Черные дыры всегда оставались простыми в нашем воображении.
Было время, когда, используя правила общей теории относительности, можно было вообразить себе плотную бесконечную сингулярность. Она была окружена гравитационной зоной, из которой нельзя было вырваться, и называлась «горизонтом событий». Эти компоненты в сумме с несколькими дополнительными деталями составляли основное описание анатомии черной дыры.
В учебнике написано об этом предельно четко: ничто, даже лучик света не может прорваться сквозь гравитационные тиски горизонта событий объекта. Это просто билет в один конец. Если астронавт окажется слишком близко к горизонту событий, то его затащит внутрь. И ему придется падать к своей гибели, ожидая ужасных последствий от спагеттификации.
Хотя это и упрощенная форма, но оно служило довольно приличным объяснением того, что происходит в черной дыре. Но в 1970-годах британский гуру теоретической физики Стивен Хокинг представил свою основную теорию выпаривания черных дыр. А в современное время, Хокинг считает, что учебники ошибались, приводя нас к мысли, что черные выглядят как улицы с односторонним движением.
Радиационная проблема Хокинга
Сложностью того, что черные дыры способны испаряться, является следствием странностей неизученного квантового мира. Квантовые теоретики выдвигают предположения, что в вакуумном пространстве пары «виртуальных частиц» постоянно выскакивают из пространства и возвращаются в него. Значит, выходит, что «истинный вакуум» никогда не пустует. На самом деле он наполнен парами квантовых частиц, которые появляются на свет, а затем аннигилируют в крошечном отрезке времени. Обычно такой процесс проходит без сучка и задоринки – частицы возникают из вакуума, затем аннигилируются со своим партнером и Вселенная занимается своим личным делом.
Но, если добавить черную дыру в смесь, то все вокруг приобретает черты сумасшествия.
Как мы уже упоминали выше, горизонт событий в черной дыре становится точкой, из которой нет возврата. Так что же будет, когда пара виртуальных частиц парит в общем существовании на горизонте и только один падает внутрь? Ну, вторая «виртуальная частица», потерявшая своего аннигуляционного партнера, буквально изгоняется из черной дыры и переходит в категорию «реальности». В процессе становления «реальности», эта частица забирает себе часть массы из черной дыры (квантовая механика никогда не претендовала доносить логический смысл). Из-за этого процесса, постоянно бурлящего в горизонте событий, черная дыра начинает терять физическую массу. Вот что такое радиационное испарение Хокинга.
До этого момента, я только подогревал ваш аппетит к странностям квантовой теории поля, и дальше будет только страннее. Но сначала мы должны затронуть немного дополнительной информации.
Общая теория относительности и квантовая теория поля между собой играют не по правилам. Обе области физики занимаются фундаментальными описаниями пространства, времени и материи на микро (квантовом) и макро (космологическом) уровнях. Они как бы находятся на противоположных сторонах одних весов. И после недавнего открытия бозона Хиггиса, квантовая «книга рецептов» называемая Стандартной моделью, помогла еще раз доказать, что это точное описание того, каким образом работает наша Вселенная.
У Стандартной модели, кажется, есть принципиальные проблемы с гравитацией. Пока физики не смогли отыскать частицу, являющуюся посредником в гравитационной силе (гипотетическое название – «гравитон»). И не смотря на всех их старания, складывается впечатление, что нет еще способа, чтобы разгадать эту головоломку. А в последние года черные дыры стали еще одним местом сражения между общей теорией относительности и квантовой теорией поля.
Антитезис «Никакой Драмы»
Когда материя (а следовательно и «информация») попадает в пространство черной дыры, она удаляется из известных пределов Вселенной и эффективно уничтожается. Это является проблемой. Общую теорию относительности мало заботит информация, которой обладает материя. А вот квантовая теория напротив слишком сильно заинтересована в этой информации и считает, что она не может быть "очищена".
В 2004 году произошло знаменитое событие, когда Хокинг признал свое поражение в споре с физиком-теоретиков Джоном Прескилом. Он подтвердил, что информация, «утраченная» в черной дыре, кодируется в радиации Хокинга (изначально он утверждал, что черные дыры уничтожают информацию, а информация в радиации представляет собою новый код, который не имеет отношение к попадающему в дыру объекту).
Но это быстрое исправление создало еще одну проблему. В 2012 году группа физиков под руководством Иосифа Полчински из калифорнийского университета в Санта-Барбаре поняла, что для сохранения информации в радиации Хокинга потребовался бы «брандмауэр» сильной квантовой энергии, который бы сдавливал все за пределами горизонта событий.
Вспоминая нашего незадачливого космонавта, попавшего в горизонт событий черной дыры, при общей теории относительности он не испытает ничего, пока дрейфует по этой местности (конечно, если это не Мэтью МакКонахи, который увидел бы яркие огни). Естественно, в конечном итоге космонавта разорвет на маленькие кусочки, но он будет сжигаться. Такой мысленный эксперимент известен как постулат «нет драмы».
Но все меняет тупик от брандмауэра. Он просто нарушает законы драмы и создает полную противоположность. То есть он полностью нарушает общую теорию относительности и ту теорию, которая управляет черной дырой, с которой мы начинали.
Так что теперь физикам приходится сражаться с уравнениями и постараться решить «информационный парадокс». Этим в последние десятилетия занимаются величайшие умы. От этих дебатов даже не уходит и сам Стивен Хокинг.
К примеру, в прошлом году он обсудил возможность замены своей теории на теоретическую конструкцию известную как «очевидный горизонт», а не определённые границы. Возможно, это понятие нуждается в доработке и фактически этот горизонт изменяет свое формирование в ответ на квантовые флуктуации внутри черной дыры. Это создает хаотический беспорядок в информации за кажущимся горизонтом, которые не нарушает ни законы квантовой динамики, ни общей теории относительности.
«Таким образом, как предсказание погоды на Земле, информация будет эффективно потеряна, если не будет потери унитарности», - написал Хокинг в статье. Это означает, что, хотя информация и может освободиться из чёрной дыры, но ее хаотичность не может быть истолкована без решения проблемы с брандмауэром.
Излишне упоминать, что это еще не конец споров между сверстниками Хокинга.
А теперь Хокинг, появившись на новостях в Королевском технологическом институте в Стокгольме 24 августа, дал свое изысканное объяснение при помощи публичной лекции. Он рассказал, что думает по проводу обрабатывания информации в черных дырах.
«Я полагаю, что информация сохраняется не в средине черной дыры, как можно было подумать, а на ее границе, в горизонте событий», - сказал он на лекции.
Ученый подробно объяснил, что информация сохраняется на объектах, попадающих в черную дыру, и преобразуется в 2-мерные голограммы, после чего они захватываются в радиацию Хокинга и удаляются из черной дыры. Но в этом нет никакой романтики, ведь это не выглядит супер-передовым компьютерным жестким диском. Вместо этого получается настоящий хаотический беспорядок.
«Я думаю, что черные дыры совсем и не такого цвета, как их описывают», - объяснил он. – «Они не представляют собой вечную тюрьму, как раньше думали. Вещи могут выходить из дыры во внешнюю или в другие Вселенные».
Мы ожидаем документы, которые Хокинг и его сотрудники собираются опубликовать в течение нескольких недель, чтобы понять, что же он имел в виду под словом «другие» вселенные. Но есть предположения, которые дают понять, что дыры могут служить дверью к параллельным мирам или даже полноценным вселенным.
Телескоп Горизонта Событий
В настоящее время Хокинг возможно сформулировал «аварийный выход» для получения информации от предмета, попавшего в черную дыру. Но мы не сможем точно узнать процесс, пока не изучим полностью природы этих объектов.
Астрономы с Телескопа Горизонта Событий близки к тому, чтобы увидеть глубинное ядро нашей Галактики. Они могут увидеть прогнозируемый диск света, который окружает сверхмассивную черную дыру Млечного пути, Стрелец А, находящегося на расстоянии 20 тысяч световых лет.
«Хокинг вот уже столько лет пытается найти пути решения для информационного парадокса: либо настроить его таким образом, чтобы квантовая теория поля объединилась с общей теорией относительности, либо изменить способ для просмотра черной дыры, - пишет Димитриос Псалтис, профессор астрономии и физики с университета Аризоны. – Если все получится со вторым вариантом, то Телескоп Горизонта Событий сможет разглядеть уникальный вид».
Труд Хокинга может выдвинуть новые передовые идеи и даст возможность рассматривать некоторые аспекты информационного парадокса.