В новом выпуске проекта Event Horizon ведущий Джон Майкл Джи обсудил с профессором Гарвардского университета Ави Лёбом фундаментальные тайны космологии. Исследователи детально разобрали природу темной материи, возможность существования вселенной внутри черной дыры и новые теоретические модели взаимодействия микроскопических черных дыр с веществом. Особое внимание физик уделил необходимости «космической скромности» и поиску артефактов внеземного разума в Солнечной системе.
🌌 Первичные черные дыры и загадка темной материи 1:37
Человечество уже около 90 лет знает о существовании темной материи, однако ее истинная природа до сих пор остается неизвестной. Лабораторные эксперименты и поиски гипотетических элементарных частиц не принесли результатов. В качестве альтернативной гипотезы ученые рассматривают первичные черные дыры, которые могли сформироваться в ранней Вселенной в редких регионах с экстремально высокой плотностью радиации.
Астрономы уже исключили широкий диапазон масс таких объектов. Если бы первичные черные дыры имели массу, сопоставимую со звездной, они бы искажали и усиливали свет фоновых звезд за счет гравитационного микролинзирования. Наблюдения за миллионами звезд позволили установить жесткие ограничения: темной материи в виде черных дыр с массой крупнее Луны не существует. Однако остается допустимый диапазон — объекты с массой крупных астероидов, размер которых составляет от 1 до 100 километров.
Горизонт событий таких гипотеческих черных дыр имеет микроскопический размер — от атомного ядра до целого атома. При этом они обладают колоссальной массой. Например, астероид Чиксулуб, столкнувшийся с Землей 66 миллионов лет назад и уничтоживший три четверти жизни на планете, имел массу, соответствующую черной дыре размером меньше атома.
Пятьдесят лет назад Стивен Хокинг предположил, что подобная миниатюрная черная дыра может находиться в центре Солнца. На тот момент эта гипотеза объясняла дефицит электронных нейтрино, регистрируемых от солнечного ядра: часть энергии могла выделяться за счет аккреции вещества черной дырой, а не термоядерного синтеза. Позже ученые получили Нобелевскую премию за экспериментальное доказательство осцилляций нейтрино, обусловленных наличием у них массы, поэтому идея Хокинга для объяснения процессов внутри Солнца оказалась избыточной.
🔬 Квантовый парадокс: концепция «атомов черных дыр» 7:38
В своей недавней научной работе Ави Лёб проанализировал гипотетическое влияние первичных черных дыр на эволюцию звезд. Черная дыра традиционно воспринимается как абсолютная тюрьма, из которой не может вырваться даже свет. При приближении к горизонту событий для внешнего наблюдателя время затягивается, а падающий объект застывает. Однако после пересечения горизонта объект неизбежно устремляется к сингулярности, поскольку пространственное расстояние превращается во временную координату. Даже в гигантской черной дыре в центре Млечного Пути, которая имеет массу в 4 миллиона масс Солнца, путь от горизонта событий до сингулярности занимает меньше минуты.
Когда размер черной дыры меньше атома, классические модели аккреции сплошной среды не работают. Ави Лёб показал, что такие черные дыры поглощают вещество гораздо медленнее, буквально по одному атому. В протонно-электронном газе черная дыра сначала захватывает протон и приобретает положительный заряд. После этого вокруг нее формируется электронное облако, удерживаемое как гравитационным, так и электрическим взаимодействием. Этот теоретический объект исследователь назвал «атомом черной дыры». Согласно квантовой механике, электрон описывается волновой функцией, и существует лишь определенная вероятность перекрытия этого «облака» с горизонтом событий, что приводит к его окончательному поглощению.
После публикации статьи Ави Лёб получил письмо от известного физика Пола Дэвиса. Тот рассказал, что в начале 1970-х годов на одной из конференций предлагал исследовать именно этот процесс Джону Уилеру. Уилер перенаправил задачу своему студенту Якобу Бекенштейну, но тот отвлекся на новые результаты Стивена Хокинга по испарению черных дыр и так и не опубликовал работу. Спустя 50 лет Лёб самостоятельно и независимо решил эту фундаментальную задачу.
🌌 Находимся ли мы внутри черной дыры? 15:29
В научном сообществе иногда озвучивается гипотеза, что наша Вселенная может находиться внутри черной дыры или являться результатом ее коллапса. Однако Ави Лёб скептически относится к этой идее. На больших масштабах Вселенная равномерно расширяется и выглядит однородной с точностью до одной стотысячной доли. В ранние эпохи она представляла собой исключительно равномерный суп из элементарных частиц, где не было ни звезд, ни галактик.
Коллапс вещества в черную дыру приводит к совершенно иным результатам. По словам Лёба, внутри черной дыры материя распределяется крайне неоднородно и концентрируется в точке сингулярности, при этом расширение пространства отсутствует. Из-за отсутствия предсказательной теории квантовой гравитации природа сингулярности и Большого взрыва остается открытым вопросом. Общая теория относительности Эйнштейна теряет применимость в точке Большого взрыва, так как плотность материи и кривизна пространства-времени там стремятся к бесконечности.
По мнению гарвардского профессора, создание теории квантовой гравитации позволит понять, что предшествовало Больскому взрыву. Лёб приводит аналогию с рецептом пирога: понимание необходимых ингредиентов и процессов в теории позволит воспроизвести их в лаборатории. Физик считает, что высокоразвитая цивилизация, постигшая квантовую гравитацию, сможет построить мощный коллайдер частиц для искусственного создания «дочерней вселенной».
🔍 В поисках квантовой гравитации и реликтовых гравитонов 19:29
Физик Пол Дэвис ранее высказывал идею о том, что следы прошлых вселенных или закодированное послание от создателей Большого взрыва можно обнаружить в космическом микроволновом фоне. Главная трудность в создании квантовой теории гравитации заключается в масштабе энергий. Так называемый планковский масштаб на 19 порядков превосходит энергию массы покоя протона. Самый мощный современный ускоритель — Большой адронный коллайдер (БАК) — достигает энергий, превосходящих массу протона лишь в 10–100 тысяч раз.
Ави Лёб выделяет три потенциальных источника эмпирических данных для новой теории:
- Изучение сингулярностей внутри черных дыр (однако ученые физически не смогут передать оттуда информацию или успеть написать научную работу перед гибелью);
- Регистрация реликтовых гравитационных волн или первичного фона гравитонов, рожденных в планковскую эпоху;
- Анализ свойств темной энергии и энергии вакуума в современной Вселенной.
Если космической инфляции не существовало, то в космосе должен присутствовать реликтовый фон гравитонов с температурой около 1 градуса Кельвина выше абсолютного нуля (для сравнения, температура микроволнового фона составляет 2,73 Кельвина). По мнению Лёба, обнаружение такого фона опровергло бы модели инфляции, поскольку экспоненциальное расширение должно было полностью размыть и разбавить любые первичные гравитоны. В своей недавней работе Лёб рассчитал массу гравитона и установил жесткий верхний предел, доказав, что его масса практически равна нулю. Кроме того, разгадка природы темной энергии, которая составляет около двух третей энергетического баланса Вселенной и вызывает ускоренное расширение, способна пролить свет на законы квантовой гравитации.
🚀 Вечный двигатель на «мусорной» тяге и космическая асимметрия 25:23
Если бы в Солнечной системе удалось обнаружить первичную черную дыру, она стала бы идеальной лабораторией для тестирования квантовой гравитации. Ави Лёб отмечает, что гипотетическая Девятая планета на окраинах Солнечной системы вполне может оказаться черной дырой с массой Земли. Найти ее можно по вспышкам, возникающим при столкновении с ледяными объектами из облака Оорта. Такие поиски планируется вести с помощью обсерватории имени Веры Рубин в Чили, которая начнет работу в следующем году.
Профессор описывает концепцию идеального двигателя для продвинутой технологической цивилизации. Если захватить первичную черную дыру массой около 100 тысяч тонн, то без подпитки она испарится за счет излучения Хокинга за полтора года. Однако если непрерывно сбрасывать в нее вещество со скоростью 2 килограмма в секунду, масса объекта останется стабильной. Такой двигатель обеспечивает 100-процентную эффективность превращения массы покоя в чистое излучение. По расчетам Лёба, на низкой околоземной орбите подобная установка выделяла бы столько же энергии, сколько дает Солнце, что позволит обогревать планету-изгой, лишенную родительской звезды. Использование антивещества для этих целей неэффективно: на БАК в ЦЕРНе удается получить лишь микрограммы позитрония и антипротонов, а их производство требует колоссальных финансовых затрат.
Лёб также напоминает о фундаментальных загадках ранней Вселенной:
- Барионная асимметрия: В первые мгновения существования космоса возник избыток материи над антиматерией всего в одну миллиардную долю. Без этого крошечного дисбаланса произошло бы полное взаимное уничтожение в радиацию, и нас бы не существовало.
- Роль темной материи: Обычное вещество на ранних этапах (через 400 000 лет после Большого взрыва) было прочно связано с излучением, которое сглаживало любые неоднородности на масштабах галактик. Темная материя не взаимодействовала со светом, сохранила первичные флуктуации плотности и послужила гравитационным каркасом для формирования Млечного Пути, звезд и планет.
👽 Космическая скромность и поиск «космического мусора» 33:42
Многие физики и обыватели усматривают в тонкой настройке Вселенной некий высший замысел. По мнению Ави Лёба, человечеству необходимо сохранять космическую скромность и избавляться от антропоцентризма. Солнце сформировалось лишь в последней трети космической истории, человечество появилось несколько миллионов лет назад (одна десятитысячная часть истории космоса), а современная наука развивается всего около века (одна стомиллионная часть времени существования Вселенной). Утверждения об уникальности земной жизни кажутся исследователю необоснованным высокомерием. В рамках возглавляемого им проекта «Галилео» (Galileo Project) ученые ведут целенаправленный поиск технологических артефактов иных цивилизаций в наших космических окрестностях.
Знаменитый вопрос Энрико Ферми «Где все?» Лёб считает признаком высокомерного одиночества. Чтобы найти партнеров, нужно приложить усилия, а Ферми не строил телескопов для этих целей. На поиски темной материи за десятилетия были потрачены миллиарды долларов, в то время как финансирование программ SETI составляет менее 1% от этой суммы. Профессор выражает несогласие с тезисом Стивена Вайнберга из книги «Первые три минуты» о том, что чем более постижимой кажется Вселенная, тем более бессмысленной она выглядит. Лёб полагает, что смысл космосу придает именно наличие разума. При этом искусственный интеллект на кремниевых чипах исследователь предлагает рассматривать как форму «инопланетного разума» (alien intelligence), с которым человечеству еще предстоит научиться сосуществовать.
Первый подтвержденный межзвездный метеор размером около полуметра упал в Тихий океан примерно десять лет назад. Статистика показывает, что внутри земной орбиты в любой момент времени должно находиться около миллиона подобных объектов, прилетевших извне Солнечной системы. По мнению Лёба, среди этих ледяных глыб и камней вполне может скрываться древний космический мусор — вышедшие из строя зонды, подобные нашим Voyager или Pioneer, или даже аналоги автомобиля Tesla Roadster, запущенного Илоном Маском в 2018 году. Бюджет Министерства обороны США составляет около 1 триллиона долларов в год; Лёб утверждает, что если бы человечество перенаправило эти военные ресурсы на исследование межзвездного пространства хотя бы на один год, мы смогли бы окончательно узнать, есть ли у нас соседи по Галактике.
