«Моя цель проста: полностью разобраться в устройстве Вселенной и понять, почему она такая и зачем она существует».Стивен Хокинг
От переводчика. А ты, хабражитель, заметил, что тема космоса становится всё популярнее? Curiosity покоряет Марс, Virgin Galactic продает билеты на суборбитальные космические полеты, а Китай стал третьей страной, добравшейся до Луны. На самом деле, еще большие изменения происходят в космической теории. В этой статье с Medium речь пойдет о том, как изменилось представление ученых о черных дырах за последние пару лет. Я не физик, поэтому в переводе не исключены ляпы — пишите в личку или подробно (чтобы всем было понятно и интересно) в комментариях. Заранее большое спасибо и приятного чтения!
(Претензии на тему jpeg/png отправлять автору статьи.)
Для нас с вами, живущих на задворках Вселенной, главным источником гравитации является планета Земля. Чтобы вырваться из ее гравитационных объятий, нужно превысить вторую космическую скорость — наименьшую скорость, необходимую для преодоления гравитационного притяжения, создаваемого нашей планетой. Люди уже не раз успешно это делали — всего и делов, что разогнаться до 11,2 км/с (0,004% скорости света).
По сравнению с тем, что творится в космосе, скорость совсем не большая. С одной стороны, наша планета обладает приличной массой 6 × 10^24 кг. С другой, вся эта масса распределена в довольно большом объеме пространства, поэтому и скорость побега с Земли такая скромная.
Позволь нам законы физики сжать Землю в намного более плотный комок материи, вторая космическая скорость выросла бы значительно. Уменьшите нашу планету до шара радиусом менее 1 см — и с нее уже никто и ничто не сможет улететь. Даже свет. Вот так легким движением руки Земля превращается в черную дыру.
Скорость света в вакууме — общий предел скорости. Во Вселенной есть места сосредоточения огромных масс в таком небольшом объеме, что из них ничто не может вырваться. Долгое время черные дыры существовали только в теории: предполагалось, что невозможно уместить столь огромную массу в крохотном объеме пространства. Ситуацию изменили несколько занятных космических открытий.
Например, были найдены абсолютно темные участки космоса с невероятно сильным рентгеновским и радиоизлучением. Или звезды, разрываемые на части: их вещество куда-то утекало, но поблизости не было ни одной сверхмассивной звезды. Наконец, в самом центре нашей галактики звезды обращаются вокруг невидимого объекта, масса которого предположительно составляет около 4 миллионов масс Солнца. И ни лучика света.
Да это же и есть черная дыра! Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что черные дыры должны искажать пространство, создавая интересные оптические эффекты (достаточно лишь посмотреть на пространство за черной дырой).
Так что же, такие объекты совершенно, целиком и полностью черные и с них ничего не может улететь? Вопрос логичный, но он очень долго оставался без ответа. Дело в том, что согласно теории Эйнштейна черные дыры были классическими объектами, то есть должны были описываться непрерывным пространством-временем и обладать массой, зарядом и моментом импульса. Но мы знаем, что в нашей реальности материя и энергия по своей сути, скорее, дискретны, чем непрерывны. К сожалению, подружить квантовую механику с общей теорией относительности пока никому не удалось.
Кажется, по своей природе Вселенная все же дискретна, но квантовой теории пространства-времени по-прежнему нет. А раз нет квантовой теории тяготения, единственный способ разобраться с черными дырами — вести расчеты нашей дискретной Вселенной (вот тут квантовая теория поля и пригодится) в искривленном пространстве-времени, предсказанном общей теорией относительности.
Непростая задача. Уж я-то знаю: сам занимался расчетами. И был далеко не первым. Первым был Стивен Хокинг: в середине 70-х он довел до ума модель дискретной по своей сути Вселенной, существующей в искривленном пространстве-времени (а искривлялось пространство из-за черной дыры).
Итак. В вакууме постоянно рождаются и исчезают квантовые флуктуации, то есть пары «частица + античастица». В то же время есть горизонт событий черной дыры — всё, что в него провалится, уже не сможет выбраться обратно.
А что если флуктуация появится прямо на горизонте событий? Ведь в этом случае античастица имеет шанс провалиться в него, а частица — вырваться наружу! По закону сохранения энергии черная дыра обязана терять массу. Спектр излучения черной дыры такой же, как у абсолютно черного тела, и определяется ее массой и искривлением близлежащего пространства. (Правильно рассчитать спектр поможет квантовая теория поля.) Все остальные характеристики ЧД — продолжительность жизни, время испарения, скорость потери энергии — определяются этим феноменом, который мы с вами знаем под названием «излучение Хокинга».
Другими словами, черные дыры не такие уж черные!
Пусть у нас нет законченной всеохватывающей квантовой теории тяготения. Пока мы неплохо справляемся с теми инструментами, что у нас есть: 1) общая теория относительности для описания пространства и времени, 2) квантовая теория поля с уравнениями для работы с материей и энергией. Представьте себе, что вы летите в черную дыру. Сначала вы попадете в аккреционный диск, затем обнаружите внутреннюю стабильную круговую орбиту, а за ней… А за ней уже ничего не должно быть: черная дыра поглощает всё и вся и быстренько прячет это за свой горизонт событий. Попав внутрь, обратно вы уже не выберетесь. Ничего не выберется. Кроме излучения Хокинга.
Но пару лет назад одна работа наделала немало шума. В ней утверждалось, что при пересечении горизонта событий вас испепелит «огненная стена» черной дыры.
Та работа показала, что три следующих утверждения не могут быть истинными одновременно.
- Излучение Хокинга находится в чистом квантовом состоянии.
- Информация, которую содержит излучение, испускается вблизи горизонта событий, а на микроскопическом расстоянии от горизонта событий действует низкоэнергетическая эффективная теория поля.
- Падающий в черную дыру наблюдатель не увидит на горизонте событий ничего необычного.
Это интересный парадокс. Раньше мы думали, что излучение Хокинга не допускает потери информации, а горизонт событий реально существует и из него ничего не может вылететь, а также что при пересечении горизонта событий мы не столкнемся с «огненной стеной» (то есть не увидим ничего необычного — см. утверждение № 3). И все же одно из трех утверждений должно быть ложным. Какое именно?
Часто говорят, что физика движется вперед благодаря таким открытиям. Но верно и другое: решение этого (или любого другого) парадокса не зависит от мнения самого знаменитого, важного и уважаемого ученого в этой области. Оно зависит исключительно от самих научных заслуг.
Самуэль Л. Браунштайн, Стефано Пирандола, Кароль Жичковски. Возможно, эти имена вам неизвестны. Но в прошлом году эти физики открыли кое-что очень интересное. Вот смотрите: излучение Хокинга происходит из пары квантово запутанных частиц, одна из которых падает в черную дыру, а другая умудряется сбежать на свободу. Если разорвать их запутанность, измерив свойства сбежавшей частицы, на горизонте событий должна возникнуть та самая огненная стена — барьер из частиц с высокой энергией. Вот вам и парадокс: одна частица падает внутрь, другая вылетает наружу, и они квантово запутанны.
Самое интересное, что чем больше запутанность на горизонте событий черной дыры, тем позднее опускается огненный занавес. Больше запутанность — больше времени. А в нашей Вселенной, как написали эти ученые, запутанность на всех горизонтах событий максимальна, а значит, время, необходимое для появления огненной стены, бесконечно. Неплохой вывод. Пусть он не решает парадокс, но хотя бы дает нам понять, что проблема, скорее всего, не в утверждении № 3.
Затем случилось вот это:
Хокинг предложил избавиться от утверждения № 2. Просто убрать понятие классического горизонта событий. Причина, может, конечно, и в этом, но предложение, мягко говоря, непоследовательное и не кажется правильным. Пресса дружно подхватила идею, заголовки статей пестрили словами «Черные дыры не существуют!», но ни дискретность Вселенной, ни существование излучения Хокинга вовсе не отменяют понятие горизонта событий.
Ну ладно, раз уж ученые поняли, что проблема не в утверждении № 3, может быть, стоит повнимательнее присмотреться к утверждению № 1? Следует заметить, что говоря о невозможности потери информации (сохранении унитарности), мы всегда подразумеваем излучение в чистом состоянии. Но что если излучение Хокинга не находится в квантово чистом состоянии? Так мы избежали бы потери информации!
На эту тему есть два очень интересных исследования. Вместе с упомянутой выше работой Браунштайна, Пирандолы и Жичковского они кажутся мне важнейшими со времени появления парадокса изысканиями. И ни одна из этих работ не связана с Хокингом или Зюскиндом.
Представьте себе, что у вас есть две пары частиц с одинаковым моментом и в обеих парах одна частица проваливается за горизонт событий, а другая сбегает. Если обе провалившиеся частицы квантово запутанны со сбежавшими, происходит потеря информации, поскольку теряется унитарность.
Но братья Верлинде доказали, что унитарность можно сохранить, ведь частицы с одинаковым моментом взаимозаменяемы: вместо двух пар «одна частица провалилась, другая вылетела» мы получаем пары «обе провалились» и «обе вылетели», тем самым лишая частицы запутанности.* И больше никаких квантово запутанных частиц по разные стороны горизонта событий! (И никакой огненной стены.) Вот это идея! Гм, но как же все-таки разрешается наш парадокс огненной стены?
Но совсем недавно Сабина Хоссенфельдер опубликовала работу о том, что превращения, сохраняющие информацию, обладают некоторыми чрезвычайно интересными свойствами.
- Обмен для распутывания частиц (чтобы информация не пересекала горизонт событий) может быть локальным, то есть он может происходить между двумя точками, которые постоянно связаны между собой причинно.
- Такое локальное взаимодействие может происходить в одном и только в одном месте прямо на горизонте событий.
- Наконец, самое важное: между состояниями излучения, испускаемого в разное время, нет запутанности. (Запутанность была бы необходима для квантово чистого состояния.)
Эти три работы показывают нам, что никакой огненной стены нет, а парадокс решается, если ложно утверждение № 1, говорящее о чистом состоянии излучения Хокинга.
Обо всем этом вы не узнаете из СМИ, потому что заголовок такой статьи был бы скучным и всё это кажется сложным. Да и где тут громкие имена? Но это правда: излучение Хокинга не находится в чистом состоянии, а значит, огненной стены нет, как нет и парадокса.
Нам еще многое предстоит узнать и понять о черных дырах, горизонтах событий и поведении квантовых систем в сильно искривленном пространстве-времени. Впереди еще много интересных исследований. Правда, решая кое-какие моменты, они ставят перед нами еще больше вопросов. Зато теперь мы точно знаем, что не поджаримся, когда будем падать в черную дыру. Причиной смерти будет «спагеттификация», а не пожар!
Настоящим парадокс огненной стены объявляется закрытым!
* Огромное спасибо Сабине Хоссенфельдер, автору этой работы, за подробное объяснение ее теоретических выкладок и множества нюансов по этой теме. Ее предостережение в отношении неправильной трактовки слов Хокинга можно прочитать здесь.
