Знаменитый парадокс черных дыр, похоже, получил разрешение

Знаменитый парадокс черных дыр, похоже, получил разрешение. Но все очень сложно

На протяжении 50 лет физики-теоретики пытались разрешить знаменитый парадокс черных дыр, который предсказывает, что эти космические монстры гораздо сложнее, чем предполагает общая теория относительности. Дело в том, что согласно теории Эйнштейна, черные дыры на удивление просты. Если вы знаете массу, заряд и вращение черной дыры, то знаете о ней все, что нужно. Выходит, черные дыры – одни из самых простых и понятных персонажей во всей Вселенной. Но эта кажущаяся простота порождает тревожный парадокс. В 1970-х годах знаменитый астрофизик Стивен Хокинг понял, что черные дыры не являются полностью черными. Вместо этого они излучают свет посредством тонкого квантово-механического процесса, действующего на их горизонтах событий или границах черных дыр, откуда ничто, даже свет, вырваться не может. Поскольку черные дыры настолько просты и могут быть описаны всего тремя числами, вся информация о материале, который попадает в черные дыры, по-видимому, заперта навсегда. Неважно, создадите ли вы черную дыру из мертвых звезд и межзвездной пыли или черную дыру из кошек; пока эти две черные дыры имеют одинаковый спин, массу и заряд, они будут идентичны. Но что в конечном итоге происходит с информацией?

Одни из самых таинственных объектов во Вселенной, черные дыры, становятся понятнее с каждым годом.

Черные дыры как область пространства-времени

Черные дыры еще определяют как область пространства-времени. Сергей Попов объясняет, что все современные теории гравитации — теории геометрические. В них гравитация описывается как свойство пространства и времени. Имеется в виду, что между пространством и временем можно составить уравнение, это взаимосвязанные величины.

С начала ХХ века, с первых работ Эйнштейна по теории относительности, пространство и время объединены в некоторую сущность. Любые тела, не только массивные, но и самые маленькие, искривляют пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени. Современные измерения позволяют определить, что в одном месте время идет не так, как в другом. Можно провести эксперимент и обнаружить эту разницу.

Черная дыра — это экстремальный способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрали так много вещества или энергии, что пространство-время свернулись и образовали специфическую область. Можно говорить, что черная дыра — это объект, но с бытовой точки зрения объект — это что-то имеющее поверхность. Если идти по абсолютно темной комнате, можно наткнуться на стол, это будет объект с началом в конкретной точке. Если в абсолютно темной комнате или с завязанными глазами попасть в черную дыру, невозможно заметить ее границу. Потому что нет никакой твердой поверхности, человек сразу окажется внутри этой области.

Сергей сравнивает такой переход с государственными или областными границами. Если идти по лесу из одной страны в другую, то без указателей и карт невозможно заметить, в какой точке кончается одно государство и начинается другое. Лес в Финляндии ничем не отличается от леса в России, и нет никакой четкой границы, на которую можно наткнуться. И черная дыра — это такая область, где масса свернула пространство-время, и в итоге никакие предметы не могут ее покинуть, как только пересекут границу. Все, что туда попало, навсегда останется за горизонтом.

Читать еще:  Солнечное затмение 20 марта 2015 года

Черные дыры интересны в первую очередь как экстремальные объекты. Это максимально скрученное пространство-время, и многие эффекты становятся более заметны вблизи черных дыр. Начинают появляться принципиально новые физические феномены.

В теории гравитации стремятся подобраться как можно ближе к этим экстремальным объектам. Поэтому, говорит Сергей, изучение поведения вещества в окрестности черных дыр — очень интересная штука.

Квантовая ткань пространства-времени: запутанные чёрные дыры

Квантовые частицы могут быть соединены через червоточины пространства-времени

Сто лет назад после разработки Эйнштейном общей теории относительности, физики всё ещё не могут разобраться с пожалуй, одной из наиболее сложных проблем несовместимости во вселенной. Эйнштейн описал ландшафт пространства-времени похожим на картину Сальвадора Дали – плавный, бесшовный, без разрывов, геометрический. Но квантовые частицы, заполняющие пространство, больше похожи на творение Жорж-Пьера Сёра – точечное, дискретное, описываемое вероятностями. Основы этих двух описаний противоречат друг другу. Однако новая идея предполагает, что квантовые корреляции разных точек картины импрессиониста создают не только ландшафты Дали, но и холст, на который они нанесены – а также и трёхмерное пространство вокруг них. Эйнштейн, как это с ним часто бывает, находится в центре всего этого, всё ещё переворачивая наши теории с ног на голову.

Описание новой идеи, ER = EPR – будто инициалы, вырезанные на дереве. Это объединение двух идей, предложенных Эйнштейном в 1935 году. Одна – парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (EPR), «пугающее дальнодействие» между двумя элементарными частицами (spooky action at a distance). Вторая – связь двух чёрных дыр через червоточины (мост Эйнштейна-Розена, ER). Во время рождения этих идей между ними не просматривалось никакой связи.


Парадокс EPR даже попал на страницы газет

Но что, если принять, что эти две идеи – проявления одного и того же? Тогда эта связь окажется основой всего пространства-времени. Квантовая запутанность, которая так беспокоила Эйнштейна, будет проявлением пространственных связей, сшивающих пространство, как говорит Леонард Саскинд, физик Стэнфордского университета и один из авторов идеи. Без таких связей пространство распалось бы на «атомы», по мнению Хуана Малдасены, физика из Принстонского института перспективных исследований, соавтора идеи. «Иными словами, сплошная и надёжная структура пространства-времени возможна лишь благодаря незримым запутанностям»,- говорит он. Более того, гипотеза ER = EPR может пролить свет на связь гравитации и квантовой механики.

Конечно, не всем эта идея нравится (а по мнению Саскинда и не должна – она ещё в зачаточном состоянии). Джо Полчински, исследователь из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, осторожен в своих оценках, но заинтересован: «Не знаю, куда это всё движется, но выглядит достаточно интересно».

Войны чёрных дыр

Дорога, приведшая к ER = EPR сама по себе похожа на лист Мёбиуса, переходя сама в себя и напоминая рисунки Эшера.

Начать можно с квантовой запутанности. Если две частицы запутаны, они превращаются в две части одного целого. Что случается с одной, случается с другой, независимо от расстояния между ними.

Читать еще:  Кот Шредингера: можно ли заглянуть внутрь коробки, не изменяя ее?


Хуан Малдасена

Малдасена объясняет это на примере пары перчаток: если вы нашли правую, вы сразу же знаете, что другая будет левой. В этом нет ничего пугающего. Но в квантовой механике обе перчатки сразу и левые, и правые (и все промежуточные варианты), пока вы не проведёте наблюдения над одной из них. Что ещё страньше – левая перчатка не становится левой, пока вы не найдёте правую – и в этот момент они обе обретают свои свойства.

Запутанность тесно связана с открытием Стивена Хокинга от 1974 года того факта, что чёрные дыры испаряются. В пространстве постоянно появляются пары виртуальных частиц материи и антиматерии. Хокинг понял, что если одна частица упадёт в чёрную дыру, а другая сбежит от неё, то дыра будет испускать излучение. Через достаточное количество времени дыра исчезнет, что поднимает вопрос об информации, исчезающей вместе с ней.

Но законы квантового мира запрещают уничтожение информации. Поэтому возникает вопрос – будет ли информация, попавшая в чёрную дыру, просто зашифрованной, или же она действительно исчезнет? Споры по этому поводу привели к т.н. «войнам чёрных дыр».

В конце концов Саскинд понял, что вся информация, упавшая в дыру, попадает в ловушку её двумерного горизонта событий. И всё хранится в нём, будто трёхмерное изображение в голограмме. Это как если бы биты информации, необходимые для воссоздания вашего дома и всего его содержимого, могли бы разместиться на его стенах. Информация не теряется – она шифруется и хранится вне доступа.

Продолжив работу над идеей, Саскинд и Малдасена начали использовать голографический принцип не только для понимания чёрных дыр, но и любого участка пространства, который можно описать его границами. За последние десять лет безумная идея, что пространство – это голограмма, превратилась в обыденную, в инструмент физиков, используемый везде, от космологии до сверхплотной материи. «Одно из тех событий, случающихся с научными идеями, состоит в том, что они из безумной идеи переходят в хорошую идею, а затем – в рабочий инструмент,- говорит Саскинд. Это уже стало рутиной».


Леонард Саскинд

Голографический принцип был связан с тем, что происходит на границах объектов, включая горизонт событий чёрной дыры. Остался вопрос – что же происходит внутри. Поскольку никакая информация не может покинуть внутренности горизонта событий, законы физики запрещают непосредственные проверки внутренностей чёрной дыры.

Затем в 2012 году физики Алмхейри, Маролф, Полчински и Салли – все из Санта-Барбары, пришли к такому странному выводу, что можно было сказать – погодите-ка. Мы ничего не знаем.

Т.н. работа AMPS (по инициалам авторов) говорит, что у чёрных дыр вообще может не быть внутренностей, поскольку «стена огня» на горизонте событий уничтожит всё, что попробует раскрыть их секреты.

Измеряя огненную стену

Суть работы в следующем: если горизонт событий чёрной дыры – плавное и обыкновенное место, как предсказывает ТО (авторы называют это условие «без драматизма»), частицы, вылетающие из чёрной дыры, должны быть запутаны с частицами, падающими в дыру. Но для того, чтобы не потерять информацию, частицы, вылетающие из дыры, должны быть также запутаны с теми, что уже давно покинули дыру и теперь рассеяны где-то по всему излучению Хокинга. Получается, у нас есть слишком много запутанностей.

Читать еще:  Квадрат Луна – Юпитер

Запутанность не может существовать между тремя частицами одновременно — только у каждой пары частиц. «Полигамность» в квантовом мире невозможна, а значит, в «жерле» чёрной дыры не может существовать гладкое и протяжённое пространство-время. Поломка запутанности на горизонте означает наличие там некоей границы пространства – стены огня.

Стивен Шенкер, физик из Стэнфорда, назвал работу AMPS «спусковым крючком». Физики любят такие парадоксы – они представляют собой плодородную почву для открытий.

Саскинд и Малдасена сразу ухватились за идею. Они работали над своими запутанностями и червоточинами, вдохновляясь работой Марка Ван Раамсдонка, физика из университета Британской Колумбии в Ванкувере. Он совершил важный мысленный эксперимент, предполагающий, что запутанность и пространство-время сильно связаны между собой.

«Как-то раз,- говорит Саскинд,- Хуан отправил мне загадочное сообщение, содержавшее уравнение ER = EPR. Я сразу понял, что он имеет в виду, и мы начали обсуждать идею».

Они представили свои мысли в работе 2013 года «Холодные горизонты запутанных чёрных дыр», описывая запутанность, которую проглядели авторы AMPS – ту, что связывает пространство вместе. AMPS предположили, что части пространства внутри и снаружи горизонта событий независимы. Но Саскинд и Малдасена считают, что частицы с любой стороны границы могут быть соединены через червоточину, и это может разрешить парадокс. Картинку из работы некоторые шутя называют «осьминогом» – множество червоточин идут из внутренностей чёрной дыры к радиации Хокинга снаружи.

Иными словами, не нужно придумывать запутанность, создающую странности на гладкой поверхности жерла чёрной дыры. Частицы внутри неё будут непосредственно соединены с частицами снаружи, которые уже давно улетели вдаль. Не надо переходить через горизонт. Внутренние и наружные частицы составляют одно целое, как поясняет Малдасена. Осьминог объединяет внутренности чёрной дыры с частицами из облака радиации Хокинга.

Дырки в дыре

Пока нет уверенности в том, что ER = EPR разрешит проблему огненной стены. Джон Прескил, физик из Калифорнийского технологического института, напоминает, что иногда физики полагаются на свой нос, чтобы «вынюхивать» многообещающие теории. И на первый «нюх» теория ER = EPR «может пахнуть свежо и приятно, но ей ещё надо дозреть на полочке».

Тем не менее, Шенкер утверждает, что соответствие между запутанностью частиц и геометрией плавно изогнутого пространства-времени – это большое дело. Это позволило ему с его коллегой из Института перспективных исследователей поработать со сложными задачами квантового хаоса таким образом, что, как говорит Шенкер, «эта простая геометрия была понятна даже мне».

ER = EPR не описывает любую часть любого пространства или любую запутанность. Она подходит к особой запутанности и особым червоточинам. Маролф, который недавно опубликовал работу, описывающую червоточины с более чем двумя концами, считает, что физикам известно об этих ограничениях. ER = EPR работает в особых случаях, но AMPS утверждает, что огненная стена представляет гораздо более широкую задачу.

Маролф и другие беспокоятся, что ER = EPR изменит стандартную квантовую механику. «Есть ощущение, что эту штуку понимают только Ленни и Хуан,- говорит Маролф. Но, всё равно, в интересное время для науки мы работаем».

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector