Белые дыры в космологии¶

Белые дыры — гипотетические астрофизические объекты, являющиеся точным временны́м обращением чёрных дыр. В отличие от чёрных дыр, которые захватывают материю и излучение, белые дыры, согласно теоретическим моделям, выбрасывают материю и энергию наружу, не пропуская внутрь ничего извне. Существование белых дыр не подтверждено наблюдениями и остаётся предметом теоретической физики.

¶Физические основы

¶Связь с чёрными дырами

Концепция белых дыр возникает из решений уравнений общей теории относительности Эйнштейна. В 1916 году Карл Шварцшильд получил точное решение для гравитационного поля сферически симметричной массы. Это решение описывает чёрную дыру, однако математически оно содержит и вторую область пространства-времени, которая ведёт себя противоположным образом.

Уравнения общей теории относительности симметричны относительно обращения времени. Если взять решение для чёрной дыры и изменить направление времени на противоположное, получится математическое описание белой дыры. В этом смысле белая дыра — это чёрная дыра, эволюционирующая «вспять»: вместо горизонта событий, который можно только пересечь внутрь, у белой дыры существует горизонт, который можно только покинуть.

¶Свойства горизонта

Ключевое отличие белой дыры от чёрной заключается в свойствах горизонта событий. У чёрной дыры горизонт является односторонней мембраной: любое тело или излучение, пересекшее горизонт, не может вернуться наружу. У белой дыры горизонт также односторонний, но направлен в противоположную сторону: ничто извне не может пересечь горизонт внутрь, однако всё, что находится внутри, обязано покинуть область горизонта.

С точки зрения внешнего наблюдателя, белая дыра проявляет себя как источник излучения и вещества, но не взаимодействует с падающей на неё материей. Любой объект, приближающийся к белой дыре, испытывает бесконечное гравитационное красное смещение и фактически «застывает» на горизонте, не имея возможности пересечь его.

¶Теоретические модели

¶Максимально расширенное пространство Шварцшильда

Наиболее полное описание белых дыр даёт максимально расширенное решение Шварцшильда, полученное Мартином Крускалом и Джорджем Секерешем в 1960 году. В этой модели пространство-время чёрной дыры содержит четыре области: внешнюю Вселенную, внутреннюю область чёрной дыры, параллельную внешнюю Вселенную и область белой дыры.

Согласно этой модели, белая дыра и чёрная дыра соединены через так называемую «кротовую нору» — гипотетический туннель в пространстве-времени. Материя, падающая в чёрную дыру, теоретически может выходить из белой дыры в другой области Вселенной или даже в другой вселенной. Однако такая трактовка сталкивается с серьёзными проблемами физической реализуемости.

¶Квантовые эффекты

В 1970-х годах Стивен Хокинг показал, что чёрные дыры испаряются за счёт квантовых эффектов вблизи горизонта событий. Аналогичные рассуждения применимы и к белым дырам. Квантовая теория поля предсказывает, что белые дыры должны быть крайне нестабильными: любое малое возмущение приводит к экспоненциальному росту излучения, и белая дыра «взрывается» практически мгновенно по сравнению со своим гравитационным радиусом.

Это свойство делает белые дыры практически ненаблюдаемыми: даже если бы они образовывались, их время жизни было бы ничтожно малым, а энергия выброса — колоссальной.

¶Возможные сценарии образования

¶Первичные белые дыры

Одна из гипотез связывает белые дыры с ранней Вселенной. Согласно некоторым космологическим моделям, в момент Большого взрыва могли образовываться первичные чёрные дыры малой массы. Из-за квантовых эффектов такие объекты могли эволюционировать в белые дыры на поздних стадиях испарения.

Существует также гипотеза, согласно которой белые дыры могут образовываться непосредственно из квантовых флуктуаций плотности в ранней Вселенной. Однако наблюдательных подтверждений этой гипотезы нет.

¶Гипотеза о связи с гамма-всплесками

Некоторые исследователи предполагали, что короткие гамма-всплески могут быть проявлениями активности белых дыр. Гамма-всплески — мощные вспышки гамма-излучения, наблюдаемые в далёких галактиках. Однако современные данные указывают на то, что гамма-всплески связаны со слияниями нейтронных звёзд и коллапсами массивных звёзд, что делает гипотезу о белых дырах маловероятной.

¶Критика и проблемы концепции

¶Термодинамический парадокс

Существует фундаментальная проблема, связанная с белыми дырами: они нарушают второй закон термодинамики. Чёрные дыры имеют энтропию и излучают тепловое излучение (излучение Хокинга), что согласуется с термодинамикой. Белые дыры, напротив, представляют собой источник упорядоченной материи и энергии, что противоречит принципу возрастания энтропии в замкнутой системе.

¶Проблема горизонтов

Для внешнего наблюдателя белая дыра выглядит как объект, существующий бесконечно долго. Однако из-за гравитационного замедления времени процессы вблизи горизонта белой дыры растягиваются во времени. Это создаёт парадокс: наблюдатель никогда не увидит самого момента выброса материи, что делает белые дыры принципиально ненаблюдаемыми в реальном времени.

¶Отсутствие наблюдательных подтверждений

На сегодняшний день не существует ни одного астрофизического наблюдения, которое можно было бы интерпретировать как обнаружение белой дыры. Все кандидаты, предлагавшиеся в разное время, получили альтернативные объяснения в рамках стандартных моделей — нейтронных звёзд, квазаров или гамма-всплесков.

¶Белые дыры в массовой культуре

Тема белых дыр регулярно появляется в научно-фантастической литературе и кинематографе. В романе «Планета Калибера» и других произведениях белые дыры изображаются как источники энергии или порталы в другие миры. Концепция часто используется как сюжетный приём для объяснения путешествий во времени или межпространственных переходов.

¶Современное состояние вопроса

В современной теоретической физике белые дыры рассматриваются как математическое следствие общей теории относительности, физическая реализуемость которого крайне сомнительна. Большинство исследователей сходятся во мнении, что белые дыры либо не существуют в природе, либо их существование требует радикального пересмотра представлений о квантовой гравитации.

Некоторые подходы в петлевой квантовой гравитации допускают, что чёрные дыры в конце своего испарения могут превращаться в белые дыры, однако эти модели остаются спекулятивными и не имеют наблюдательной поддержки.