Если световые лучи – это магистрали обмена информацией во Вселенной, то сингулярности – внезапные тупики. Такие причудливые точки или области, в которых кривизна пространства бесконечна, координаты в пространстве и/или времени не определены, а плотность и другие физические величины возрастают до бесконечности, представляют собой абсолютную научную загадку. Неудивительно, что Эйнштейн избегал их как чумы, когда пытался разработать различные единые теории.

В 1916 году физик Карл Шварцшильд, служивший в немецкой армии во время Первой мировой войны, нашел одно из первых точных решений общей теории относительности, описывающее, как действует гравитация вокруг неподвижного шара материи – например, небесного тела. Это решение очень странно себя ведет в случае сверхвысоких плотностей этой материи – состояния, которое достигается при катастрофическом коллапсе ядер чрезвычайно массивных звезд. Начиная с 1967 года Уилер стал называть их черными дырами и тем самым популяризировал это выражение, предложенное одним из слушателей на его выступлении[86].

У таких объектов при определенном радиусе возникает невидимая граница, называемая горизонтом событий. Значения координат и времени здесь зашкаливают, но для некоторых, а не для всех наблюдателей. Подобные сингулярности называют устранимыми. Они представляют собой скорее математические артефакты, чем физические тупики.

Согласно классической теории относительности, ничто, даже свет, не может вырваться из-под горизонта событий. Свет и вещество свободно проходят внутрь, но не наружу. Однако если добавить к гравитации квантовые эффекты, обнаруживается, что горизонт постепенно излучает энергию в окружающее пространство – процесс, называемый излучением Хокинга. Поэтому в действительности горизонт событий – это полупроницаемая мембрана, а не точка невозврата.

Напротив, гибельные центры черных дыр совершенно неминуемы и абсолютно смертельны. Они обладают бесконечной кривизной и бесконечной плотностью и обрекают на разрушительный финал все, чему суждено к ним приблизиться. Такие физические сингулярности неустранимы независимо от того, какая система отсчета используется.

С другой стороны, в некоторых системах отсчета решение, соответствующее черной дыре, можно любопытным образом продолжить, включив в него второй экземпляр нашего пространства, подобно двум половинкам песочных часов. Вместе они представляют собой своего рода портал[87], соединяющий одну часть пространства с другой, хоть и совершенно непроходимый[88], как если бы две комнаты в здании были соединены смертоносной дверью-ловушкой, через которую никто не может пройти живым. Можно представить себе первоначальное решение черной дыры как своего рода вход или устье, продолжение – как другое устье, а соединение между ними – как умопомрачительно узкую горловину.

В некоторых теоретических построениях, в частности в модели физика Ли Смолина, это присоединенное второе пространство проявляется диаметрально противоположно катастрофическому звездному коллапсу. В нем, скорее, происходит взрывное расширение – рождение новой дочерней Вселенной. Таким образом, с этой точки зрения любая Вселенная со звездами, достаточно массивными, чтобы их ядра внезапно превращались в черные дыры, по сути, становится вариантом мультивселенной. Однако вместо параллельных ветвей реальности такая мультивселенная будет представлять собой ясли для Вселенных-младенцев. Некоторые из этих малышей, если они обладают нужным сочетанием физических параметров, вырастают в большие Вселенные с массивными звездами, порождая еще больше дочерних Вселенных. Смолин отмечает, что это напоминает выживание сильнейших в эволюционной борьбе между Вселенными, а репродуктивный успех зависит от количества звезд, прошедших полный путь до коллапса. Такие звезды появляются во Вселенной с правильным сочетанием физических констант, что помогает объяснить их благоприятные значения. Заметим: хотя существование черных дыр уже давно подтверждено, идея о том, что эти объекты порождают дочерние Вселенные в дарвиновском соревновании, остается в высшей степени умозрительной – даже среди сторонников концепции мультивселенной ее придерживаются немногие.

Шварцшильдовские черные дыры не вращаются и электрически нейтральны. Однако это не единственный тип черных дыр. За прошедшие годы исследователи обнаружили другие теоретические решения общей теории относительности, описывающие различные типы этих объектов. Через несколько месяцев после того, как Шварцшильд опубликовал свою модель, немецкий инженер Ганс Райсснер обнаружил решение, учитывающее электрический заряд. Два года спустя Гуннар Нордстрём независимо получил эквивалентное решение, которое теперь известно как модель Райсснера – Нордстрёма. Поскольку массивные небесные тела, как правило, электрически нейтральны, такие заряженные модели имеют скорее теоретическое значение, а не описывают физическую реальность.

Более важным было первое решение для вращающейся черной дыры, которое в 1963 году представил на конференции в Техасе уроженец Новой Зеландии астрофизик Рой Керр. Это решение описывало вращающиеся электрически нейтральные сверхплотные массивные объекты. Вместо точечной сингулярности в центре эти вращающиеся вихри содержат кольцевые сингулярности – смертельные петли бесконечной кривизны и плотности. Астрофизическое сообщество сразу же осознало всю важность таких решений: большинство черных дыр, если не все, должны вращаться. Менее массивные сородичи черных дыр, нейтронные звезды, несомненно, вращаются – это было обнаружено в 1967 году уроженкой Северной Ирландии астрофизиком Джослин Белл Бернелл при открытии быстро крутящихся космических радиомаяков – пульсаров.

Согласно закону сохранения момента импульса, если что-то вращающееся сжимается, оно должно раскручиваться все быстрее и быстрее по мере того, как становится компактнее. Именно это и происходит при гибели сверхмассивных звезд. Исчерпав основные источники ядерной энергии, их ядра внезапно коллапсируют и увеличивают скорость вращения. Когда такие ядра достаточно массивны, гравитация преодолевает любое сопротивление коллапсирующей материи, и они катастрофически схлопываются в черные дыры. При этом остаточный угловой момент превращает их в бешено вращающийся вихрь. Решения Керра, в отличие от стационарных решений Шварцшильда и заряженных моделей Райсснера – Нордстрёма, соответствуют этому ожидаемому от астрофизических объектов вращению.

Основываясь на работах Керра, в 1965 году Эзра «Тед» Ньюман, американский физик из Питтсбургского университета, смешал в одном котле все основные ингредиенты и занялся вопросом о заряженных вращающихся черных дырах. Основываясь на их массе, заряде и угловом моменте, а также на предположении о сферической симметрии, он нашел точные решения для черных дыр с кольцевыми или точечными сингулярностями, обычно (но не всегда) окруженными горизонтами событий. С этого момента исследователи стали считать другие основные теоретические разновидности черных дыр (по крайней мере, те, которые представляют собой сколлапсировавшие звездные ядра) частными случаями общего решения Керра – Ньюмана, как его еще называют.

В ходе дискуссий о черных дырах в начале и середине 1960‐х годов возник важнейший вопрос: откуда мы знаем, что ядра физических звезд со всеми характерными для природных объектов неоднородностями коллапсируют в совершенно идеальные сферы, описываемые вариантами решения Керра – Ньюмана? Может быть, в итоге они окажутся достаточно неправильными, чтобы суметь вовсе избежать образования сингулярностей? В конце концов, когда происходит схлопывание обычных объектов, в результате часто получается смятый комок, а не идеальный шар. Представьте, что вы втыкаете булавку в воздушный шарик или баскетбольный мяч. В обоих случаях, когда воздух выйдет, останется объект неправильной формы.

Однако в 1965 году британский математик и математический физик Роджер Пенроуз разработал на базе общей теории относительности мощные методы анализа свойств замкнутых захваченных поверхностей (областей, лишенных сообщения с другими частями пространства-времени посредством света или других сигналов), которые описывают окрестности черных дыр. Используя математические теоремы, доказанные ранее индийским физиком Амалом Кумаром Райчаудхури, он показал, что в ходе гравитационного коллапса массивного тела неизбежно возникают сингулярности. Причина, по которой мы не видим их непосредственно в природе, заключается в том, что они скрыты за горизонтами событий и другими типами замкнутых ловушечных поверхностей. Эта работа была отмечена Нобелевской премией по физике лишь спустя много десятилетий – в 2020 году.

Рисунок 13. Британский теоретик Стивен Хокинг, разработавший множество ключевых теорем в области общей теории относительности, астрофизики и космологии. Источник: Институт Франклина, с разрешения AIP Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection

Несколько месяцев спустя молодому физику из Кембриджа Стивену Хокингу пришла в голову необычная идея, основанная на результатах Пенроуза. Обратив в уравнениях время вспять, он сумел дойти до момента Большого взрыва и проанализировать мгновения его зарождения. Любопытно, что в режиме обратной перемотки динамика материи и энергии, сливающихся в сверхплотное состояние, в какой-то степени напоминала коллапс черной дыры. Применив работу Пенроуза к обращенному во времени Большому взрыву, Хокинг обнаружил, что уравнения общей теории относительности Эйнштейна требуют, чтобы космос начинался с сингулярности. Из этой точки бесконечной плотности родилось все сущее.

Научный руководитель Хокинга Деннис Сиама вскоре сообщил Дикке об этом открытии. Дикке понял, что оно ставит под сомнение его представление об энергии, оставшейся после предыдущих космических циклов. Ничто не могло сохраниться в космологической пространственно-временной сингулярности, учитывая, что все пути сообщения начинаются там (подобно тому, как все пути заканчиваются в гибельных сингулярностях черных дыр). Если бы не существовало способа обойти это затруднение, то в любом практическом смысле Большой взрыв представлял бы собой нулевую точку космической временной шкалы. Все, что происходило до него – если, конечно, существовали предыдущие циклы, – не имело бы причинно-следственной связи с нашей Вселенной. Поэтому предположение Дикке о том, что реликтовый фон несет информацию о предыдущей инкарнации Вселенной, теряет убедительность, уступая место объяснениям, связанным с горячим первичным огненным шаром, который каким-то образом возник из исходной сингулярности, расширялся и постепенно остывал, пока не превратился в холодный радиошум, ныне заполняющий все пространство.