В общей теории относительности белая дыра — это гипотетическая область пространства-времени и сингулярности , в которую нельзя проникнуть извне, хотя энергия — материя , свет и информация могут из неё вырваться. В этом смысле это обратная сторона черной дыры , из которой не могут выбраться энергия-материя, свет и информация. Белые дыры появляются в теории вечных черных дыр . Помимо области черной дыры в будущем такое решение уравнений поля Эйнштейна имеет область белой дыры в прошлом. [1] Однако эта область не существует для черных дыр, образовавшихся в результате гравитационного коллапса , и не наблюдается никаких наблюдаемых физических процессов, посредством которых могла бы образоваться белая дыра.
Теоретически предсказано, что сверхмассивные черные дыры (СМЧД) находятся в центре каждой галактики и, возможно, галактика не может образоваться без них. Стивен Хокинг [2] и другие предположили, что эти сверхмассивные черные дыры порождают сверхмассивные белые дыры. [3]
Подобно черным дырам, белые дыры обладают такими свойствами, как масса , заряд и угловой момент . Они притягивают материю, как и любая другая масса, но объекты, падающие в сторону белой дыры, никогда на самом деле не достигнут горизонта событий белой дыры (хотя в случае максимально расширенного решения Шварцшильда , обсуждаемого ниже, горизонт событий белой дыры в прошлом становится черным). горизонт событий дыры в будущем, поэтому любой объект, падающий к ней, в конечном итоге достигнет горизонта черной дыры). Представьте себе гравитационное поле без поверхности. Ускорение силы тяжести является наибольшим на поверхности любого тела. Но поскольку у черных дыр нет поверхности, ускорение силы тяжести растет экспоненциально, но никогда не достигает конечного значения, поскольку в сингулярности нет рассматриваемой поверхности.
В квантовой механике черная дыра испускает излучение Хокинга и поэтому может прийти в тепловое равновесие с излучающим газом (не обязательно). Поскольку состояние теплового равновесия инвариантно к обращению времени, Стивен Хокинг утверждал, что обращение времени черной дыры в тепловом равновесии приводит к появлению белой дыры в тепловом равновесии (каждая из которых поглощает и излучает энергию в эквивалентных степенях). [4] [ необходимо дальнейшее объяснение ] Следовательно, это может означать, что черные дыры и белые дыры имеют взаимную структуру, при этом излучение Хокинга обычной черной дыры отождествляется с излучением энергии и материи белой дырой. Квазиклассический аргумент Хокинга воспроизводится в квантовомеханической трактовке AdS/CFT [5] , где черная дыра в антидеситтеровском пространстве описывается тепловым газом в калибровочной теории , обращение времени которой такое же, как и она сама.
Возможность существования белых дыр была выдвинута советским космологом Игорем Новиковым в 1964 году, [6] развита Николаем Кардашевым . [7] Белые дыры предсказываются как часть решения уравнений поля Эйнштейна , известных как максимально расширенная версия метрики Шварцшильда [ необходимы разъяснения ] , описывающей вечную черную дыру без заряда и вращения. Здесь «максимально расширенное» относится к идее о том, что пространство-время не должно иметь никаких «краев»: для любой возможной траектории свободно падающей частицы (следующей по геодезической ) в пространстве-времени должна быть возможность продолжить этот путь сколь угодно далеко. в будущее частицы, если только траектория не встретит гравитационную сингулярность, подобную той, что находится в центре внутренней части черной дыры. Оказывается, чтобы удовлетворить этому требованию, помимо внутренней области черной дыры, в которую попадают частицы, падая через горизонт событий извне, должна существовать отдельная внутренняя область белой дыры, что позволяет экстраполировать траектории частиц, которые, как видит внешний наблюдатель, поднимаются над горизонтом событий. Для внешнего наблюдателя, использующего координаты Шварцшильда , падающим частицам требуется бесконечное время, чтобы достичь горизонта черной дыры бесконечно далеко в будущем, в то время как исходящие частицы, которые проходят мимо наблюдателя, путешествуют наружу в течение бесконечного времени с момента пересечения горизонта белой дыры бесконечно далеко в прошлое (однако частицы или другие объекты испытывают только конечное собственное время между пересечением горизонта и прохождением внешнего наблюдателя). Черная/белая дыра кажется «вечной» с точки зрения внешнего наблюдателя в том смысле, что частицы, движущиеся наружу из внутренней области белой дыры, могут пройти мимо наблюдателя в любой момент, а частицы, движущиеся внутрь, в конечном итоге достигнут черной дыры. Внутренняя область дыры также может пройти мимо наблюдателя в любой момент.
Точно так же, как существуют две отдельные внутренние области максимально расширенного пространства-времени, существуют также две отдельные внешние области, иногда называемые двумя разными «вселенными», причем вторая вселенная позволяет нам экстраполировать некоторые возможные траектории частиц в двух внутренних областях. Это означает, что внутренняя область черной дыры может содержать смесь частиц, попавших из любой вселенной (и, таким образом, наблюдатель, попавший из одной вселенной, мог бы увидеть свет, упавший из другой), а также частицы из внутренней области белой дыры может уйти в любую вселенную. Все четыре региона можно увидеть на пространственно-временной диаграмме, в которой используются координаты Крускала – Секереса (см. рисунок). [8]
В этом пространстве-времени можно придумать такие системы координат, что если вы выберете гиперповерхность постоянного времени (набор точек, которые все имеют одинаковую временную координату, так что каждая точка на поверхности имеет пространственное разделение , создавая так называемую «пространственноподобную поверхность») и нарисуйте «диаграмму вложения», изображающую кривизну пространства в этот момент, диаграмма вложения будет выглядеть как трубка, соединяющая две внешние области, известная как «мост Эйнштейна-Розена». "или червоточина Шварцшильда . [8] В зависимости от того, где выбрана пространственная гиперповерхность, мост Эйнштейна-Розена может либо соединять два горизонта событий черной дыры в каждой вселенной (при этом точки внутри моста являются частью области черной дыры пространства-времени) , или два горизонта событий белых дыр в каждой вселенной (с точками внутри моста, являющимися частью области белых дыр). Однако невозможно использовать мост для перехода из одной вселенной в другую, потому что невозможно войти в горизонт событий белой дыры снаружи, и любой, кто войдет в горизонт черной дыры из любой вселенной, неизбежно попадет в сингулярность черной дыры. .
Обратите внимание, что максимально расширенная метрика Шварцшильда описывает идеализированную черную/белую дыру, которая существует вечно с точки зрения внешних наблюдателей; более реалистичная черная дыра, которая образуется в определенный момент из коллапсирующей звезды, потребует другой метрики. Когда падающая звездная материя добавляется к диаграмме истории черной дыры, она удаляет часть диаграммы, соответствующую внутренней области белой дыры. [9] Но поскольку уравнения общей теории относительности обратимы во времени – они демонстрируют симметрию обращения времени – общая теория относительности должна также допускать обращение времени в этом типе «реалистичных» черных дыр, которые образуются из коллапса материи. Обратным во времени случаем была бы белая дыра, существовавшая с момента возникновения Вселенной и испускающая материю до тех пор, пока она, наконец, не «взорвется» и не исчезнет. [10] Несмотря на то, что такие объекты теоретически разрешены, физики не воспринимают их так серьезно, как черные дыры, поскольку не было бы процессов, которые естественным образом привели бы к их образованию; они могли бы существовать только в том случае, если бы были встроены в начальные условия Большого взрыва . [10] Кроме того, прогнозируется, что такая белая дыра будет крайне «нестабильной» в том смысле, что если какое-либо небольшое количество материи упадет к горизонту снаружи, это предотвратит взрыв белой дыры, как это видят далекие наблюдатели. материя, испускаемая сингулярностью, никогда не сможет покинуть гравитационный радиус белой дыры. [11]
В зависимости от типа рассматриваемого решения черной дыры существует несколько типов белых дыр. В случае упомянутой выше черной дыры Шварцшильда геодезическая, выходящая из белой дыры, возникает из содержащейся в ней «гравитационной сингулярности». В случае черной дыры, обладающей электрическим зарядом ψ**Ώ**ώ ( черная дыра Рейсснера-Нордстрема ) или угловым моментом , то белая дыра оказывается «выходной дверью» черной дыры, существующей в другой вселенной. . Такая конфигурация черная дыра-белая дыра называется червоточиной . Однако в обоих случаях невозможно достичь области «внутри» белой дыры, поэтому ее поведение – и, в частности, то, что может из нее выйти – предсказать совершенно невозможно. В этом смысле белая дыра — это конфигурация, согласно которой невозможно предсказать эволюцию Вселенной, поскольку она не детерминирована. «Голая сингулярность» является еще одним примером недетерминированной конфигурации, но не имеет статуса белой дыры, поскольку не существует области, недоступной из данной области. В своей базовой концепции Большой взрыв можно рассматривать как голую сингулярность в космическом пространстве, но он не соответствует белой дыре. [12]
По способу формирования черная дыра возникает из остатков массивной звезды , ядро которой сжимается, пока не превращается в черную дыру. Такая конфигурация не статична: мы начинаем с массивного и протяженного тела, которое сжимается, образуя черную дыру. Следовательно, черная дыра не существует вечно, и не существует соответствующей ей белой дыры.
Чтобы существовать, белая дыра должна либо возникнуть в результате физического процесса, приведшего к ее образованию, либо присутствовать в результате сотворения Вселенной . Ни одно из этих решений не кажется удовлетворительным: не существует известного астрофизического процесса, который мог бы привести к формированию такой конфигурации, и навязывание ее с момента создания Вселенной равносильно предположению очень специфического набора начальных условий, не имеющего конкретной мотивации. Кроме того, существование белых дыр кажется трудным для рассмотрения.
Ввиду огромных величин излучения квазаров , чья светимость позволяет наблюдать их на расстоянии нескольких миллиардов световых лет , предполагалось, что они являются местом возникновения экзотических физических явлений, таких как белая дыра или явление непрерывного создание материи (см. статью по теории устойчивого состояния ). Сейчас от этих идей отказались, поскольку наблюдаемые свойства квазаров очень хорошо объясняются свойствами аккреционного диска , в центре которого находится сверхмассивная черная дыра . [12]
Представление о черных дырах, впервые предложенное в конце 1980-х годов, можно интерпретировать как проливающее некоторый свет на природу классических белых дыр. Некоторые исследователи предположили, что при формировании черной дыры в ядре/ сингулярности может произойти Большой взрыв , который создаст новую вселенную, расширяющуюся за пределы родительской вселенной . [13] [14] [15]
Теория гравитации Эйнштейна -Картана-Сиамы-Киббл расширяет общую теорию относительности, устраняя ограничение симметрии аффинной связи и рассматривая ее антисимметричную часть, тензор кручения , как динамическую переменную. Кручение естественным образом объясняет квантово-механический, собственный угловой момент ( спин ) материи. Согласно общей теории относительности, гравитационный коллапс достаточно компактной массы образует сингулярную черную дыру. Однако в теории Эйнштейна-Картана минимальная связь между кручением и спинорами Дирака порождает отталкивающее спин-спиновое взаимодействие, которое существенно в фермионной материи при чрезвычайно высоких плотностях. Такое взаимодействие предотвращает образование гравитационной сингулярности. Вместо этого коллапсирующая материя по другую сторону горизонта событий достигает огромной, но конечной плотности и отскакивает, образуя правильный мост Эйнштейна-Розена. [16] Другая сторона моста становится новой, растущей детской вселенной. Для наблюдателей детской вселенной родительская вселенная выглядит единственной белой дырой. Соответственно, наблюдаемая Вселенная — это внутренняя часть черной дыры Эйнштейна-Розена, существующая как одна из, возможно, многих внутри более крупной Вселенной. Большой взрыв был несингулярным Большим отскоком , при котором наблюдаемая Вселенная имела конечный минимальный масштабный коэффициент. [17]
В статье 2012 года утверждается, что сам Большой взрыв — это белая дыра. [18] Это также предполагает, что возникновение белой дыры, получившей название «Малый взрыв», является спонтанным — вся материя выбрасывается за один импульс. Таким образом, в отличие от черных дыр, белые дыры нельзя наблюдать непрерывно; скорее, их последствия могут быть обнаружены только вокруг самого события. В статье даже предлагалось идентифицировать новую группу гамма-всплесков с белыми дырами. Многие учёные утверждают, что Вселенная не образовалась в результате выброса материи белой дырой, поскольку теория предполагает, что материя в белую дыру не может попасть извне.
В отличие от черных дыр, для которых существует хорошо изученный физический процесс — гравитационный коллапс (который порождает черные дыры, когда звезда, несколько более массивная, чем Солнце, исчерпывает свое ядерное «топливо»), не существует четкого аналогичного процесса, который надежно приводил бы к образование белых дыр. Хотя были выдвинуты некоторые гипотезы:
В настоящее время очень немногие ученые верят в существование белых дыр, и это считается всего лишь математическим упражнением, не имеющим реального аналога. [25]
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
