Сергей Хайтун
Мы живем внутри черной дыры. Это почти очевидно.
Мауриц Эшер, «Звезды», 1948 г.
Наблюдаемая нами сегодня Вселенная зародилась около 15 млрд. лет назад в результате Большого взрыва. Так как никакой сигнал не может распространяться быстрее света, то у нас не может быть информации о том, как устроен мир на расстояниях, превышающих 15 млрд. световых лет. То есть мир ограничен для нас горизонтом видимости.
Наука не терпит пустоты, недостаток наблюдательной базы восполняется спекулятивными предположениями. Космологи легко говорят о замкнутой Вселенной, которая в начале Большого взрыва была много меньше грецкого ореха и которой закон сохранения энергии не запрещает возникновения из вакуумоподобного состояния физической среды. Масса замкнутой космической системы масштаба нашей Метагалактики, считают некоторые, равна очень малой величине, что делает возможным размещение метагалактик в элементарных частицах. Обсуждаются дополнительные пространственные и/или временные измерения. И т.д. и т.п.
Отказ от слишком сильных гипотез позволил бы упростить космологическую картину мира, не вступая в противоречие с данными наблюдения в пределах горизонта видимости. В основание нашего рассмотрения положена одна-единственная гипотеза.
═
Гипотеза: Вселенная фрактальна
═
Плотность космических объектов стремительно падает с их размерами (звезда, скопление звезд, галактика, скопление галактик, наша Метагалактика). Экстраполируя эту последовательность, Г.М. Идлис пришел в 1956 г. к выводу, что «бесконечная» плотность Вселенной равна нулю. Эта идея и новейшие представления о фрактальности Вселенной подтверждают друг друга. Дело в том, что плотность всякого фрактала, расположенного в реальном («нашем») трехмерном пространстве, тождественно равна нулю. Не вдаваясь в математические детали, которые можно найти в моей книге «Механика и необратимость» (М., 1996), поясню эту мысль на простом примере.
Представим себе бесконечно тонкий лист бумаги, которым мы пытаемся заполнить комнату, вырезая из него бесконечно узкую полоску. Такой лист бумаги – двухмерный, его объем и масса равны нулю. Понятно, что заполнить им трехмерный объем толком не удастся, бумага образует «всюду пустую» структуру нулевой плотности.
Таковы все «настоящие» фракталы – они обладают «всюду пустой» структурой, которая при проникновении в нее «расступается» до бесконечности. Реальные системы бесконечного углубления в свою структуру не позволяют; на каком-то конечном шаге структура, будь то, скажем, угольная сажа или кровеносная система человека, теряет свой «фрактальный» вид. «Настоящие» фракталы возникают только «на бумаге», реальные структуры лишь «фракталоподобны».
Позволяя – из-за своей бесконечности – бесконечное (мысленное) проникновение в свою структуру, Вселенная, судя по всему, является единственным «настоящим» фракталом, имея нулевую бесконечную плотность.
═
Первое следствие: Вселенная не переживала Большого взрыва.
═
На протяжении ХХ века космологи грешили явным или неявным отождествлением нашей Метагалактики со всей Вселенной, говоря о расширении Вселенной, модели горячей Вселенной и т.д. Между тем доказательств того, что расширяется вся Вселенная, не существует. Напротив, если Вселенная фрактальна, то она в принципе не может расширяться.
Имея нулевую плотность, фрактальная Вселенная незамкнута. Любой конечный ее фрагмент из-за отличия от нуля его плотности нестационарен, вся же бесконечная Вселенная, имея нулевую плотность, стационарна в том смысле, что все ее фрагменты не могут одновременно расширяться или сжиматься.
Перенесенный на нашу Метагалактику, Большой взрыв теряет свою загадочность. Легко представить себе, что наша Метагалактика ранее сжималась и, дойдя до некоторой стадии сжатия, стала расширяться. Взорвалась.
В вечной и бесконечной Вселенной, расположенной в едином трехмерном пространстве, отпадает нужда в дополнительных пространственных и временных измерениях. Разбросанные по бесконечной Вселенной метагалактики различаются размерами и массой, кривизной пространства-времени (замкнутостью или незамкнутостью), скоростью расширения или сжатия и т.д., однако значения мировых констант, полагаем мы, неизменны на всем бесконечном протяжении Вселенной и во времени.
Вытекающее из гипотезы о фрактальности Вселенной простое ее устройство упрощает и трактовку антропного принципа. Наша Метагалактика и на самом деле приспособлена к человеку, но это только потому, что она одна из многих, среди которых имеются и «безжизненные» и/или «нечеловеческие». Ситуация с метагалактиками подобна ситуации с планетами Солнечной системы. Вместо того чтобы утверждать, будто Земля специально приспособлена под человека, более разумно говорить, что условия на ней сложились оптимальными для закономерного появления человека. На других планетах условия сложились иными, и человек там не появился.
Из-за бесконечности Вселенной количество очагов жизни в ней бесконечно, весь вопрос в том, как далеко они отстоят друг от друга.
═
Второе следствие: наша Метагалактика – черная дыра.
═
Если что и загадочно в нашей Метагалактике, так это ее крупномасштабная однородность, связанная с отсутствием центра расширения. Пока мы считаем, что Большой взрыв претерпела вся Вселенная, это легко объясняется космологическим принципом, согласно которому разные ее участки (и разные направления в ней) равноправны. Поскольку же мы полагаем, что Большой взрыв претерпела лишь наша конечная Метагалактика, то следует признать и то, что в ее пределах космологический принцип не работает, как он не работает в пределах других конечных метагалактик.
Когда в однородной среде или в вакууме взрывается тело конечных размеров, будь то сверхновая или тротиловый заряд, то такой взрыв имеет центр и радиальные градиенты давления, плотности и температуры. Ничего подобного при расширении нашей Метагалактики не наблюдается, и это требует объяснения. Точка зрения автора этих строк состоит в том, что наша Метагалактика макрооднородна, потому что является черной дырой.
Сначала несколько слов о самой однородности наблюдаемого мира, фиксируемой на расстояниях порядка или больших 300 млн. световых лет. Как она сочетается с фрактальностью наблюдаемого мира, предполагающей его существенную неоднородность?
Все не так сложно. О макрооднородности наблюдаемого мира можно говорить, сравнивая фрагменты равного объема, и нельзя, сравнивая фрагменты разных объемов. С ростом объема сравниваемых фрагментов их плотность падает, достаточно же большие фрагменты наблюдаемого мира равного объема имеют равные плотности.
Переходим к черным дырам. Их обычно ассоциируют со сверхсжатыми массами. Между тем черной дырой может быть тело со сколь угодно малой плотностью, лишь бы она (плотность) была больше некоторой критической плотности, обратно пропорциональной квадрату радиуса тела.
Расчеты показывают, что черная дыра с радиусом Земли должна иметь плотность, на 26 порядков превышающую плотность воды. Плотность черной дыры с радиусом Солнца должна превышать плотность воды на 17 порядков. Плотность черной дыры с радиусом нашей Галактики может быть на 7 порядков меньше плотности воды, а черная дыра с радиусом нашей Метагалактики может иметь плотность, меньшую плотности воды примерно на 30 порядков. Самое странное, что реальная плотность нашей Метагалактики очень близка к этой критической плотности, хотя и несколько меньше ее.
Внутреннее пространство черной дыры замкнуто гравитацией. Находящиеся внутри нее тела и излучения в своем движении как бы отражаются от ее внутренней стороны, сами «не замечая» того и продолжая свое движение по прямой (точнее – по геодезической линии). Из-за безграничности предстающего перед внутренним наблюдателем пространства он не обнаружит центра сферы, внутри которой находится, а все ее внутренние точки для него равноправны.
В качестве геометрической аналогии трехмерного замкнутого безграничного пространства иногда используется двухмерная поверхность трехмерной сферы. Используем эту аналогию и мы, только в нашем случае сфера еще и расширяется.
Поместим на ее поверхность двухмерный газ взаимодействующих точек, имитирующий «газ» звезд и галактик. Если эти взаимодействия подобны реальным, то точки будут образовывать фракталоподобные структуры. Из-за симметрии задачи газ на сферической поверхности не будет иметь выделенных участков и направлений, находящиеся на ней равные по площади участки будут иметь примерно одинаковую плотность точек, тогда как участки большей площади будут иметь меньшую плотность. По мере расширения сферы точки разбегаются, не имея центра расширения.
Все это, только в трехмерном пространстве, мы и наблюдаем в нашей Метагалактике.
═
Экспериментальная проверка гипотезы
═
В 1998–1999 годах было установлено, что на расстояниях порядка или больших 1 млрд. световых лет потускнение сверхновых с расстоянием происходит быстрее, чем это дает теория. Связываемое с этим ускорение космического расширения трактуется многими как следствие космического расталкивания, производимого космическим вакуумом с плотностью, вдвое превышающей плотность вещества.
Прежде чем прибегать к столь сильной гипотезе, следует испытать менее сильные. Космическое ускорение может быть истолковано как эффективная добавка расстояния, возникающая в процессе постепенного раскрытия нашей Метагалактики, которое началось с пересечением ею в ходе расширения критического значения радиуса. Маловероятно, чтобы Земля находилась в центре нашей Метагалактики, поэтому космическое ускорение должно быть сферически асимметричным. Если ускорение разбегания галактик по разным направлениям окажется разным по абсолютной величине, то это будет иметь единственно возможное объяснение – именно то, о каком мы здесь говорим.
Дарья Гармоненко