Пенроуз показал, что теория Эйнштейна предсказывает свою неполноту. «Бесконечности» в теории — это сигнал о вмешательстве какой-то новой физики.

Наблюдатели доказали, что черные дыры существуют в системах двойных звезд и в центрах всех галактик, включая и нашу. В данную секунду мы вместе с Солнечной системой несемся со скоростью 220 километров в секунду вокруг гигантской черной дыры в центре нашей Галактики. Можно ночью найти на небе середину Млечного Пути на стыке созвездий Стрельца, Скорпиона и Змееносца и посмотреть на эту черную дыру, вернее — на то место, где главная черная дыра нашей Галактики прячется за темными межзвездными облаками.

Когда черные дыры в сознании ученых стали реальными объектами, вырос интерес к поведению вещества внутри черной дыры. Если гравитация преодолела все барьеры давлений и даже с помощью остановки времени нельзя удержать коллапсирующее вещество на радиусе Шварцшильда, то можно ли с помощью какого-нибудь трюка избегнуть бесконечной плотности в центральной особой точке, то есть в сингулярности?

Рассмотрим понятие сингулярности на примере двух теннисных мячей, летящих навстречу друг другу. Если мы попробуем описать их столкновение, исходя только из законов динамики (не учитывая законов упругости), то мы можем легко вычислить время соударения шаров. Запретив взаимопроникновение шаров, мы получим сжатие теннисных шаров при встрече в бесконечно тонкий и бесконечно плотный кружок. Такой кружок является двумерной сингулярностью. Появление сингулярности в расчетах в данном случае демонстрирует очевидную неполноту физической модели. Учет сил упругости легко приводит к ликвидации сингулярности и умеренной плотности в момент удара: мячи, сминаясь, передают свою кинетическую энергию в энергию упругого сжатия (резины и воздуха внутри), которая потом снова превращается в кинетическую энергию разлетающихся мячей и тепловую энергию, выделившуюся из-за некоторой неупругости соударения.

Таким образом, сингулярности в решении совсем необязательно означают ущербность фундаментальных теорий, на которых эта модель базируется. Модели всегда расположены на стыке объективной теории и субъективного человеческого умения (или неумения) упрощать сложную реальность до простой системы. Когда гравитационист наталкивается в своих решениях на такую ужасную вещь, как сингулярность, то перед ним возникает выбор: или обвинить в появлении этой непристойности себя и свою неправильную либо неточную модель, или переложить ответственность на общую теорию относительности и ее творца — Эйнштейна, который возразить уже не сможет. И часто побеждает желание отвести от себя обвинение. Мы воспротивимся этому желанию, от которого дурно пахнет отступлением, и рассмотрим в данной книге возможные решения проблемы сингулярности в рамках ОТО.

К сингулярной точке приводит сферически симметричное сжатие. Можно предположить, что отклонение от сферической симметрии решит проблему сингулярности. Е. М. Лифшиц (1915–1985) и И. М. Халатников (1919–2021) в 1963 году предприняли попытку решить проблему сингулярности и Большого взрыва в рамках классической теории Эйнштейна: они попробовали показать, что разлет вещества Вселенной (то есть Большой взрыв) возможен после несимметричного коллапса и пролета частиц мимо друг друга. Так комета, падая на Солнце, чаще всего промахивается и снова улетает на окраины Солнечной системы.

Эта модель исходила из симметрии во времени траекторий движения частиц в поле тяготения. На самом деле частица, падающая в гравитационном поле черной дыры, не может повторить свою траекторию после точки максимального сближения — гравитационное излучение отнимает у нее часть кинетической энергии и массы. Отсутствие гравитационных волн делало модель Лифшица — Халатникова слишком упрощенной. Эта модель могла бы стать более реалистичной, но ее развитию помешало увлечение физиков теоремами.

В 1965–1970 годах С. Хокинг и Р. Пенроуз доказали математическую теорему, согласно которой центральные сингулярности в теории Эйнштейна неизбежны при выполнении ряда условий, в том числе закона сохранения энергии или закона сохранения гравитационной массы. Теоремы Пенроуза — Хокинга больно ударили по надеждам физиков предотвратить сингулярности, не выходя за рамки теории Эйнштейна.

Теорема о том, что гравитация не выпускает вещество из околосингулярной области, сделала проблему сингулярности одной из острейших в космологии. В проблеме гравитационного коллапса волнуют не только бесконечная плотность и прочие расходимости в точке центральной сингулярности, где должны нарушаться все мыслимые законы, но и в каком-то смысле физическая неприличность процесса неизбежного коллапса. Ведь это необратимый феномен, из-за которого коллапсирующее вещество и сопутствующая информация выпадают из физической картины мира, и нет никакой возможности их вернуть. Это некрасиво, нелепо, и недаром многие физики, включая великого Эйнштейна и смелого Эддингтона с его великолепной интуицией, очень скептически относились как к неизбежности коллапса, так и к неотвратимости сингулярности, надеясь, что развитие физики предотвратит это «бедствие». Необратимое пожирание не только материи, но и информации является характерной особенностью черной дыры. С точки зрения многих ученых, включая Хокинга, такая необратимость является информационным парадоксом.

После доказательства теорем Хокинга — Пенроуза распространилась точка зрения, что теория Эйнштейна, а значит, и теоремы, основанные на этой теории, становятся неверными на финальной стадии гравитационного коллапса, когда вся масса коллапсирующего тела (массивной звезды или всей Вселенной) концентрируется в очень малом объеме. Основные надежды на ликвидацию сингулярностей возлагались на квантовые эффекты, которые развиваются на микроскопических расстояниях и могут «размазать» сингулярность. Квантовые флуктуации выходят из рамки ОТО и действия теорем Пенроуза — Хокинга.

Видимая безвыходность в проблеме сингулярности и Большого взрыва привела к тому, что ряд видных физиков стали утверждать, что в сингулярности пространство и время исчезает. Следовательно, до Большого взрыва пространства-времени не существовало, равно как его не будет и после Большого схлопывания — так иногда называют возможное сжатие нашей Вселенной в точку. Дж. Уилер даже предположил, что в момент Большого взрыва рождается не только пространство и время, но и сами физические законы, которые даже подвержены своеобразной эволюции, напоминающей биологическую (Wheeler J. A., Ford K. «Geons, Black Holes & Quantum Foam», 1998). Остается подивиться дерзости человеческого гения, который скорее уничтожит само пространство и время, чем признается, что пока не может найти правильное уравнение для динамики Вселенной в этом пространстве и времени. Многие видные физики не удовлетворяются таким кардинальным решением и продолжают констатировать наличие кризисной ситуации из-за сингулярностей в решениях, получаемых учеными из уравнений Эйнштейна.