Белая дыра: гипотетический космический объект¶

Белая дыра — гипотетический космический объект в общей теории относительности, представляющий собой область пространства-времени, в которую невозможно попасть извне, но из которой вещество и излучение могут свободно выходить. Белая дыра является точным временным обращением чёрной дыры: если чёрная дыра захватывает всё, что пересекает её горизонт событий, то белая дыра, наоборот, выбрасывает материю и энергию наружу, не пропуская внутрь ничего. Существование белых дыр не подтверждено наблюдениями, и большинство физиков считает их математической абстракцией, однако их свойства продолжают изучаться в рамках теоретической физики и космологии.

¶Основные свойства и математическое описание

Белые дыры возникают как решение уравнений Альберта Эйнштейна — решение Шварцшильда, описывающее гравитационное поле сферически симметричной массы. Полная геометрия пространства-времени Шварцшильда содержит не только чёрную дыру, но и белую. В диаграмме Крускала — Секереша, которая представляет пространство-время в максимально расширенном виде, чёрная и белая дыры расположены в разных областях, соединённых «кротовой норой» — мостом Эйнштейна — Розена.

С математической точки зрения белая дыра — это область, где светоподобные геодезические (траектории света) начинаются на сингулярности и уходят на бесконечность. Временная координата в этой области течёт так, что любая частица или луч света обязаны покинуть белую дыру, но ни одна внешняя частица не может пересечь её горизонт событий извне. Горизонт белой дыры, в отличие от чёрной, является «горизонтом прошлого» — он отделяет область, из которой сигналы могут достичь внешнего наблюдателя, от области, куда сигналы извне не могут проникнуть.

¶Связь с чёрными дырами и обратимость времени

Ключевая особенность белой дыры — симметрия относительно обращения времени. Если взять точное решение для чёрной дыры и заменить время t на −t, получится решение для белой дыры. При этом процессы, происходящие в белой дыре, выглядят как обращённые во времени процессы в чёрной дыре: падение вещества превращается в выброс, захват — в испускание.

Однако в реальной физике обращение времени не является симметрией: второй закон термодинамики задаёт стрелу времени, и энтропия системы не может уменьшаться. Чёрная дыра имеет энтропию, пропорциональную площади её горизонта, и излучает тепловое излучение (излучение Хокинга). Белая дыра, по аналогии, должна была бы иметь отрицательную энтропию или нарушать термодинамические соотношения, что делает её существование в классическом виде крайне маловероятным. Стивен Хокинг и другие физики показали, что в присутствии квантовых эффектов белые дыры крайне нестабильны: любое малое возмущение приводит к их мгновенному коллапсу в чёрную дыру или к взрыву.

¶Возможные механизмы образования

Существует несколько гипотез происхождения белых дыр, ни одна из которых не получила наблюдательного подтверждения.

• Квантовое испарение чёрных дыр. Согласно одной из моделей, при завершении испарения чёрной дыры через излучение Хокинга сингулярность может «отскочить» и превратиться в белую дыру. Этот процесс рассматривается в рамках квантовой гравитации, в частности в петлевой квантовой гравитации, где сингулярность заменяется областью с высокой, но конечной кривизной.
• Кротовые норы. В максимально расширенном решении Шварцшильда белая дыра является выходом из кротовой норы, входом в которую служит чёрная дыра. Однако мост Эйнштейна — Розена нестабилен и схлопывается быстрее, чем через него может пройти свет, поэтому практическое использование таких «туннелей» невозможно.
• Реликтовые белые дыры. Некоторые космологические модели предполагают, что белые дыры могли образоваться в ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва и сохраниться до наших дней. Их масса могла бы варьироваться от планковской до массы галактик, но поиски таких объектов не дали результатов.

¶Наблюдательные поиски и кандидаты

Астрономические наблюдения не обнаружили ни одного объекта, который можно было бы однозначно интерпретировать как белую дыру. Теоретические предсказания указывают, что белая дыра должна проявлять себя как источник мощного рентгеновского и гамма-излучения, возникающего при выбросе вещества. Некоторые исследователи предполагали, что короткие гамма-всплески могут быть связаны с активностью белых дыр, однако эта гипотеза не получила широкой поддержки.

В 2014 году группа физиков под руководством Карло Ровелли предложила модель, согласно которой чёрные дыры в конце своего испарения превращаются в белые дыры, причём процесс занимает не космологически долгое время, а относительно короткий срок с точки зрения внешнего наблюдателя. В этой модели белые дыры могли бы быть источником тёмной материи, однако прямых наблюдательных свидетельств до сих пор нет.

¶Белые дыры в квантовой гравитации

В петлевой квантовой гравитации сингулярность чёрной дыры заменяется квантовым состоянием, из которого возможен «отскок» в фазу расширения. Это приводит к образованию белой дыры на месте схлопнувшейся чёрной. Такие объекты называются «планковскими звёздами» — гипотетическими объектами, в которых квантовые эффекты гравитации становятся существенными. По оценкам, время жизни планковской звезды с точки зрения внешнего наблюдателя может составлять миллисекунды для малых масс и огромные сроки для массивных чёрных дыр, что делает их практически ненаблюдаемыми.

¶Критика и проблемы концепции

Основные возражения против существования белых дыр связаны с нарушением причинности и термодинамики. Белая дыра, если бы она существовала, позволяла бы передавать информацию из прошлого в будущее без затрат энергии, что противоречит второму началу термодинамики. Кроме того, граница белой дыры является «горизонтом прошлого»: внешний наблюдатель не может послать сигнал внутрь, но может получить сигнал изнутри, что создаёт парадоксы причинности.

Роджер Пенроуз и другие физики отмечали, что белые дыры требуют специальных начальных условий с чрезвычайно низкой энтропией, что делает их появление в естественных процессах практически невозможным. В отличие от чёрных дыр, которые образуются при коллапсе массивных звёзд, для белых дыр нет известного физического механизма, который мог бы привести к их формированию без тонкой настройки.

¶Белые дыры в культуре

Образ белой дыры используется в научной фантастике и популярной культуре как антипод чёрной дыры — источник энергии, материи или даже целых вселенных. В романе «Солярис» Станислава Лема упоминаются гипотетические «белые дыры» как возможные источники загадочных явлений. В фильме «Интерстеллар» Кристофера Нолана концепция кротовой норы и обратимости времени частично основана на математическом аппарате, родственном описанию белых дыр. Однако с научной точки зрения эти образы далеки от реальной физики.

¶Источники

• Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. — М.: Мир, 1977. — Т. 3.
• Новиков И. Д., Фролов В. П. Физика чёрных дыр. — М.: Наука, 1986.
• Rovelli C., Vidotto F. Planck stars // International Journal of Modern Physics D. — 2014. — Vol. 23, No. 12.
• Hawking S. W., Ellis G. F. R. The Large Scale Structure of Space-Time. — Cambridge University Press, 1973.