Вселенная исчезнет раньше, чем мы думали: гравитация работает как универсальный растворитель материи

В астрофизике считается, что черные дыры смертны и медленно испаряются, тогда как обычная материя в своих самых плотных формах — нейтронных звездах и белых карликах — способна существовать вечно, если ее не разрушить извне. Новое теоретическое исследование, опубликованное физиками из Университета Радбауда (Нидерланды), в своих расчетах показало: гравитация уничтожает любые объекты. Искривление пространства-времени само по себе является механизмом, превращающим вещество в чистое излучение.

Космология оперирует временными отрезками, которые сложно поддаются восприятию обычного человека. Если посмотреть на эволюцию Вселенной в масштабе 10 в 100-й степени лет, то звезды, какими мы их знаем, — это лишь краткая вспышка. Основную часть истории космос будет заполнен остывающими остатками звездной эволюции. До недавнего времени физики полагали, что этот финальный этап статичен: нейтронные звезды и белые карлики должны были дрейфовать в пустоте бесконечно долго.

Однако Хейно Фальке, Михаэль Вондрак и Вальтер ван Суйлеком доказали, что утверждения о стабильности материи — это ошибка. Их работа демонстрирует, что для квантового испарения объекта не требуется горизонт событий, как у черной дыры. Достаточно лишь сильной гравитации.

Конец исключительности черных дыр

В 1974 году Стивен Хокинг теоретически предсказал, что черные дыры не являются абсолютно черными. Они излучают частицы и со временем теряют массу. Механизм этого процесса завязан на свойствах вакуума и горизонта событий.

Квантовая теория поля гласит, что вакуум не пуст. В нем постоянно рождаются пары виртуальных частиц (частица и античастица), которые существуют ничтожные доли секунды и тут же аннигилируют, возвращая энергию обратно. Хокинг показал, что если такая пара возникнет на границе черной дыры, горизонт событий может разделить их. Отрицательная энергия одной частицы компенсируется гравитационным полем, а вторая частица улетает в пространство, становясь реальной. Черная дыра платит за это своей массой.

Долгое время считалось, что без горизонта событий такой процесс невозможен. Нейтронные звезды, хоть и обладают колоссальной плотностью, горизонта событий не имеют, а значит, считались защищенными от испарения.

Авторы новой работы пересмотрели этот подход. Они использовали математический аппарат, описывающий рождение частиц в искривленном пространстве-времени, и пришли к выводу: горизонт событий — это лишь частный случай. Главный фактор — это кривизна пространства (приливные силы).

Гравитационный аналог пробоя вакуума

Обратимся к эффекту Швингера из квантовой электродинамики. Еще в середине XX века Джулиан Швингер предсказал, что если приложить к вакууму сверхмощное электрическое поле, оно начнет разрывать виртуальные пары заряженных частиц. Электрическая сила растащит электрон и позитрон в разные стороны быстрее, чем они успеют схлопнуться. В результате энергия поля перейдет в материю.

Фальке и его коллеги показали, что гравитация работает точно так же.

Согласно Общей теории относительности, масса искривляет пространство-время. Вблизи компактных объектов (нейтронных звезд) это искривление настолько велико, что возникают чудовищные приливные силы. Эти силы действуют на виртуальные пары в вакууме аналогично электрическому полю Швингера. Гравитация разделяет частицы, придавая им энергию и делая их реальными.

Отличие от черных дыр заключается в том, что у нейтронной звезды нет зоны невозврата. Частицы рождаются как снаружи, так и внутри звезды.

1. Те, что рождаются снаружи и имеют достаточную скорость, улетают в бесконечность, унося энергию.
2. Те, что рождаются внутри или не могут преодолеть притяжение, падают обратно на звезду или взаимодействуют с ее веществом.

Этот процесс приводит к двум эффектам. Во-первых, звезда теряет массу (испаряется). Во-вторых, поглощенные частицы нагревают звезду. То есть, даже в далеком будущем, когда Вселенная остынет почти до абсолютного нуля, нейтронные звезды будут продолжать слабо светиться, перерабатывая собственную гравитационную энергию в тепло и излучение.

Математика неизбежного конца

Скорость этого процесса определяется плотностью объекта. Чем плотнее упаковано вещество, тем круче искривление пространства, и тем активнее идет рождение частиц.

Физики вывели формулу, связывающую время жизни объекта с его средней плотностью. Зависимость обратная и нелинейная: время жизни пропорционально плотности в степени -1,5. Это позволяет рассчитать предельные сроки существования различных астрофизических объектов.

• Нейтронные звезды. Это самые плотные материальные объекты во Вселенной, не являющиеся черными дырами. Их плотность сопоставима с плотностью атомного ядра. Согласно расчетам, нейтронная звезда полностью испарится примерно за 10⁶⁸ лет.
• Белые карлики. Они менее плотные, поэтому их распад займет гораздо больше времени — около 10⁷⁸ лет.
• Сверхмассивные черные дыры. Из-за особенностей радиуса Шварцшильда (чем больше масса черной дыры, тем меньше ее средняя плотность), эти гиганты проживут дольше всех — до 10⁹⁶ лет.

Цифра 10⁶⁸ лет — это единица с 68 нулями. Для сравнения: возраст нашей Вселенной составляет всего 1,38х10¹⁰ лет (13,8 миллиарда). То есть процесс испарения идет настолько медленно, что современными приборами зафиксировать его невозможно. Однако с точки зрения фундаментальной физики важен сам принцип: срок годности материи ограничен.

Пересмотр будущего Вселенной

Данное открытие существенно меняет наши представления о финальной стадии эволюции космоса, так называемой «Тепловой смерти».

1. Исчезновение барионной материи

Ранее рассматривалась гипотеза распада протона. Некоторые теории Великого объединения предполагают, что протон нестабилен и распадается за время порядка 10 в 34-й степени лет. Однако эксперименты пока не подтвердили распад протона. Новая теория гравитационного испарения работает независимо от того, стабилен протон или нет. Гравитация уничтожит сложные структуры (ядра атомов, нейтроны), превратив их в поток элементарных частиц (фотонов, нейтрино, гравитонов). В конечном итоге во Вселенной не останется твердой материи.

2. Проблема информации

В физике черных дыр существует информационный парадокс: если черная дыра испаряется, куда девается информация о том, что в нее упало? Теперь этот парадокс расширяется на всю Вселенную. Если любая книга, жесткий диск или камень в конечном итоге испарятся в бесструктурное излучение под действием собственной гравитации, значит, информация о структуре материи стирается необратимо.

3. Циклические модели космологии

Существуют гипотезы (например, модель Роджера Пенроуза), согласно которым Большой взрыв — это не начало всего, а лишь переход от предыдущей Вселенной к новой. Если бы нейтронные звезды были вечными, они могли бы пережить этот переход и существовать в нашей Вселенной как реликты (с аномально большой массой или возрастом). Работа Фальке накладывает жесткое ограничение: если цикл перерождения Вселенной длится дольше 10 в 68-й степени лет, то все реликты успевают испариться. Новая Вселенная всегда начинается с чистого листа, без мусора из прошлого.

Заключение

Исследование подводит итог дискуссии о стабильности мира. Гравитация воспринимается как сила-созидатель: она собирает газ в звезды, формирует планеты и галактики. Но на квантовом уровне, на огромных временных промежутках, она же выступает как универсальный растворитель.

Само наличие массы искривляет пространство, а искривленное пространство провоцирует вакуум на рождение частиц, которые уносят эту массу. Это замкнутый цикл саморазрушения. Вселенная, какой мы ее знаем — с плотными, горячими и твердыми объектами — это лишь временное отклонение от состояния равновесия, к которому она неизбежно вернется: к холодной пустоте, заполненной лишь длинноволновым излучением.

Источник: arXiv