1. Чёрные дыры порождают внутри себя новые миниатюрные вселенные
Чёрная дыра — это область пространства-времени, где гравитационное поле настолько сильно, что ни материя, ни даже свет не могут покинуть её пределы. Когда большие звёзды умирают, то иногда схлопываются под давлением собственной массы в сингулярность — сердцевину чёрной дыры, точку с бесконечной плотностью. И всё, что попадает в гравитационный колодец, обречено упасть в сингулярность.
Так как в сингулярности из-за её экстремальной плотности не работают известные нам физические законы, ни один физик не может предсказать, что там такое, собственно, происходит. Поэтому учёные создают самые разнообразные гипотезы.
Физик-теоретик Ли Смолин из Университета Ватерлоо предложил самую крышесносную теорию. По ней выходит, что в чёрных дырах образуются собственные мини-вселенные.
Смолин разработал так называемую теорию космологического естественного отбора.
Суть в следующем. При коллапсе звезды в чёрную дыру в её сингулярности происходит квантовый переход, создающий новую вселенную с изменёнными физическими параметрами. Там свои космологическая постоянная, постоянная Планка, гравитационная постоянная, скорость света (если таковой вообще существует), абсолютный нуль температур и так далее.
Те вселенные, где условия благоприятны для формирования чёрных дыр, будут дальше производить новые вселенные. Если же в очередной сингулярности получилось так, что в её карманной вселенной даже материя толком сформироваться не может, то естественный отбор она не прошла. Будет прозябать, пока чёрная дыра не испарится.
Смолин назвал теорию «естественный отбор», потому что этот процесс приводит к тому, что физические параметры в «успешных» вселенных, где много чёрных дыр, будут постепенно закрепляться. И такие вселенные будут «выживать» и «размножаться». Всё как у Дарвина.
Эта теория может служить объяснением, почему наша Вселенная кажется «тонко настроенной» для появления материи и жизни. Просто её менее успешные «сёстры» не порождают «потомства», вот и имеют тенденцию к «вымиранию». А наша Вселенная хорошая, прошедшая «естественный отбор».
2. Скорость света не является константой
Мы все со школьной скамьи знаем непреложную истину, что свет в вакууме перемещается со скоростью 299 792 458 м/с. Это число является фундаментальной константой, и быстрее ничего быть не может. Но Жуао Магейжу, физик-теоретик из Имперского колледжа Лондона, и Ниайеш Афшорди из Университета Ватерлоо в Канаде разработали радикальную теорию, согласно которой скорость света могла изменяться на ранних этапах развития Вселенной.
Видите ли, учёные всё никак не возьмут в толк, почему космос выглядит таким однородным и почему реликтовое излучение везде одинаковое, несмотря на то, что противоположные концы Вселенной должны были быть изолированы друг от друга из-за огромных расстояний.
Чтобы разрешить это несоответствие, учёные разработали теорию инфляции. Согласно ей ранняя Вселенная была намного меньше, что позволило температурам выровняться. Затем она резко увеличилась — этот период и называется инфляцией — и продолжает расти и сейчас, но не так резво.
Правда, объяснить, почему именно Вселенная вступила в эпоху инфляции между 10^−33 и 10^−32 секундами после Большого взрыва, учёные пока не могут.
Магейжу и Афшорди нашли альтернативное объяснение. Согласно их теории, Вселенная такая однородная, потому что максимально возможная скорость в ней раньше была другой. По их расчётам, когда космос был намного горячее, чем сейчас, скорость света вообще стремилась к бесконечности, и излучение распространялось быстрее, чем гравитация.
Это позволило прогреть всё пространство, обеспечив равномерный микроволновый реликтовый фон, который мы наблюдаем сейчас. Изменение скорости света также могло бы повлиять на значение космологической постоянной, что объяснило бы ускоренное расширение Вселенной.
3. Долетев до одного конца Вселенной, можно оказаться в противоположном
Наверняка вы играли в компьютерные игры, где, добравшись до края карты, персонажи выходят на противоположном её конце. Так вот, некоторые физики полагают, что в реальной Вселенной всё происходит абсолютно так же. Ну, за исключением того, что у неё нет края.
Так называемая замкнутая модель предполагает, что Вселенная имеет конечный объём, но не имеет границ. Это означает, что если взять и полететь по прямой достаточно долго, то в конце концов вернёшься в исходную точку.
Существует несколько моделей топологий замкнутого космического пространства. Наиболее вероятные — это сфера и тор.
То есть Вселенная мало того, что замкнутая, как карта в какой-нибудь космической стратегии, так ещё и имеет форму бублика.
Международная группа учёных-космологов, создавшая коалицию под названием COMPACT Collaboration, проанализировала оставшееся свечение Большого взрыва и пришла к выводу, что современные модели вполне допускают именно такой космический ландшафт.
Подобная топология Вселенной может оказывать весьма странные эффекты. Например, из-за замкнутости пространства многие галактики и прочие космические объекты, которые наблюдают астрономы, могут быть «отражениями» других галактик.
Допустим, свет от одного и того же объекта доходит до нас по разным маршрутам — например, один по прямой, второй — через другой конец Вселенной. Это создаёт несколько изображений одной и той же галактики. Но мы не можем этого понять, потому что из-за ограниченности скорости света она предстаёт перед нами на разных этапах своего развития.
Будто Вселенная — это такая комната кривых зеркал в парке развлечений.
4. Вселенная — это голограмма
Кстати, раз уж мы вспомнили о замкнутых картах в компьютерных играх. Многие слышали о концепции, согласно которой вся наша Вселенная — это компьютерная симуляция. Но существует куда более безумная и при этом весьма логичная теория, которой находятся вполне научные подтверждения. Её выдвинул физик Герард Хофт из Утрехтского университета, а затем развили Леонард Сасскинд из Стэнфорда и Хуан Малдасена из Института перспективных исследований в Принстоне. Теория гласит, что наша Вселенная — проекция другой вселенной.
Вы наверняка видели голограммы — это картинки на двухмерной поверхности, которые кажутся трёхмерными, если их рассматривать с разных углов. По сути, это двухмерная «световая карта» трёхмерного объекта.
Малдасена продемонстрировал, что наша Вселенная может быть такой же голограммой. Он объединил теорию так называемого пятимерного антидеситтеровского пространства с квантовой теорией поля. И показал, что сложная физика внутри объёмного пространства с гравитацией может быть описана более простой физикой на поверхности этого пространства, без гравитации. Это называется «голографический принцип»: всё, что происходит в трёхмерном пространстве, можно полностью описать, зная, что происходит на его двухмерной поверхности.
Малдасена предположил, что, хотя нам и кажется, что мы живём в четырёхмерной Вселенной, она на самом деле имеет только два измерения. Это означает, что всё наше мироздание — это, по сути, просто проекция некоего двухмерного пространства более низкого порядка. Думаете, что люди не могут быть двухмерными и не замечать этого? Ну, так мы и кривизну и вращение Земли не чувствуем, а они есть.
Голографический принцип может помочь соединить квантовую механику и гравитацию. Кроме того, эта теория решает информационный парадокс чёрных дыр. Она предполагает, что информация, попавшая в чёрную дыру, не теряется навсегда, а оказывается закодирована на её поверхности (горизонте событий) как двухмерная проекция.
Это значит, что если вас бросить в чёрную дыру, то на её горизонте событий навеки отпечатается ваша голограмма.
В 2017 году группа учёных из Великобритании, Канады и Италии нашла экспериментальные подтверждения голографического принципа. Впрочем, они не уверены, что мы живём в голограмме прямо сейчас. Но их расчёты показывают, что по крайней мере на самых ранних стадиях существования Вселенной — через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва — космос действительно мог быть двухмерным.
5. Наблюдения за Вселенной могут повлиять на неё
Наверняка вы слышали про так называемый эффект наблюдателя. Это феномен в физике, когда состояние системы изменяется из-за воздействия, вызванного самим фактом её наблюдения. Эффект особенно заметен на квантовом уровне: когда учёные в рамках эксперимента наблюдают за субатомными частицами, те могут вести себя не так, как когда зрители отсутствуют. Можно подумать, кванты каким-то образом понимают, что за ними подсматривают.
Наша Вселенная состоит из обычной, или барионной, материи — из которой сделаны звёзды, планеты и мы с вами — всего на 4,9%. Следующие 26,8% — это тёмная материя, масса, которую невозможно потрогать, увидеть или взаимодействовать с ней. Мы знаем о её существовании только благодаря гравитационным эффектам. И наконец, оставшиеся 68,3% космоса занимает тёмная энергия. Именно эта сущность, пока что непостижимая для науки, заставляет Вселенную расширяться.
Американский физик и космолог Лоуренс Краусс разработал теорию, согласно которой тёмная энергия обладает похожими на квантовые свойствами. И человечество буквально может повлиять на состояние Вселенной (по крайней мере, её наблюдаемой части) из-за так называемого квантового парадокса Зенона.
Последний заключается в том, что время распада метастабильного квантового состояния некоторой системы прямо зависит от частоты измерения её состояния. То есть чем чаще вы это делаете, тем быстрее она переходит в другое состояние.
Краусс предположил, что сам факт того, что человечество знает о тёмной энергии и ищет её, влияет на квантовое состояние этой самой энергии. Правда, СМИ несколько преувеличили его выводы заголовками в духе «Астрономические наблюдения могут сократить срок жизни Вселенной!». Краусс ничего такого не говорил — его теорию неправильно интерпретировали. Вряд ли мы можем вызвать коллапс всего мироздания, просто посмотрев на него.
Тем не менее квантовый парадокс Зенона реален, и в теории всегда есть возможность влияния наблюдателя на тёмную энергию, пусть и не в макромасштабе. Когда пристально вглядываешься в бездну, бездна тоже вглядывается в тебя.