Сайты партнеров




GEO приглашает

26 октября в самом сердце Москвы, в доме Пашкова, журнал Forbes отметил 100-летний юбилей. Мероприятие стало финальным в череде торжеств, посвященных юбилею легендарного бизнес-издания по всему миру


GEO рекомендует

Korean Air названа лучшей авиакомпанией  для бизнес-путешественников по версии Russian Business Travel & Mice Award. Крупнейший южнокорейский авиаперевозчик выполняет рейсы в Москву, Санкт-Петербург, Иркутск и Владивосток


Пятьдесят оттенков черного

Принято считать, что из черных дыр не возвращаются. Но так ли это на самом деле? И вообще, может, эти дыры и не черные вовсе, а серые? Дебаты физиков о природе космических «монстров» могут обернуться — ни много ни мало — пересмотром основ мироздания
текст:
NASA

Спагетти или шашлык? Во что бы вы предпочли превратиться, если бы вас угораздило, упаси Господь, провалиться в черную дыру? Вопрос, разумеется, чисто теоретический. Но ведет он на арену жарких споров мировой науки.

Судите сами. Одни физики считают, что подлет к черной дыре будет проходить спокойно и без особых происшествий. Вы даже не заметите, как пролетите горизонт событий — границу черной дыры, за которой сила притяжения настолько велика, что вырваться оттуда уже невозможно, даже двигаясь со скоростью света. Чем глубже вы будете падать в черную дыру, тем сильнее воздействие гравитации. И если вы летите ногами вперед, то ноги будут вытягиваться все дальше от головы — в результате чего вы превратитесь в длиннющую макаронину. Нравится?

Другой возможный сценарий быстрее и гуманнее: никакого падения в черноту. За горизонтом событий вас встретит стена огня, за которой заканчиваются и пространство, и время. Вы просто сгорите.

В общем, дилемма: умереть сразу или помучиться? К счастью, нам не придется делать выбор. До ближайшей черной дыры добраться все равно не светит — она находится на расстоянии тысяч световых лет от Земли. Но этот незначительный факт не мешает ученым со всего мира спорить о том, какой из описанных выше смертельных сценариев ближе к истине. Потому что, по их словам, на карту поставлено слишком многое. Как говорит физик-теоретик Стив Гиддингс из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, речь идет о кризисе в мировой физике, о «конфликте между фундаментальными основами» — теорией относительности и квантовой механикой.

Общую теорию относительности сформулировал Альберт Эйнштейн. Она объясняет гигантские механизмы: устройство Вселенной, орбиту планет, взаимодействие галактик. А квантовая механика изучает законы микрокосмоса — мир элементарных частиц, электронов и фотонов. Обе теории успешно описывают природные явления в своих сферах. Но когда речь заходит о черных дырах, в которых бесконечно сжимается масса, то в обеих теориях возникают вопиющие противоречия.

Этот конфликт расшатывает основы того, что не ставилось под сомнение. И поэтому он так опасен. Какое бы из описаний черных дыр ни победило, одна из «фундаментальных основ физики» понесет ущерб, окажется неполноценной, и ее придется пересмотреть. Но у каждой теории — свои фанаты. И они защищают их все новыми идеями и математическими выкладками. Чуть ли не каждую неделю возникают новые теории о том, как можно решить этот фундаментальный (хотя и чисто умозрительный) спор.

Корни конфликта уходят в 1970-е годы. Его спровоцировал Стивен Хокинг, тогда еще малоизвестный физик из британского Кембриджа. Применив законы квантовой механики к черным дырам, он пришел к неожиданному выводу: черные дыры — не совсем черные. Они излучают слабую, едва поддающуюся измерению энергию. В результате черная дыра постепенно теряет в массе и под конец просто испаряется. Правда, на это уходит целая вечность: черная дыра массой с наше Солнце исчезнет только через 1066 (это единица с 66 нулями) лет — для описания такого числа пока даже нет слова. Для сравнения: наша Вселенная существует всего четырнадцать миллиардов лет (это примерно 1010).

Так в чем же проблема? Откуда взялся этот спор? Концепция Хокинга никак не противоречит теории относительности. В полном соответствии с ее законами пространство вблизи горизонта событий выглядит точно так же, как в любом другом месте Вселенной. Иначе говоря, верен первый сценарий: пролетев точку невозврата и ничего не заметив, человек вытянется в макаронину.

Но модель Хокинга нарушает основной закон квантовой механики о сохранении информации: зная, как заканчивается тот или иной процесс, можно восстановить его исходное состояние — по меньшей мере, в общих чертах. В квантовой механике это столь же непреложный постулат, как принцип сохранения энергии в классической физике.

Хокинг же предполагал, что вместе с испарением черной дыры исчезнет и вся информация обо всех объектах, когда-либо проглоченных ею. Просто потому, что названное в честь Хокинга излучение не передает информацию о том, что происходит внутри черной дыры.

Стивен Хокинг был настолько уверен в том, что из черной дыры абсолютно ничего не просачивается наружу, что даже заключил пари со своим американским коллегой Джоном Прескиллом, который в этом сомневался. Спорщики условились, что проигравший подарит победителю энциклопедию.

Адепты квантовой механики забили тревогу: надо было как-то отвечать на удар, нанесенный Хокингом. И в итоге среди них нашелся человек, давший достойный отпор  сторонникам общей теории относительности. Зовут его Хуан Малдасена. Он работает в Институте перспективных исследований в Принстоне (кстати, это последнее место работы Альберта Эйнштейна), где занимается теорией струн, которая гласит, что все элементарные частицы состоят из невообразимо крошечных, ускользающе тонких нитей — струн. Малдасена предложил, казалось бы, совершенно безумную концепцию: вся информация о «нутре» нашей трехмерной Вселенной (включая галактики, звезды, и черные дыры) записана... на ее двухмерной поверхности. По принципу голограммы, когда двухмерная картинка «содержит» в себе трехмерное изображение.

А то, что происходит на двухмерной поверхности, можно описать только с помощью сравнений, которые строго соответствуют правилам квантовой механики — в том числе и постулату о сохранении информации. Так вот: Хуан Малдасена с помощью сложных формул доказал, что все правила, справедливые для двухмерной оболочки Вселенной, действительны и для ее трехмерного содержимого. А значит, информация о том, что происходит внутри черной дыры, должна сохраняться на поверхности Вселенной.

Доказательство Малдасены стало одним из самых цитируемых трудов по физике. Конфликт между квантовой механикой и теорией вероятности казался исчерпанным, и сообщество физиков облегченно вздохнуло. Хокинг, убедившись, что из черной дыры все же просачивается некоторая информация, в 2004 году на конференции в Дублине признал, что проиграл пари Джону Прескиллу, и вручил ему «Полную энциклопедию бейсбола» объемом в 2688 страниц.

Все бы хорошо, но по-прежнему оставался без ответа вопрос: как именно просачивается наружу информация из черной дыры?

«Мы все полагали, что это должно происходить как-то просто», — рассказывает Джозеф Полчински из Института теоретической физики имени Кавли при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре.

Но когда он со своей командой начал поиски, то вместо простого решения обнаружил новое противоречие. Все расчеты Полчински показывали: если информация из черной дыры просачивается наружу, то около горизонта событий обязательно должна существовать стена огня — слой насыщенных энергией частиц, в котором космонавт мгновенно бы поджарился.

То есть вероятным надо считать «шашлычный» сценарий, за который ратуют приверженцы квантовой механики.

По словам Полчински, горизонт событий — это реальная физическая стена, конец пространства. За ней уже ничего нет. Стена огня в пустом пространстве? Но теория относительности этого не допускает.

И как же теперь быть? Многие астрофизики разделяют ощущения Джозефа Полчински, который говорит: «Умом я верю в стену огня, но все же предпочел бы, чтобы горизонт событий оказался более приятным местом».

Пытаясь разрешить это новое противоречие, физики-теоретики фонтанируют самыми невероятными идеями.

У астрономов, которые исследуют реальные черные дыры — чудовищные объекты в четыре миллиона солнечных масс в центре нашего Млечного Пути, от гипотез коллег-теоретиков голова идет кругом. Зачастую даже они не могут разобраться в абстрактных теоретических конструкциях и причудливых метафорах вроде «пушистых шаров», «кротовых нор», «белых» и «серых» дыр.

Стив Гиддингс, например, вообще предлагает «отказаться от общепринятой концепции пространства и времени». Он считает, что в экстремальных условиях, возникающих в черной дыре или в момент Большого взрыва, попросту нет трех пространственных измерений и времени. Если мы перестанем воспринимать как абсолютную данность наличие пространства и времени, то это позволит извлечь информацию из черной дыры, не выстраивая вокруг нее стену огня.

А Физик Самир Матур из Университета штата Огайо в городе Колумбус считает, что черные дыры — это клубки тех самых нитей, из которых, согласно теории струн, состоят все элементарные частицы. Такая черная дыра похожа на поток пыли, у нее нет горизонта событий в привычном значении, а значит, она может генерировать информацию и излучение, как любое физическое тело.

Хуан Малдасена, а также Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета (еще один «гроссмейстер» в теории черных дыр), осмелились зайти дальше — туда, где уже попахивает научной фантастикой. По их гипотезе, все частицы связаны со своими античастицами в черной дыре через кротовые норы — своеобразные пространственно-временные туннели.

Карло Ровелли и Хал Хаггард из Университета Экс-Марсель (Франция), в свою очередь, придумали теорию, согласно которой черные дыры могут превращаться в «белые». Якобы под давлением собственной гравитации черная дыра рано или поздно должна достичь такого состояния, когда ей придется взрывным путем высвободить всю содержащуюся материю.

В январе 2014 года к этой круговерти безумных идей присоединился и Стивен Хокинг, опубликовав четырехстраничный текст без единой математической формулы. Мировая пресса тут же раструбила о сенсации: «Хокинг отменил горизонт событий!», «Черных дыр не существует».

На самом деле Хокинг, заявляя, что «не существует черных дыр в понимании систем, от которых свет мог бы ускользать вечно», имел в виду нечто другое. Темные гиганты, по его мнению, обладают только кажущимся горизонтом событий. Он определен нечетко, и от него может исходить излучение. Поэтому черные дыры не совсем черные. Возможно, нам стоило бы называть их серыми дырами.

Среди коллег концепция Хокинга вызвала недоумение. Он сформулировал ее так емко, что физики пока не вполне понимают, что им теперь с этим делать.

Предложений много, но согласия в стане ученых пока не видно. Джозеф Полчински пообещал «рассмотреть все гипотезы более досконально — возможно, удастся найти среди них что-то многообещающее». Однако вскоре признался:
«Я все же не думаю, что эти идеи работают».

Лишь в одном сообщество физиков единодушно: чтобы преодолеть противоречие, придется пересмотреть саму сущность той науки, которой они занимаются.

«Мне кажется, что единственный выход из кризиса, — говорит Стив Гиддингс, — это пересмотр основополагающих физических принципов».

Он сравнивает сегодняшнюю ситуацию с тем, что происходило примерно сто лет назад, когда все явственнее стали обозначаться границы, за которые классическая физика не могла выйти. Тот кризис физики разрешился благодаря появлению квантовой механики, которая и сумела по-новому, все­объемлюще описать природу.

Может быть, и конфликт вокруг черных дыр в конце концов завершится объединением противоречащих друг другу концепций — квантовой механики и теории относительности — в одну теорию квантовой гравитации.

И тогда новая формула мироздания, возможно, будет напоминать строчку из ресторанного меню: шашлык с гарниром из макарон.

01.04.2015