Як народжуються нові Всесвіти у чорних дірах: гіпотеза Лі Смоліна про космологічний природний добір

Чи може кожна чорна діра бути не кінцем, а початком нового Всесвіту? Саме таку сміливу ідею висуває відомий фізик Лі Смолін, пропонуючи концепцію космологічного природного добору. Згідно з цією гіпотезою, всесвіти можуть еволюціонувати подібно до живих організмів, де чорні діри відіграють роль своєрідних “репродуктивних органів” космосу [1]. У цьому лонгріді розглянемо, що таке чорна діра, хто такий Лі Смолін та в чому полягає його незвична гіпотеза про народження нових всесвітів у надрах чорних дір.

Що таке чорна діра?

Чорна діра – це надзвичайно щільний і компактний об’єкт, гравітаційне поле якого настільки потужне, що в межах певної відстані від нього не може втекти нічого, навіть світло [2]. Границю навколо чорної діри, після перетину якої ні матерія, ні випромінювання вже не повертаються назовні, називають горизонтом подій. Масивні зірки наприкінці свого життя здатні колапсувати під дією власної гравітації, перетворюючись на чорні діри [2]. Іншими словами, речовина зорі стискається у настільки малий об’єм, що утворюється область простору зі «схованою» від Всесвіту масою. Теорія відносності Альберта Айнштайна (формула E=mc² зв’язує масу та енергію) передбачила існування таких об’єктів ще у 1916 році – німецький фізик Карл Шварцшильд розрахував розмір області, з якої навіть світло не може вирватися [3]. Відтоді чорні діри перестали бути лише теоретичною цікавістю: астрономічні спостереження підтвердили їхнє існування (зокрема, у 2019 році отримано перше реальне зображення горизонту подій чорної діри [2]).

Перше реальне зображення горизонту подій чорної діри. Зображення: NASA

Ключова властивість чорної діри: якщо об’єкт стиснути достатньо сильно, то його гравітація утворює «пастку» для навколишнього простору. Жодні сигнали зсередини цієї пастки (навіть світло) не можуть дістатися зовні. Саме тому чорна діра виглядає абсолютно чорною [2].

Лі Смолін: коротка біографія та внесок у науку

Лі Смолін (нар. 1955) – американський теоретичний фізик, науковець із надзвичайно широким колом інтересів. Смолін є одним із засновників канадського Інституту теоретичної фізики Периметра, де працює з 2001 року [4]. Він найбільше відомий як співавтор теорії петльової квантової гравітації – альтернативного підходу до об’єднання квантової механіки і гравітації, що конкурує з теорією струн. Також серед його досягнень – розробка ідеї космологічного природного добору, про яку йтиметься далі [4]. Смолін критично ставиться до домінуючих теорій без експериментальних підтверджень: зокрема, він відомий як критик деяких аспектів теорії струн і антропного принципу в космології [5]. За свої наукові праці він опублікував понад 150 статей і кілька книг, популяризуючи складні ідеї сучасної фізики для широкої аудиторії.

Лі Смолін (нар. 1955). https://daily.jstor.org/lee-smolin-science-works-because-we-care-to-know-the-truth/

Нові Всесвіти та гіпотеза космологічного природного добору

Смолін поставив перед собою провокаційне запитання: чому закони природи мають саме такі значення, які ми спостерігаємо? Іншими словами, чому наш Всесвіт ніби «тонко налаштований» для існування складних структур і життя? Замість пояснювати це участю Творця чи випадковим вибором з нескінченної кількості всесвітів (як припускає мультивсесвіт за антропним принципом), Смолін запропонував природне, еволюційне пояснення [5]. Гіпотеза космологічного природного добору стверджує, що наш Всесвіт не є статичним винятком – він може бути нащадком попереднього всесвіту, а нові всесвіти народжуються через чорні діри, підпорядковуючись процесу, аналогічному до біологічного добору [1, 5].

За цією гіпотезою, коли в старому Всесвіті утворюється чорна діра і колапсує матерія, у «внутрішності» цієї чорної діри виникає новий Всесвіт. При цьому фізичні константи нового Всесвіту можуть трохи відрізнятися від батьківського [5]. Це подібно до передачі генетичних мутацій: «батьківський» всесвіт породжує «дочірні» всесвіти з дещо зміненими параметрами (наприклад, інші маси елементарних частинок чи інші значення фундаментальних сил). Якщо такі зміни невеликі, то з часом може накопичуватися «еволюційний» ефект – аналог природного добору, але на рівні всесвітів [1].

Художнє уявлення чорної діри

Природний добір всесвітів означає, що ті всесвіти, які ефективніше утворюють чорні діри, будуть залишати більше «нащадків», і відповідно ставатимуть домінуючими серед «популяції» всесвітів [1]. Адже кожна чорна діра дає початок новому «дочірньому» космосу, тож Всесвіт, де чорних дір багато, породить більше нових всесвітів. Звідси випливає цікавий висновок: фундаментальні закони у типового «еволюційно успішного» всесвіту мають бути налаштовані так, щоб максимізувати кількість чорних дір [1]. Сам Смолін вказує, що наш власний Всесвіт, ймовірно, є результатом багатьох поколінь такого відбору, адже його параметри близькі до оптимальних для утворення чорних дір. Це, побічно, може пояснити і тонке налаштування під умови для життя: не тому, що всесвіт спеціально пристосований для життя, а тому, що налаштований на продукцію чорних дір, а сприятливі для зір і планет умови виникли як супутній ефект [5].

Варто зазначити, що гіпотеза Смоліна – смілива та суперечлива ідея, яка відхиляється від стандартних поглядів на космологію [1]. Однак вона не є чистою філософією: Смолін запропонував перевірити цю концепцію через конкретні астрономічні спостереження. Зокрема, якщо наш Всесвіт «еволюціонував» для утворення чорних дір, то не повинно існувати надто важких нейтронних зір – адже коли маса зорі-нащадка перевищує певний поріг, вона перетвориться на чорну діру, що вигідно з точки зору «розмноження» всесвітів. Смолін передбачив верхню межу маси нейтронної зорі близько ~2 мас Сонця [1]. Цікаво, що сучасні вимірювання мас нейтронних зір поки не виявили жодної зорі масивнішої ~2 M☉, що узгоджується з прогнозом [1]. Другий тест стосувався космічної інфляції: гіпотеза вимагала, щоб інфляція (якщо вона була) мала найпростіший вигляд – керована одним полем і параметром. Дані космічного телескопа «Планк» в основному підтвердили саме такий простий сценарій інфляції [1]. Таким чином, поки що гіпотеза космологічного добору не була спростована спостереженнями – принаймні дві її непрямі прогнози узгоджуються з реальністю.

Чорна діра як «зерно» нового Всесвіту

Кожна чорна діра може стати «зерном» нового Всесвіту з власними фізичними законами [5, 6]. Що ж відбувається всередині чорної діри, згідно з такими гіпотезами? Класична загальна теорія відносності передбачає, що матеріал, колапсуючи, стискається до точки нескінченної густини – сингулярності, де час і простір фактично «завершуються». Але квантові ефекти, як вважають теоретики, можуть рятувати ситуацію від фізичної абсурдності нескінченностей. За словами Смоліна, в надрах чорної діри перебіг часу не зупиняється повністю: коли густина досягає екстремального, але кінцевого значення, квантова невизначеність спричиняє «відскок» (bounce) матерії [1]. Інакше кажучи, стискання змінюється стрімким розширенням – схожим на Великий Вибух, але локалізований всередині чорної діри. Те, що для зовнішнього Всесвіту виглядає горизонтом подій і кінцем часу, зсередини стає початком відліку часу для нового Всесвіту [1]. У такому сценарії чорна діра перетворюється на «білу діру» з іншого боку – вибуховий вихор матерії й енергії, що народжує новий космос. Між старим і новим всесвітами утворюється тунель (так званий міст Айнштайна–Розена, або кротовина), через який, утім, інформація не може повернутися назад [6]. Це пояснює, чому «діти» всесвітів недоступні спостереженням з батьківського: їх приховує горизонт подій чорної діри, який є точкою невідворотного відходу в інший всесвіт.[6] 

Схематична ілюстрація концепції "всесвіту в чорній дірі". Зображення: https://www.space.com/space-exploration/james-webb-space-telescope/is-our-universe-trapped-inside-a-black-hole-this-james-webb-space-telescope-discovery-might-blow-your-mind

 На цьому зображенні художник унаочнює гіпотезу Смоліна: всередині чорної діри (темна сфера в центрі) можуть народжуватися нові «вселені світи», де формуються галактики та зірки. Світлові диски та вихори навколо чорних отворів символізують акреційні диски та потужні гравітаційні поля чорних дір. Горизонт подій виступає межею між нашим і внутрішнім всесвітом: все, що опиняється за цією межею, стає невидимим для нас. Таким чином, кожен «міхур» (сфера) всередині чорної діри на ілюстрації являє собою окремий всесвіт-нащадок, ізольований від батьківського. Подібні візуалізації допомагають уявити, як можуть бути «всесвіти всередині всесвітів» у рамках гіпотези космологічного добору [6].

Варто зазначити, що ідея про народження всесвітів у чорних дірах має різні реалізації в теоретичній фізиці. Наприклад, фізик Нікодем Поплавскі розробляє модель на основі розширення теорії гравітації Айнштайна (врахування крутіння простору-часу), за якою при колапсі зорі в чорну діру надщільна матерія замість сингулярності зазнає пружного відскоку і ініціює Великий Вибух нового всесвіту [6]. Хоч деталі можуть різнитися, спільним є висновок: наш Всесвіт цілком може бути інтер’єром чорної діри іншого, «батьківського» всесвіту [6]. Відповідно, кожна чорна діра у нашому Всесвіті потенційно містить власний «дочірній» всесвіт. Поки що ці сценарії залишаються гіпотетичними, але вони пропонують сміливу картину реальності, де народження і смерть зірок тісно пов’язані з циклом народження та еволюції цілих всесвітів.

Висновки

Гіпотеза Лі Смоліна про космологічний природний добір представляє оригінальний погляд на походження нашого Всесвіту і фундаментальні закони природи. Згідно з нею, утворення чорних дір – це не фінальний акт руйнування, а механізм космічного відтворення. Всесвіти «розмножуються» через чорні діри, передаючи далі трохи змінені закони фізики, і з покоління в покоління все краще пристосовуються до утворення чорних дір (аналог еволюційної «пристосованості») [1]. Така картина дозволяє пояснити, чому наш Всесвіт має параметри, близькі до оптимальних для формування зір і галактик – адже саме ці параметри максимізують кількість чорних дір і, отже, космічних нащадків.

Безумовно, ідея космологічного добору є спекулятивною і викликала чимало дискусій у науковому середовищі. Однак її цінність в тому, що вона висуває фальсифіковні прогнози та пропонує альтернативу антропному принципу без необхідності звертатися до метафізики. Якщо майбутні астрономічні спостереження (наприклад, виявлення нейтронної зорі значно більшої за 2 маси Сонця, або підтвердження складнішої моделі інфляції) суперечитимуть передбаченням Смоліна, його гіпотеза буде спростована. Натомість, кожне нове підтвердження її побічних прогнозів підвищує ймовірність того, що природа дійсно грає у «вселенську еволюцію». У будь-якому разі, гіпотеза Лі Смоліна надихає переосмислити наше місце в космосі: можливо, наш Всесвіт – лише один із безлічі, пов’язаних між собою родинними зв’язками через чорні діри. Це надає новий, грандіозний вимір відомому циклу народження і загибелі зір, підносячи його до рівня народження і загибелі цілих світів.

Список використаних джерел:

1. Moskowitz C. “Do Black Holes Create New Universes? Q&A With Physicist Lee Smolin.” Space.com, 29 травня 2013. URL: https://www.space.com/21335-black-holes-time-universe-creation.html

2. NASA Science. “First Image of a Black Hole.” NASA, 10 квітня 2019. URL: https://science.nasa.gov/resource/first-image-of-a-black-hole/ 

3.    Black hole | Definition, Formation, Types, Pictures, & Facts | Britannica

4. Lee Smolin – Biography. LeeSmolin.com, 2019. URL: http://leesmolin.com/biography/ .

5.    Lee Smolin - Wikipedia

6. Lea R. “Is our universe trapped inside a black hole? This James Webb Space Telescope discovery might blow your mind.” Space.com, 13 березня 2025. URL: https://www.space.com/space-exploration/james-webb-space-telescope/is-our-universe-trapped-inside-a-black-hole-this-james-webb-space-telescope-discovery-might-blow-your-mind .