7 октября 2008
Черные дыры, но не те, которые мы знаем
Валери Джеймисон (выдержки)
<<
Черные дыры
Это самые пугающие объекты во Вселенной. Они глотают и уничтожают все, что попадается им на пути. Известно, что все, попавшее в черную дыру, обречено. Но так ли это? В последние годы в привычной картине начали появляться трещины. Ученые, стремящиеся к более полному пониманию нашей Вселенной, обнаруживают, что черные дыры не так уж черны и, может быть, вовсе не дыры. Идут яростные споры о том, что находится в черных дырах, и даже о том, заслуживают ли они этого названия.
Термин 'черная дыра' был предложен в 1960-е годы физиком Джоном Уиллером для описания того, что происходит, когда материя скапливается в плотной точке пространства-времени. Например, когда из ядерного топлива возникает звезда, отходы накапливаются быстро и интенсивно. Гравитационное притяжение этой материи может оказаться сильнее ее природной тенденции к отталкиванию. Если звезда достаточно велика, результатом является сингулярность. Вокруг сингулярности образуется пространство, из которого нет возврата. Свет, попавший в его границы, не выходит наружу, и все, что оказывается внутри сингулярности, обречено на уничтожение.
Но картина всегда содержала в себе элемент саморазрушения. В 1975 году Стивен Хокинг из Кембриджа рассчитал, что черные дыры будут медленно, но неуклонно исчезать. Согласно законам квантовой механики, пары 'виртуальных' частиц и античастиц постоянно пузырятся в пустом пространстве. Хокинг показал, что гравитационная энергия черной дыры может быть отдана виртуальным частицам у границ явления. В этом случае они могут стать реальными и спастись, унося с собой положительную энергию в виде 'радиации Хокинга '. Со временем черная дыра растворится во внешнем пространстве.
Хокинг прошлым летом изменил свою точку зрения (New Scientist, 17 июля 2004 года). Его новая идея является лишь фрагментом широкого движения за пересмотр правил, которые руководят черными дырами.
Теория струн была впервые применена к черным дырам в середине 1990-х годов. Эндрю Стромингер и Камран Вафа из Гарварда начали работу над информационным парадоксом, представив себе, какой может быть черная дыра изнутри. Ученые обнаружили, что теория струн дает им возможность построить из струн и других объектов этой теории маленькие структуры, обладающие высокой плотностью, и некоторые из них имеют больше трех измерений. Эти структуры действовали так же, как черные дыры: их гравитационное притяжение не давало свету выйти из них.
Ворсистые шарики
Но это ничего не сказало физикам о том, как организованы струны. В прошлом году Самир Масур из Университета Огайо и его коллеги начали рассматривать проблему того, какими могут быть конфигурации струн в черных дырах. Они установили, что струны всегда будут соединяться, образуя большую провисающую струну, которая может быть намного больше, чем сингулярность.
Группа Масура вычислила физические размеры нескольких черных дыр, которые они предпочитают называть "ворсистыми шариками" или "струнными звездами". К его удивлению, обнаружилось, что они имеют тот же размер, что и горизонт явления в привычной теории. "Это меняет наше представление о внутренней части черной дыры, – говорит Масур. – Это означает, что представление о круглой дыре с черной точкой в центре неверно".
Ворсистый шарик Масура опровергает идею горизонта явления как четкой границы. В традиционном представлении горизонт является границей. Объекты, проходящие через определенные точки в пространстве в определенные моменты времени, гарантированно будут распылены в сингулярности черной дыры. В концепции ворсистого шарика горизонт является не четкой границей, а пенящейся массой струн.
Но, чтобы эти подсчеты имели смысл, им пришлось принять, что входящая материя и исходящая радиация не сталкиваются друг с другом. Если они столкнутся, это помешает процессу телепортации. Теоретики квантовой информации, Дэниел Готтсман из Института теоретической физики в Ватерлоо, Канада, и Джон Прескилл из Технологического института в Пасадене, говорят, что такие помехи очень легко могут появиться.
Это применимо ко всем черным дырам, как к сверхмассивным, находящимся в центре галактики, так и к маленьким, возникающим в результате ускорения частиц.
Но Готтсман и Прескилл имеют возражение, которое может оказаться фатальным для гипотезы о телепортации. Они показали, что эффект может допускать коммуникацию, которая быстрее скорости света, что является табу в теории относительности. Подсчет телепортации основан на допущении, что каждый фрагмент материи внутри черной дыры имеет одинаковое квантовое состояние. Хотя квантовая механика допускает, что одна частица оказывает мгновенное воздействие на квантовое состояние другой, это нельзя использовать для коммуникации. Например, если один человек, Элис, измерит квантовое состояние частицы, которая есть у ее друга Боба, результаты измерения будут немедленно переданы Бобу, но нет способов использовать их для коммуникации, которая быстрее скорости света, поскольку Элис должна сообщить Бобу, какого рода измерения она произвела в своей частице, до того, как он сможет расшифровать смысл изменений, которые он видит. Эта информация поступает к Бобу обычным способом.
Готтсман приходит к выводу, что идея телепортации не может быть эффективной. Он задается вопросом, являются ли представления об информационном парадоксе ошибочными, поскольку он до конца не понят. "У меня такое впечатление, что мы задаем глупый вопрос", – говорит он.
Проблема, говорит Вафа, заключается в том, что концепция информации в теории струн может быть очень тонкой и еще не сформулирована. "Потеря информации является критическим вопросом, но наше понимание черных дыр слишком примитивно".
Какая бы теория не заняла в конце концов место теории относительности, возможно, черные дыры не так страшны, как мы думали. В конце концов, кто боится большого клубка струн?>>
|
