Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (35) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Космическото яйце

Трябва да кажем, че твърдението за безкрайната поредица от цикли, през които преминава Вселената, е чисто умозрително.

Обаче, ако го отхвърлим, не ни остава нищо друго, освен Големия взрив — или като нещо еднократно, ако живеем в отворена Вселена, или като непрекъснато повтарящо се явление, ако Вселената е затворена или осцилираща. И в двата случая съществува известен проблем. Каква е природата на самото космическо яйце?

Когато за първи път бе изказано предположението за съществуването на космическото яйце, имало се е предвид това, което сега наричаме неутронна звезда. Проблемът е в това, че космическото яйце, съдържайки масата на цялата Вселена (равна на масата на 100 000 000 000 галактики), е прекалено голямо, за да бъде неутронна звезда. Ако наистина е вярно, че всеки обект с маса, 3,2 пъти по-голяма от слънчевата, образува черна дупка, тогава космическото яйце ще е най-голямата възможна черна дупка.

Как тогава то се е взривило и е породило Големия взрив? Черните дупки не се взривяват.

Да предположим, че пред нас е една свиваща се Вселена, която по време на свиването си образува черни дупки с различна големина. Черните дупки могат, разбира се, да изхвърлят част от своята маса през ходове на дървояди, като по този начин противодействуват на свиването, но тази маса няма да е достатъчна, за да спре свиването на Вселената (нито нейното разширяване, иначе ние нямаше сега да сме тук).

Със свиването на Вселената черните дупки нарастват за сметка на веществото, което е извън тях, и все по-често и по-често те се сблъскват и сливат. В края на краищата всички черни дупки се сливат в едно и образуват космическото яйце. То губи веществото си много бързо през свързания с него ход на дървояд, като образува на другия му край най-голямата възможна бяла дупка. Именно бялата дупка на космическото яйце е породила Големия взрив, който е създал нашата разширяваща се Вселена. Това е еднакво добро обяснение, независимо дали Вселената е отворена или затворена, дали космическото яйце се е зародило само веднъж или многократно.

Естествено това твърдение ще бъде вярно в случай, че ходовете на дървоядите и белите дупки наистина съществуват, а точно това не е сигурно. Дори ако те съществуваха, твърдението би било вярно само ако космическото яйце се върти. А дали това е така?

Във Вселената съществува известен ъглов момент, но той би могъл да се създаде само въпреки закона за запазване на момента, тъй като преди създаването не е съществувало нищо.

Това е така, защото има два вида противоположни ъглови моменти. Даден обект може да се върти по посока на часовниковата стрелка или в обратна посока (или, ако предпочитате в положителна или в отрицателна посока). Два обекта, които имат равни по големина, но противоположни по посока ъглови моменти, ако се сблъскат и слеят, ще имат сумарен ъглов момент нула, а енергията от двете противоположни въртеливи движения ще се превърне в топлина. Обратно, ако един обект с нулев ъглов момент получи енергия по подходящ начин, може да се раздели и да образува два „подобекта“, единият от които ще има положителен, а другият — отрицателен ъглов момент.

Всички обекти във Вселената вероятно притежават ъглов момент и е сигурно, че при някои от тях той е положителен, а при други — отрицателен. Няма начин да узнаем дали единият вид съществува в по-големи количества от другия. Ако разпределението на ъгловите моменти е несиметрично, то при колапса на Вселената и образуването на космическото яйце последното ще има в крайна сметка такъв ъглов момент, които е равен на останалия некомпенсиран излишък от двата противоположни момента.

Възможно е обаче ъгловите моменти от единия и от другия вид да са равни. В този случай космическото яйце при образуването си няма да притежава ъглов момент и ще умре. И тогава ние няма да можем да разчитаме на ходовете на дървоядите и на белите дупки като причина за Големия взрив.

На какво друго тогава да разчитаме?

Както съществуват два противоположни вида ъглови моменти, така съществуват и два противоположни вида материя.

Електронът се уравновесява от антиелектрона или позитрона. Когато електронът и позитронът се срещнат двете частици анихилират. В резултат на този процес изобщо не остава маса. Тя се превръща в енергия под формата на гама-лъчи. По същия начин при взаимодействието на протон и антипротон масата им се превръща в енергия. Същото се отнася и за неутрона и антинеутрона.

Съществува вещество, изградено от протони, неутрони и електрони, и антивещество, изградено от антипротони, антинеутрони и антиелектрони. В този случай всяко произволно взето количество нормално вещество, взаимодействащо с равно количество антивещество, ще анихилира и при това масата ще се превърне изцяло в гама-лъчи.

Обратно, от излъчване може да се образува вещество, но никога само от един вид частици. На всеки новообразуван електрон се пада и новопоявил се антиелектрон, на всеки протон — антипротон, на всеки неутрон — антинеутрон. Или, казано накратко, когато излъчването се превръща във вещество, винаги се образува и същото количество антивещество.

Но ако това е така, къде е тогава антивеществото, което би трябвало да се е зародило с обикновеното вещество на Вселената?

Сигурно е, че Земята е изградена от вещество (с изключение на малките количества антивещество, образувани изкуствено в лабораториите, и на следите от антиматерия в космичните лъчи). Фактически цялата Слънчева система, както и Галактиката, част от която сме и ние, е изградена изцяло от обикновено вещество.

Къде е антивеществото? Вероятно съществуват галактики, образувани изцяло от него. Вероятно е възможно да съществуват галактики и антигалактики, които поради общото разширяване на Вселената не могат да влизат никога в контакт една с друга и да анихилират. Както веществото образува черни дупки, така и антивеществото ще образува античерни дупки. Тези два вида черни дупки са еднакви във всяко отношение, само че са образувани от противоположни видове материя.

Ако Вселената в миналото е била в състояние на непрекъснато свиване, черните и античерните дупки са могли да се образуват още по-лесно. В процеса на свиване се увеличава вероятността две черни дупки с противоположна природа да се сблъскат и да последва анихилация с огромна сила. При окончателно сливане на материята от двата вида анихилацията е най-мощна.

Тогава ще изчезне цялата маса на Вселената, а с нея и гравитационното поле, което поддържа черната дупка, а следователно и космическото яйце, образувано от това вещество. На негово място ще се появи огромна по своята мощ радиация, която ще се разпространява, разширявайки се, навън. Това ще бъде Големият взрив.

Известно време след Големия взрив енергията на излъчването вследствие на разширението няма вече да е толкова интензивна и ще се ускори до състояние, в което може да се образува вещество и антивещество. Някакъв неизвестен засега механизъм разделя галактичните единици от двата вида материя една от друга, после той престава да работи и разширяващата се Вселена добива вида, който има сега.

Гледайки на Големия взрив като на тотална анихилация между веществото и антивеществото, вече няма да има значение дали космическото яйце се върти или не (или, което е едно и също, дали то е живо или не).

Все още няма доказателства за съществуването на антигалактики. Не може ли в такъв случай по някакви причини още да не сме разбрали, че Вселената е изградена само от обикновено вещество.

Може да се докаже, че това е невъзможно. Вселената не може да е изградена само от обикновено вещество, защото тогава нямаше да е възможен Големият взрив. Тогава ще трябва да измислим механизъм, който позволява в една състояща се само от обикновена материя Вселена да протече Голям взрив. Даже и да направим това, при свиването си тази Вселена ще образува космическо яйце, което не се върти и следователно ще бъде мъртва черна дупка.

Според уравненията, които се използуват за обясняване образуването на черните дупки, стойността на радиуса на Шварцшилд е пропорционална на масата на черната дупка.

Черна дупка с маса, равна на слънчевата има радиус на Шварцшилд 3 km и следователно диаметърът й е 6 km. Черна дупка, която има два пъти по-голяма маса от тази на Слънцето, ще има и два пъти по-голям диаметър, т.е. 12 km. Обаче обемът на кълбо, което има два пъти по-голям диаметър от друго, е осем пъти по-голям от обема на по-малкото кълбо. От това следва, че ако една черна дупка има два пъти по-голяма маса от слънчевата, то тази двойно по-голяма маса ще бъде разпределена в осем пъти по-голям обем. Тогава плътността на по-голямата черна дупка ще е четири пъти по-малка от плътността на по-малката черна дупка.

С други думи — колкото е по-масивна една черна дупка, толкова тя е по-голяма и толкова плътността й е по-ниска.

Да предположим, че цялата наша Галактика, която има 100 000 000 000 пъти по-голяма маса от слънчевата, се е превърнала в черна дупка. Нейният диаметър би бил 600 000 000 000 km, а средната й плътност — около 0,000001 g/cm³. Галактичната черна дупка ще има 50 пъти по-голям диаметър от размерите на орбитата на Плутон^[1], но плътността й няма да бъде по-голяма от тази на обикновените газове.

Да предположим, че всички галактики във Вселената, вероятно около 100 000 000 000 на брой, колапсират в една-единствена черна дупка. Такава черна дупка, съдържаща цялото вещество на вселената, ще има диаметър 10 000 000 000 светлинни години, а нейната средна плътност ще бъде равна на плътността на силно разреден газ.

Но няма никакво значение колко разреден е този газ, това е структура на черната дупка.

Да предположим, че цялата маса на Вселената е 2,5 пъти повече, отколкото изглежда тя на астрономите. В такъв случай черната дупка, образувана от цялото вещество на Вселената, ще има диаметър 25 000 000 000 светлинни години и той ще е приблизително равен на диаметъра на Вселената, в която живеем (доколкото я познаваме).

Тогава е напълно възможно цялата Вселена да представлява сама по себе си черна дупка (както предполага физикът Кип Торн).

Ако това е така, вероятно Вселената винаги е била черна дупка и винаги ще бъде такава. Тогава ние живеем в черна дупка и ако искаме да узнаем какви са условията в нея (знаейки, че тя има изключително голяма маса), трябва просто да се огледаме наоколо.

Можем да си представим, че когато Вселената колапсира, първоначално се образуват произволен брой относително малки по размери черни дупки (черни дупки вътре в черна дупка!). Накрая, през последните няколко секунди на финалния катастрофален колапс, когато всички черни дупки колапсират до една-единствена космическа черна дупка, радиусът на Шварцшилд нараства до размените на известната ни Вселена!

И тогава може би вътре в Шварцшилдовия радиус се появява възможност за взрив. Възможно е, когато радиусът на Шварцшилд достигне милиарди светлинни години, да протече експлозия, в същия миг да се зароди космическото яйце и точно това да е Големият взрив.

Ако това е така, ние бихме могли да твърдим независимо от сегашното състояние на нашите познания, че Вселената не може да бъде никога отворена, понеже тя не може да се разшири отвъд радиуса на Шварцшилд. Разширението трябва да спре по някакъв начин до този радиус и тогава Вселената неизбежно ще започне отново да се свива, повтаряйки отново и отново този цикъл. (Някои смятат, че при всеки Голям взрив винаги се заражда напълно различна от предишната разширяваща се Вселена с различни природни закони.)

Възможно ли е тогава всичко, което виждаме около нас, да е част от невъобразимо бавен цикъл (десетки милиарди години свиване и десетки милиарди години разширяване) на една черна дупка с размерите на цялата Вселена?

Може ли, ако по някакъв начин се отделим от нашата Вселена и наблюдаваме отстрани, да се окаже така, че съществуват много черни дупки с различна големина — може би безброй много — и всички те се разширяват и се свиват всяка със свой собствен ритъм?

И ние сме в една от тях — и чрез фантазията на мисълта, от нашето място, по-малко от прашинка, бродещо в дълбините на една от тези вселени, ние бихме могли да си съставим една въображаема картина за съществуването и поведението на всички тези вселени.