доминируют и создают структуры интегрируемых сингулярностей.

Источники:

1. km.ru