Рис. 7.5.
Первісних чорних дір так мало, що видається малоймовірним, що одна з них буде досить близько від нас, щоб її можна було спостерігати як окреме джерело гама-променів. Але з огляду на те, що гравітація притягує первісні чорні діри до будь-якої речовини, їх мало б бути набагато більше в галактиках і довкола них. Отож, хоча гама-фон вказує на те, що на один кубічний світловий рік не може бути більш ніж 300 первісних чорних дір, він нічого не каже нам про те, скільки їх у нашій Галактиці. Якби, наприклад, тут їх було в мільйон разів більше, тоді найближча чорна діра була б розташована на відстані близько мільярдів кілометрів, приблизно так само далеко, як Плутон[23], найдальша з відомих планета. Утім навіть на такій відстані однаково було б дуже важко виявити постійне випромінювання чорної діри, хоч би й воно становило десять тисяч мегаватів. Щоб спостерегти первісну чорну діру, треба виявити кілька гама-квантів, що надходять з одного напряму впродовж розумного проміжку часу, наприклад тижня. Інакше вони можуть бути просто частиною фону. Проте згідно з квантовим принципом Планка, кожен гама-квант має дуже високу енергію, бо гама-промені мають дуже високу частоту, тому, щоб дістати десять тисяч мегаватів, не треба багато квантів. А щоб спостерегти тих кілька квантів, що надходять з відстані як до Плутона, потрібен більший детектор гама-променів, ніж будь-який з побудованих досі. Ба більше, цей детектор повинен бути в космосі, бо гама-промені не можуть проникати крізь атмосферу.
Звісно, якщо чорна діра, розташована так близько, як Плутон, дійде до кінця свого життя і вибухне, то останній сплеск випромінювання легко буде виявити. Однак, якщо чорна діра випромінювала впродовж останніх десяти чи двадцяти мільярдів років, то шанс, що її прийде кінець через кілька років, а не впродовж декількох мільйонів років у минулому чи майбутньому, насправді дуже малий! Тому, щоб мати реальний шанс побачити вибух, перш ніж закінчиться ваш науковий грант, вам доведеться знайти спосіб, як виявити будь-які вибухи у межах близько одного світлового року. Насправді сплески гама-проміння з космосу виявили супутники, від початку сконструйовані, щоб стежити за порушеннями Договору про заборону ядерних випробувань. Вони, видається, відбуваються близько 16 разів на місяць і більш-менш рівномірно розподілені по небу. Це вказує на те, що ці гама-промені надходять з-за меж Сонцевої системи, бо інакше можна було б очікувати, що вони будуть сконцентровані в площині орбіт планет. Рівномірний розподіл також свідчить про те, що джерела випромінювання перебувають або досить близько до нас у нашій Галактиці, або відразу за нею на космологічних відстанях, бо інакше, знову ж таки, вони б концентрувались у площині Галактики. В другому випадку крихітні чорні діри не могли б виділити так багато енергії, скільки потрібно для сплеску, але якщо джерела розташовані за галактичними мірками близько, то це були, цілком можливо, вибухи чорних дір. Я б страшенно хотів, щоб так і було, але мушу визнати, що існують й інші можливі пояснення гама-сплесків, як-от зіткнення нейтронних зір. Спостереження у найближчі кілька років, зокрема за допомогою детекторів гравітаційних хвиль на кшталт ЛІГО, мають дати змогу нам встановити походження гама-сплесків.
Навіть якщо пошуки первісних чорних дір виявляться безрезультатними, що цілком можливо, це все одно дасть нам важливу інформацію про найраніші етапи розвитку Всесвіту. Якщо ранній Всесвіт був хаотичний чи нерегулярний, або якщо тиск речовини був низький, то можна було б очікувати утворення значно більшої кількості первісних чорних дір, ніж та межа, встановлена на основі наших спостережень гама-фону. Тільки тим, що ранній Всесвіт був дуже гладкий та однорідний, з високим тиском, можна пояснити, чому нема тої кількості первісних чорних дір, коли їх можна було б спостерегти.
Припущення про випромінювання з чорних дір стало першим прикладом передбачення, що ґрунтувалося на обох великих теоріях минулого століття: загальній теорії відносності й квантовій механіці. Спочатку йому був сильний спротив, бо воно порушувало прийнятий погляд, мовляв: «Як чорна діра може щось випромінювати?». Коли я вперше оголосив результати своїх розрахунків на конференції у Лабораторії Резерфорда — Еплтона, що поблизу Оксфорда, мені ніхто не повірив. Після закінчення мого виступу керівник секції Джон Дж. Тейлор з Королівського коледжу в Лондоні заявив, що це повне безглуздя. Він навіть написав про це статтю. Проте врешті-решт більшість науковців, зокрема й Джон Тейлор, дійшли висновку, що якщо загальна теорія відносності й теорія квантової механіки правильні, то чорні діри повинні випромінювати як гарячі тіла. Отож, хоча ми наразі не знайшли жодної первісної чорної діри, всі начебто погоджуються, що якщо ми її знайдемо, то вона виділятиме багато Рентґенових і гама-променів.
Наявність випромінювання чорних дір наштовхує на припущення, що гравітаційний колапс не такий остаточний і безповоротний, як ми собі гадали. Якщо в чорну діру впаде астронавт, маса її зросте, але зрештою енергія, еквівалентна тій додатковій масі, повернеться у Всесвіт у формі проміння. Отже, в певному сенсі, астронавт буде «перероблений». Але це був би кепський вид безсмертя, бо будь-якому особистому уявленню астронавта про час майже напевне настане кінець, коли його розірве всередині чорної діри! Частинки, що їх виділить чорна діра, матимуть загалом інший тип, ніж ті, з яких складався астронавт: єдина властивість, що залишиться — його маса чи енергія.
Наближення, що я застосував, коли вираховував випромінювання з чорних дір, повинні добре виконуватися, коли чорна діра має масу більшу за якусь частку грама. Але наприкінці життя чорної діри, коли її маса стане дуже малою, вони перестануть виконуватися. Найімовірніше, видається, що чорна діра просто зникне, принаймні з нашої області Всесвіту, забравши з собою нашого астронавта й будь-яку сингулярність всередині себе, якщо вона, звісно, там буде. Це була перша ознака того, що квантова механіка може усунути сингулярності, передбачені загальною теорією відносності. Утім методи, що їх я та інші науковці використовували 1974 року, не змогли відповісти на питання, чи будуть сингулярності в квантовій гравітації. Тому з 1975 року я почав розробляти ефективніший підхід до квантової гравітації на основі ідеї Ричарда Файнмена про суму за історіями. Два дальші розділи описують відповіді щодо походження і долі Всесвіту та його вмісту, зокрема астронавтів, згідно з цим підходом. Ми побачимо, що хоча принцип невизначеності й накладає обмеження на точність усіх наших передбачень, він усуває фундаментальну непередбачність, що стається в сингулярності простору-часу.
Із загальної теорії відносності Айнштайна само по собі випливає, що часопростір почався з сингулярності Великого вибуху і закінчиться або сингулярністю Великого стиску (якщо Всесвіт цілком реколапсує), або сингулярністю всередині чорної діри (якщо колапсує локальна область, наприклад зоря). Будь-яка матерія, що потрапляє в діру буде зруйнована в сингулярності, і зовні відчуватиметься лише гравітаційний ефект її маси. З іншого боку, якщо взяти до уваги квантові ефекти, видається, що ця маса чи енергія має колись повернутися до решти Всесвіту, і що чорна діра, з її сингулярністю всередині, випарується і врешті зникне. Чи може квантова механіка мати такий же драматичний вплив на сингулярності Великого вибуху і Великого стиску? Що насправді відбувається за найраніших і найпізніших стадій Всесвіту, коли гравітаційні поля такі потужні, що квантовими ефектами не можна нехтувати? Чи дійсно Всесвіт має початок і кінець? І якщо так, то на що вони схожі?
23
Від 1930 до 2006 р. Плутон класифікували як планету Сонцевої системи. Після відкриття подібних до нього об’єктів у поясі Койпера і ухвалення 2006 року рішення Міжнародного астрономічного союзу про означення терміну «планета» Плутон віднесено до нової категорії карликових планет і додано до списку малих планет. Попри те, що не всі погодилися з таким рішенням, він утратив статус планети Сонцевої системи. — Прим. ред.