пространство анти-де Ситтера

Рассмотрим однородное сферическое облако космической пыли, которое начинает сжиматься под действием собственной гравитации. По классическим законам общей теории относительности такое облако неизбежно сколлапсировало бы в точку бесконечной плотности — сингулярность, где уравнения поля перестают работать.

В далёком космосе существует гипотетический объект — ультрахолодная чёрная дыра. Она несёт электрический заряд и находится в расширяющейся вселенной — пространстве де Ситтера, где доминирует космологическая постоянная. Её температура близка к абсолютному нулю — примерно на одну триллионную градуса выше него.

Вращающаяся чёрная дыра — не статичный объект, а динамическая система: пространство-время вокруг неё испытывает колебания, подобно гитарной струне после щипка. Эти возмущения описывает уравнение Тьюкольского — сложное дифференциальное уравнение, которое физики изучают уже полвека.

Чёрная дыра после удара звенит, как колокол. Только вместо звука она испускает гравитационные волны, частота которых быстро падает — это называют квазинормальными модами. По такому «звону» можно узнать массу дыры, её вращение и другие свойства.

Два мячика, брошенных с разной высоты, падают на землю с разным ускорением. В космосе всё устроено сложнее: там даже пустота заставляет тела двигаться по-разному.

Надувной шар с нарисованными фломастером магнитными линиями — простая модель того, как ведёт себя слабое магнитное поле в расширяющейся вселенной. Пока шар маленький, линии послушно лежат на резине и не мешают ей растягиваться. Примерно так поле заполняет готовое пространство, не споря с его геометрией. Но если бы сам фломастер начал раздувать резину, картина стала бы иной.

Газ, проходя через узкий клапан, может нагреться или остыть — это эффект Джоуля–Томсона, на нём работают холодильники и сжижители воздуха. Оказывается, чёрные дыры тоже умеют так себя вести.

Вселенная — грандиозный оркестр, где тёмная энергия дирижирует расширением.

В обычном мире без тёмной энергии масса любого тела всегда положительна. Это кажется очевидным: положительная масса притягивает, создавая гравитацию. Но в реальной Вселенной есть тёмная энергия — загадочная сила, заставляющая космос расширяться всё быстрее.

Горизонт событий чёрной дыры — это граница, подобная краю водопада: пересёк её — и обратного пути нет. Но в отличие от водопада, эта граница может оказаться на удивление хрупкой: достаточно лёгкого возмущения, чтобы она исчезла.

Бегун на середине дистанции вдруг переходит на шаг — не ускоряется и не замедляется, а сохраняет постоянный темп. Нечто подобное могло происходить с самой Вселенной вскоре после Большого взрыва. Эту фазу назвали «стазис» — от греческого слова «стояние».

Инфляция — это стремительное расширение новорождённой Вселенной, когда квантовые флуктуации вытянулись до космических масштабов. Реликтовое излучение — окаменевший свет той эпохи, тени на стене нашей космической пещеры.

Взрыв далёкой сверхновой рассказал нам то, во что трудно поверить: мир расширяется всё быстрее. Двигателем этого ускорения служит тёмная энергия — почти 70% всего сущего.

Горизонт чёрной дыры похож на мыльную плёнку, натянутую над бездной. Со стороны кажется идеально гладким, но вблизи он дрожит. Эта рябь рождается из-за квантовых флуктуаций — непрерывного рождения и исчезновения частиц в пустоте.

Пустота не бывает абсолютно пустой. В искривлённом пространстве — например, в расширяющейся вселенной или рядом с чёрной дырой — вакуум нагревается. Это напоминает ситуацию, когда ускорение заставляет частицы появляться словно из ничего: явление, известное как тепловое излучение вакуума.

Сразу после Большого взрыва Вселенная, возможно, застряла в ложном вакууме — временном состоянии, подобном мыльной плёнке, готовой лопнуть от малейшего возмущения. Затем мог возникнуть редкий пузырь истинного вакуума, растянувший пространство в мгновение ока.

Космологическая постоянная заставляет Вселенную расширяться с ускорением. В далёком будущем, когда всё вещество рассеется, останется лишь пустое пространство де Ситтера — идеальный космический фон. Но даже в этой пустоте, ограниченной горизонтом событий, есть скрытая жизнь: квантовые флуктуации рождают спектр состояний, похожий на тихий гул.

Свет, пролетая мимо массивного тела, слегка меняет путь — гравитация притягивает даже лучи. В обычной ситуации пучок света, идущий от далёкой звезды, сжимается, словно его стягивают невидимой резинкой. Это свойство называют условием схождения лучей (null convergence condition): гравитация заставляет световые траектории сближаться, а не разбегаться.

Вселенную можно представить как мыльный пузырь, раздувающийся в многомерной пене. Модель тёмного пузыря объясняет ускоряющееся расширение космоса: пузырь пространства-времени растёт, и его плёнка приобретает крошечную толщину — порядка микрона, сравнимую с размером бактерии. На таких масштабах гравитация «расплывается» в этой толщине и ослабевает.

Наша Вселенная расширяется, и её будущее, по мнению космологов, — это пустое, холодное пространство де Ситтера. Понять его квантовую природу — всё равно что пытаться прочесть книгу, глядя только на обложку. Голографический принцип подсказывает: вся информация о том, что происходит внутри объёма, может быть записана на его границе, как рисунок на плёнке.

Переводчик слышит не только слова, но и интонацию, паузы, дрожь в голосе. Обычный энтропийный анализ космических возмущений похож на протокол совещания: фиксирует факты, но теряет оттенки. Псевдоэнтропия энтропии — это новый инструмент, который улавливает скрытую «музыку» ранней Вселенной.

Две линейки показывают чуть-чуть разную длину одного и того же стола. Примерно так выглядит ситуация в космологии с постоянной Хаббла — числом, которое говорит, как быстро расширяется Вселенная.

Если бросить камешек в пруд, по воде пойдут круги. Примерно так же «звучит» чёрная дыра, когда в неё падает материя или когда её пространство-время слегка встряхивает. Эти затухающие колебания называют квазинормальными модами — как звон колокола, который постепенно стихает.

Вселенная расширяется всё быстрее благодаря тёмной энергии — загадочной субстанции, пронизывающей космос и отвечающей за ускоренное расширение. Но измерения скорости этого расширения дают противоречивые результаты. Новое объяснение: в прошлом тёмная энергия работала как тормоз, замедляя разбегание галактик, а затем переключилась на разгон.

Обычная чёрная дыра — как печка, которая греет тем сильнее, чем меньше её масса. Крошечная дыра должна раскаляться до немыслимых температур и мгновенно испаряться. Но этот сценарий не учитывает квантовых поправок — того, что происходит, когда сама ткань пространства-времени начинает дрожать.

Натянутая простыня идёт складками. Если дёрнуть угол — побежит ровная волна, а если резко сжать ткань — возникнет острый залом. Примерно так же ведут себя пространство и время в уравнениях Эйнштейна. Гравитационные волны похожи на плавные колебания простыни, а ударные скачки — на жёсткие сгибы, где свойства материи меняются скачком.

Обычная лампочка при нагреве светит ярче — это знает каждый. Но чёрная дыра размером с атомное ядро живёт по другим законам. Когда она испаряется, испуская частицы из-за квантовых эффектов у самой границы (горизонта событий), её свечение не растёт с температурой, а падает. Причина — в резкой потере массы: дыра худеет так быстро, что не успевает разогреться.

Представьте надувной матрас, который равномерно растягивают в стороны, а на его поверхности крутится водяная воронка. При растяжении матраса воронка стягивается — её размер относительно всей поверхности уменьшается.

Если бросить в кипящую воду кусок льда, он будет таять, пока не исчезнет. Примерно так же ведёт себя чёрная дыра в космосе — только «кипятком» здесь служит само пространство, которое непрерывно вытягивает из неё энергию. В новой работе физики разобрали судьбу особого типа чёрных дыр — тех, что не только обладают массой, но и несут электрический заряд.

Тяжёлый шар лежит на батуте, и ткань прогибается под ним. Любой катящийся рядом мячик неизбежно скатывается к центру. Примерно так работает гравитация в масштабах целой Вселенной. Но что, если бы ткань была выгнута вверх, как купол? Тогда мячик стремился бы скатиться наружу.

Представьте Вселенную как книгу с конечным числом страниц. Её ускоренное расширение, движимое тёмной энергией — загадочной субстанцией, расталкивающей пространство, — действует словно невидимый переплёт: далёкие страницы навсегда скрепляются, становясь недоступными главами.

Стивен Хокинг предложил радикальный взгляд: рождение Вселенной — не взрыв, а плавное «выныривание» из квантового «ничего» — состояния, где нет ни пространства, ни времени, лишь квантовые флуктуации.

Долгое время тёмная энергия — загадочная субстанция, ответственная за ускоренное расширение Вселенной — рассматривалась как фундаментальная константа, неизменная во времени и пространстве. Эту ситуацию можно сравнить с дрожжами, которые никогда не теряют своей активности.

Квантовый мир не любит, когда его пытаются описать точными числами. Обычно физики раскладывают сложное взаимодействие в длинный ряд — как сумму всё меньших поправок. Но в расширяющейся Вселенной, где пространство само растягивается, этот ряд ведёт себя словно упрямый ученик: каждый следующий член не уменьшается, а наоборот, начинает безудержно расти.

Математический бублик — тор — поселился на границе трёхмерного мира, где действует гравитация. Его можно мять и растягивать, и физики решили проверить, как он себя поведёт. Внутри этого мира пространство бывает плоским, как стол, раздувающимся, словно мыльный пузырь, или изогнутым наподобие седла. Граница-бублик не захотела оставаться гладкой.

Камень падает в пруд, и по воде расходятся круги. Если же пруд неспокойный, со встречными волнами, картина усложняется. Примерно так ведет себя пространство вокруг черной дыры, когда ее что-то возмущает: она вибрирует, излучая гравитационные волны.

Чёрную дыру можно представить как водоворот в реке: у неё есть край — горизонт событий, — за которым течение утягивает всё безвозвратно. В центре прячется сингулярность — точка, где привычные законы перестают работать.

Карандаш, уроненный на пол, ударяется сразу всей поверхностью. Но если бы пол был квантовым — состоял из бесчисленных вибрирующих песчинок, — карандаш никогда не коснулся бы одной-единственной точки.

Горсть рисовых зёрен падает на горячую сковороду — и они запрыгали. Каждое зерно толкает соседей, вся куча шевелится без внешней руки. Это и есть активная материя: множество частиц, которые сами черпают энергию и превращают её в движение. До сих пор физики изучали такой «танец» по законам Ньютона, не вспоминая о квантовой механике.

Капли из неплотно закрытого крана отбивают чёткий ритм. Похожий ритм, только в масштабах Вселенной, обнаружили астрофизики: образование первичных чёрных дыр — крошечных объектов, родившихся в первые мгновения после Большого взрыва — тоже идёт не хаотично, а строго размеренно.