Что будет, если пространство и время поменяются местами?

Ученые прошли долгий путь, изучая сингулярность, гравитационные волны и многое другое. Однако остается еще много вопросов о пространстве-времени, таких как расширение Вселенной, Большой взрыв, темная энергия и так далее.

При этом задумывались ли вы когда-нибудь, что произойдет, если пространство и время поменяются местами? Повлияет ли это на саму ткань вселенной? И вообще, возможно ли это?

Пространство и время

Общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что пространство-время состоит из четырех неразделимых измерений, где хозяйничает гравитация.

Например, представьте себе массивную звезду, гравитация которой будет столь же большой, как ее масса. Свет будет распространятся вокруг звезды по кривой в зависимости от ее гравитации. Это происходит благодаря искривлению самого пространства-времени, ведь, как мы все знаем, свет не может искривляться. То есть это пример гравитационного формования пространства-времени.

Хотя пространство и время являются частью одной и той же структуры, они оба очень разные.

Давайте представим себя космонавтами на космическом корабле. С пространством все очень просто. Да, оно будет огибать тяжелые предметы, но оно трехмерно и позволяет нашему космическому кораблю двигаться в любом направлении. Таким образом, мы можем лететь в любом направлении, которое мы выберем.

Но со временем все гораздо сложнее. Это четвертое измерение податливо, как пространство под действием гравитации, но столь же жестко. Время позволяет космическому кораблю двигаться только в одном направлении — вперед.

Таким образом, единственный вариант — двигаться вперед во времени, а не назад. Поэтому, когда мы движемся в любом направлении в пространстве, во времени мы движемся всегда только вперед.

Но что произойдет, если пространство и время поменяются местами? И могло ли это вообще случиться? И если может, то как?

Переключение пространства и времени

Давайте представим себя в этом пространстве-времени, которые поменялись местами. Раньше время было очень жестким и позволяло двигаться только вперед, но теперь оно ведет себя как пространство и допускает движение вперед и назад.

Это означает, что вы можете путешествовать во времени!

Впрочем, не будем пока радоваться, ведь то, что мы видим с космического корабля, — это не космос в обычном понимании. Скорее это будет похоже на абстрактный коллаж из разных времен. Некоторые (или, скорее, большинство) из них даже не будут иметь смысла. А пространство… стало жестким. Оно позволит двигаться только в определенном направлении, так что теперь наш космический корабль обречен лететь только из одной точки в другую.

Если время не станет таким же «физическим» измерением, как пространство, космический корабль не полетит никуда, кроме одного направления, в котором уже пространство ведет нас.

Хорошо, что этот переход никогда не наблюдался, но значит ли это, что этого не происходит? Правда в том, что эта концепция переключения помогает понять внутреннюю часть черной дыры.

Итак, если наш космический корабль каким-то образом приземлится за горизонтом событий черной дыры, мы увидим изображение времени вокруг себя, а не пространства. Вместо того, чтобы видеть объекты, разбросанные по всему пространству, мы увидим искаженные изображения разных времен.

Будут ли эти «снимки времени» актуальны для нас или нет — совершенная загадка. В этот момент пространство будет двигаться только в одном направлении, как ранее время.

Пространство будет искривлено ​​гравитацией, ведущей нас только в одном направлении — к сингулярности. Если бы время здесь было физическим, возможно, мы смогли бы сбежать в один из моментальных снимков времени на пути к сингулярности.

Если нет, то, возможно, все, что мы увидим, — это то, что не будет иметь никакого смысла, пока мы будем падать бесконечно. Это все равно, что попасть в безумный калейдоскоп, где время меняет ослепительные декорации при условии, что черная дыра не убивает нас на пути к сингулярности.

Внутри черной дыры: смысла нет

Данная аналогия полезна для понимания одной особенности сингулярности черной дыры, в которой легко ошибиться. Если вы слышите о сферически симметричной черной дыре, ограниченной своим горизонтом и содержащей сингулярность в центре, вы, вероятно, представляете себе поперечное сечение черной дыры, которое выглядит так:

Здесь круг предназначен для обозначения горизонта, а в центре черной дыры есть точка — сингулярность.

В трехмерной модели такую ​​картину можно получить, взглянув на плоскость, ортогональную оси: пересечение плоскости с горизонтом-цилиндром — это окружность, пересечение с осью сингулярности — точка. Так это снимок черной дыры, показывающий ее внутреннюю структуру?

Не совсем. Только вне черной дыры пересечение с плоскостью на постоянной высоте («в постоянное время», если смотреть снаружи) соответствует моментальному снимку. Внутри время и пространство поменялись местами. Внутри изображение показывает не моментальный снимок, а нечто гораздо более странное: калейдоскопическую комбинацию множества разных моментов времени. Ведь внутри время не осевая, а радиальная координата, и все разные расстояния от «центра», которые вы видите на рисунке, соответствуют разным моментам времени. Вместо пространственной структуры черной дыры на рисунке изображена странная смесь пространства и времени.

Точно так же, если вы думаете о непреодолимом коллапсе массивного тела с образованием черной дыры, вы можете подумать, что тело кончается со всей своей материей, сконцентрированной в одной точке пространства — сингулярности. Но опять же, эта картина пространственной точки-сингулярности, находящейся в центре черной дыры, просто неверна. Сингулярность — это вся ось, а ось представляет собой пространственное направление. Следовательно, сингулярность не является точкой в ​​пространстве — она бесконечно протяжена!

Это выглядит чрезвычайно странно. Со стороны область черной дыры выглядит как поверхность сферы (в нашей модели с двумя пространственными измерениями и одним временным измерением, как окружность круга).

Но внутри этой сферы, которая имеет лишь конечную площадь поверхности, можно «спрятать» бесконечно большие объекты — бесконечно протяженные в пространстве. Как это работает? Опять же, это работает, потому что время и пространство меняются местами. Простой сценарий соответствует вечной черной дыре — черной дыре, которая существовала всегда и будет существовать бесконечно в будущем. Снаружи черная дыра бесконечно протяженна во времени, но имеет лишь конечный размер в пространстве.

Внутри все переворачивается: время имеет только конечную протяженность (оно начинается на горизонте и резко заканчивается на оси сингулярности), но вместо этого есть одно пространственное направление, направление оси.

Конечно, аналогия не идеальна. По аналогии смена пространства и времени происходит внезапно, на границе. В более точной формулировке переход происходит более постепенно. В каком-то смысле направление времени все больше и больше изгибается внутрь по мере того, как вы приближаетесь к черной дыре. Когда изгиб достаточно силен, чтобы предотвратить движение любого объекта в любом направлении, кроме внутреннего, вы пересекаете горизонт событий.

Кроме того, черная дыра, изображенная выше, представляет собой особенно простой образец. Она сферически симметрична — так называемая черная дыра Шварцшильда, в честь Карла Шварцшильда, который в 1915 году первым записал уравнения, определяющие и описывающие такую ​​черную дыру; специальное решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна.

Как уже упоминалось, этот тип черной дыры вечен — она всегда была и всегда будет. Более реалистичные черные дыры с определенным началом (например, образовавшиеся в результате коллапса массивной звезды) или вечные черные дыры, которые вращаются, имеют несколько более сложную внутреннюю структуру.

Если не считать этих оговорок, аналогия верна и отражает существенный аспект пространственно-временной геометрии реальной черной дыры — время и пространство меняются местами на горизонте событий.