Большой взрыв и черные дыры

Такой привычный Большой взрыв. Часть первая

Автор: Роман Георгиев

Сейчас даже школьники знают, что всё началось с Большого взрыва. Никто, впрочем, не знает, что было до него, и что именно такое взорвалось, равно как неясна механика этого процесса.

Зато уже вполне подробно расписано, что было дальше: когда сформировались плазма и газы, зажегшиеся первые звёзды, взрываясь, рассеивали оставшийся водород и образовавшийся в результате термоядерных реакций гелий в окружающем пространстве, которые, в свою очередь, падали на поверхность соседних звёзд (а звёзды в юной вселенной находились друг от друга довольно близко), и снова вступали в реакцию термоядерного синтеза с образованием более тяжёлых элементов.

Так, собственно, всё вещество во Вселенной и возникло (вплоть до самых тяжёлых соединений) и продолжает возникать, даже несмотря на постоянный разлёт галактик.

Разлёт, происходящий под воздействием некоей "тёмной энергии". Астрономам понятно, что она есть, но непонятно, что она такое. Поскольку ничего, кроме оказываемого ею гравитационного воздействия, обнаружить не удалось. Пока её условно именуют "таинственной силой" - Force (надо ли говорить, что разом вспоминаются пояснения Оби Вана в "Эпизоде IV" насчёт Силы, пронизывающей всю Вселенную?).

Но вернёмся пока к Большому взрыву.

Буквально неделю назад двое астрофизиков - Шон Кэрролл и Дженнифер Чэнь - опубликовали 36-страничный доклад, в котором освещался вопрос неизменности временного вектора (осторожно, PDF).

"Мы полагаем, что спонтанная вечная инфляция Вселенной несёт в себе естественное объяснение феномена термодинамического временного вектора и обсуждаем лежащие в основе этого представления посылки и его последствия.

В отсутствие инфляции, как нам представляется, системы, связанные с гравитацией, обычно развиваются асимптотически относительно вакуума [т.е. бесконечно к нему приближаясь - прим. ред.], который является единственным естественным состоянием в термодинамическом смысле. При наличии небольшого количества позитивной энергии в вакууме и благоприятного поля инфляции, вакуум де Ситтера оказывается нестабильным по отношению к спонтанному началу инфляции на более высоком энергетическом уровне. Начиная с состояния вакуума де Ситтера, инфляция может приводить к безграничному росту тотальной энтропии Вселенной, в процессе которой могут образовываться вселенные, подобные нашей. Важным следствием этой картины является то обстоятельство, что инфляция происходит асимптотически в обоих направлениях по времени, что означает, что в сверхбольших масштабах вселенная (статистически) является симметричной относительно времени", - говорится в предуведомлении к докладу Кэрролла-Чень.

Что простому смертному может быть понятно из таких сугубо научных мыслей? Например, то, что наша Вселенная в том виде, в котором она существует, в общем, не является чем-то уникальным. Точнее сказать, вселенных было, есть и будет ещё великое множество.

Бесконечное множество, если быть точным. Потому что абсолютного вакуума нет: любая система, обладающая гравитацией, может бесконечно к нему приближаться, но абсолютного значения не достигать.

И в этой "почти полной пустоте" остаётся некоторое количество энергии с флюктуациями на субатомном уровне. Ранее физики Хауме Гаррига из барселонского Universitat Autonoma и Александр Виленкин из Университета Тафтс, выдвинули идею, что эти флюктуации, собственно, могут вызывать, так скажем, "свои собственные" Большие взрывы, отстоящие друг от друга на огромные периоды и расстояния.

Иными словами, отдельно взятая вселенная расширяется во всех направлениях до тех пор, пока не остаётся, условно говоря, пустота. Но в этой пустоте, однако, остаётся некоторое количество энергии. Случайная флюктуация и… А не хотите ли послушать, как это звучало? (подробнее о грохоте Большого взрыва можно прочитать тут).

Буддисты, похоже, не просто так называют Пустоту творческим началом.

Чэнь и Кэрролл развивают эту идею, утверждая, что инфляция Вселенной в далёком её прошлом может происходить "в обратном направлении", так что для возможных наблюдателей в далёком прошлом время может потечь вспять (относительно нынешнего его движения).

Однако, вне зависимости от их направления, новые вселенные, возникшие в результате таких вот Больших взрывов, всё равно соответствуют курсу бесконечно возрастающей энтропии (меры хаоса).

В этой связи на ум приходят несколько вроде бы не связанных с идеями Кэрролла и Чэнь историй.

Во-первых, соотношение возраста Вселенной (нашей Вселенной) и мощности космического телескопа Hubble, с помощью которого удаётся разглядеть галактики возрастом около 13 млрд. лет. Возраст вселенной составляет примерно 13,7 млрд. лет. Означает ли это, что с помощью Hubble удалось увидеть нечто, находящееся почти на краю Вселенной? А когда на орбиту Земли выведут новые, куда более мощные телескопы, что удастся увидеть с их помощью? Фантазировать на эту тему можно долго, однако стоит, пожалуй, вспомнить концепцию Метагалактики - галактики галактик, вмещающей столько же отдельных галактик, сколько каждая из них - звёзд.

Во-вторых, вспоминается заявление сотрудников Кэмбриджского университета о том, что Вселенная наша конечна и имеет вполне определённую геометрическую форму - форму додекаэдра (для платных подписчиков Nature посвящённая этому статья доступна здесь). Такие выводы были сделаны на основе анализа данных, полученных с зонда WMAP, изучавшего реликтовый микроволновой фон - то, что осталось от свечения, возникшего при Большом взрыве (нашем Большом взрыве).

Идея о конечности нашей Вселенной, собственно, доказывалась от противного: будь Вселенная безграничной, в микроволновом фоне наблюдались бы волны любых размеров. На самом же деле такого нет. Никаких действительно крупных волн WMAP так и не сумел обнаружить. Зато, анализируя собранные им данные, удалось установить, что структура волн выглядит так же, как если бы эти волны находились в замкнутом додекаэдре.

Подобные выкладки не коррелируются с выводами Кэрролла и Чэнь. Подольём ещё масла в огонь: идеи о конечности и "фигурности" нашей Вселенной возникли на основании вполне конкретных показателей вполне конкретных научных приборов (на борту WMAP), в то время как аргументация Чэнь и Кэрролла - сплошь теоретическая.

Итак, Большой взрыв, по-видимому, был вполне рядовым явлением в процессе эволюции Вселенной. Иначе говоря, такие "взрывы" во Вселенной как бескрайнем пространстве, по-видимому, происходят постоянно. Просто, по мнению астрофизиков Кэрролла и Чэнь, они настолько далеко отстоят друг от друга в пространстве и времени, что представляются человеческому разуму уникальными явлениями.

Впрочем, мы имеем дело с теориями: нет никого, кто мог бы со стопроцентной вероятностью подтвердить или опровергнуть выкладки Чэнь и Кэрролла или идеи о конечности и изолированности Вселенной… Мы можем оперировать лишь теоретическими умозаключениями, уповая на то, что однажды человеческий разум достигнет того уровня развития, при котором познание загадок Вселенной перестанет быть неразрешимой задачей.

Как бы там ни было, сейчас до разрешения этих загадок человечеству, мягко говоря, далековато.

С другой стороны, развитие технологий, в том числе связанных с граничными состояниями материи и высокими энергиями, позволяет сымитировать предположительное состояние вещества в начале времён. И в конце таковых.

В этой части статьи мы попробуем осветить выдвинутые в последние годы идеи о том, что было "в самом начале" и будет "в самом конце" того ничтожного (ничтожного относительно самой вечности) промежутка времени, в котором существует "наша" вселенная.

Конец всему

Приблизительно полтора года назад физики Дартмутского колледжа и Калифорнийского политехнического института в Пасадене - Роберт Кодуэлл, Марк Камёнковски и Невин Вайнберг - опубликовали работу под названием "Призрачная энергия и Судный день Вселенной" (доступно здесь в формате PDF).

Основная идея этой работы состоит в том, что Вселенную, начавшуюся с Большого взрыва в конце времён ожидает "Большой разрыв" всего и вся, включая атомные и ядерные связи.

А что происходит при разрыве атомных ядер? Правильно, очень-очень большой выброс энергии, иначе называемый ядерным взрывом.

С какой стати, спросим мы? А очень просто: всё упирается в пресловутую "тёмную энергию", непонятную физикам силу, обнаруженную, собственно говоря, только в 1998 году, силу, которая способствует всё ускоряющемуся разлёту галактик.

По мнению физиков, эта самая "тёмная энергия" способствует бесконечному расширению Вселенной, и даже не способствует, а является главным его движителем.

Так вот, Кодуэлл и его соратники полагают, что разлётом галактик дело не ограничится. В конечном счёте, разрыв пойдёт и на уровне внутреннего устройства этих галактик (то есть разлетаться друг от друга начнут и звёзды), затем постепенно начнётся разрушение солнечных систем, самих планет, а дальше - по нарастающей, вплоть до разрыва всё тех же ядерных связей с соответствующим выделением энергии, примерно через 22 млрд. лет, считая с данного момента.

Незадолго до этого Вселенная станет однородной, потом элементарные частицы окажутся изолированными друг от друга, за чем должен последовать, опять же, разрыв всего и вся, а стало быть, везде, где в вакууме останутся элементарные частицы, произойдут взрывы.

Отдельные Большие взрывы, разнесённые в пространстве и времени? В полном соответствии с предсказаниями Кэрролла и Чэнь?

Почему бы и нет, в конечном счёте?

Всё упирается в то, что никто, на самом деле, не может пока сказать, что это за штука такая - тёмная/призрачная энергия. Что она вообще из себя представляет, какими свойствами, помимо отталкивания галактик друг от друга, обладает, и, в конечном счёте, действительно ли она способна разорвать в конечном счёте даже элементарные частицы.

А вот этими знаниями человечество пока не обладает. Само понимание тёмной энергии получено косвенно, расчётным путём, хотя Альберт Эйнштейн и предсказал существование силы, обратной по воздействию гравитации, назвав её "космологической константой". Последние наблюдения показывают, что тёмная энергия не демонстрирует какой-либо изменчивости, а стало быть, возможно, действительно является постоянной величиной, обладающей неизменным действием на Вселенную. Значит ли это, что особо яркого будущего от Вселенной можно не ждать?

Пока учёные ищут способы выяснить истинную природу тёмной энергии. До того, как им это удастся, все косвенные теории можно считать домыслами.

Начало всего

А вот условия, воспроизводимые искусственно, "домыслами" считать не получается. И учёным, кажется, удалось воссоздать самые первые мгновения существования Вселенной - "нашей" Вселенной… И результаты получились несколько ошеломляющими.

Речь идёт об эксперименте, проведённом специалистами Брукхейвенской национальной лаборатории США в Аптоне, на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC). По утверждению физиков, занимавшихся этими экспериментами, им с высочайшей вероятностью удалось воссоздать именно те условия, в которых вещество пребывало в первые мгновения после Большого взрыва.

Суть эксперимента заключалась в том, что физики столкнули друг с другом атомные ядра на колоссальной скорости, что привело к распаду самой материи ядер. В результате, по мнению большинства экспертов, образовалась именно та первичная плазма, которая и существовала в первые мгновения после Большого взрыва, чем бы тот ни был вызван - плазма, состоящая из кварков и глюонов.

При этом, к большому удивлению учёных, выяснилось, что природа вещества неразрывно связана с тем вакуумом, в котором оно находится, и что вакуум - явление куда более сложное и многоликое, нежели считалось ранее, и что граница между "чем-то" и "ничем" - ещё зыбче, чем кто-либо мог предположить.

Дело в том, что кварки, являясь составными частями протонов и нейтронов, не могут существовать по отдельности. И чем сильнее какая-либо сила стремится их отделить друг от друга, тем мощнее становятся связующие их силы. Это, собственно, одно из ключевых положений теории квантовой хромодинамики (QCD).

Согласно этой теории, именно вакуум связывает кварки. Хотя и принято полагать, что вакуум - пустота, согласно теории квантовой хромодинамики, вакуум - очень сложное и динамическое явление, в котором буквально кишат, постоянно возникая и аннигилируя, пары "мнимых" частиц. Кроме того, вакуум оказывается весь пронизан сложными узлами и переплетениями пространства, по которым, собственно, и перемещаются глюоны, удерживая кварки вместе.

Эта странная картина имеет право на жизнь, поскольку теория квантовой хромодинамики успешно предсказывает поведение элементарных частиц, а потому заслуживает доверия.

Так вот единственный способ разъединить кварки - это "расплавить" вакуум между ними, а для этого требуется неимоверное количество концентрированной энергии, которая выделяется только при столкновении атомных ядер на огромной скорости. Предположительно такие же энергии наблюдались в том изначальном сгустке вещества, который, собственно и "разошёлся" Большим взрывом. То есть расплавить вакуум - означает достичь ровно того же состояния вещества, которое наличествовало сразу после Большого взрыва.

Брукхейвенский RHIC был построен как раз для этого. С 2000 года два потока ядер атомов золота постоянно направлялись навстречу друг другу, разгоняясь на трассе протяжённостью в 4 км и достигая энергии в 100 млрд. электронвольт. При столкновении возникает плазменный шар с температурой в 300 миллионов раз превосходящей температуру поверхности Солнца, внутри которого высвобождается более тысячи кварков. При случайном лобовом столкновении двух кварков, тех самых "мнимых частиц", колоссальная энергия их столкновения переходит в материю.

"Мнимые" частицы вакуума получают достаточное количество энергии, чтобы стать "реальными", и разлетаются в стороны, собирая из вакуума пары других частиц (а кварки всегда держатся по трое); процесс повторяется циклически, и в результате, образуются расходящиеся в разные стороны парные струи частиц, которые, собственно, и обнаруживают соответствующие сенсоры. Тем самым, демонстрируется присутствие кварк-глюонной плазмы, притом, что время её существования не превышает 10^-23 с.

Ранее считалось, что при "расплавлении" вакуума (а для этого нужна энергия порядка 170 млн. электронвольт) плазма будет вести себя как газ со слабым взаимодействием. Однако проведённые измерения указывают, что абсорбция парных струй частиц плазмой в 10 раз выше, чем предполагалось, а значит и плотность кварк-глюонной плазмы в 30-50 раз выше предсказанной. То есть она ведёт себя не как газ, а как жидкость, причём жидкость "идеальная". А следовательно, в первые мгновения своего существования наша Вселенная вся была жидкой.

Исходя из всего этого, нам, простым смертным, остаётся, по-видимому, лишь продолжать пытаться представить себе бесконечность этого процесса, зная, впрочем, что мы в любом случае обречены всегда знать, что ничего не знаем. Ибо даже те крохи знания об устройстве Вселенной, которыми человечество обладает сейчас, в сущности, ничтожны. Что, впрочем, не остановит учёных, стремящихся узнать как можно больше.

Сократ с его принципом не-знания был кругом прав: чем больше человечество пытается узнать о той Вселенной, в которой ему суждено обретаться (а сколько их было, никто никогда не узнает, по-видимому), тем больше мировая наука понимает, что ничего не понимает.

Точно так же дело обстоит с чёрными дырами, например. Вспоминается сразу Джонатан Свифт: "Для тех, кто наслышан о Божьем суде, // Ад, ведомо, есть, но неведомо, где". Теоретическая данность под названием "чёрная дыра", для которой сравнение с адом напрашивается само, в сущности, так и остаётся теоретической, хотя астрономы сформировали довольно стройную, на первый взгляд, картину физики чёрных дыр, причин их образования и воздействия на пространственно-временной континуум.

В сущности говоря, чёрной дырой астрономы называют не какой-то физический объект, а область в пространстве-времени, в которой гравитационное притяжение настолько велико, что ничто, даже свет, не могут проникнуть наружу - за "горизонт событий".

Доминирующая теория гласит, что чёрные дыры возникают на месте выгоревших массивных звёзд: при коллапсе светила плотность вещества становится настолько высокой, что гравитационное притяжение в этой области начинает втягивать в себя окружающую материю.

Астрономы считают также, что сверхмассивные чёрные дыры присутствуют в центре большинства (если не всех) галактик, и гравитационное воздействие центровых чёрных дыр оказывает значительное влияние на их - галактик - целостность.

Однако и эти представления пошатнулись в свете недавних открытий. С помощью рентгеновского телескопа Chandra сотрудники Смитсоновского института астрофизики обнаружили свидетельства существования в центре квазара SDSSp J1306 полноценной (и очень-очень крупной) чёрной дыры. Всё дело в том, что расстояние до этого квазара составляет приблизительно 12,7 млрд. световых лет. Учитывая, что возраст нашей Вселенной равен около 13,7 млрд. лет, то получается, что мы видим этот квазар таким, каким он был спустя всего лишь миллиард лет после Большого взрыва.

Для образования чёрной дыры, которая выделяет больше энергии, чем двадцать триллионов Солнц, миллиард лет после образования Вселенной - это как-то рановато.

Однако это не ошибка в расчётах: немногим ранее американские и британские астрофизики с помощью рентгеновского спутника XMM-Newton наблюдали квазар SDSSp J1030, располагающийся на расстоянии 12,8 миллиарда световых лет от нас, и также обнаружили признаки существования гигантской чёрной дыры; спектры рентгеновского излучения, наблюдаемого в обоих квазарах, очень похожи, так что существование таких вот "реликтовых" чёрных дыр - это тоже данность, похоже.

Наблюдать чёрную дыру напрямую невозможно: за горизонт событий, как уже сказано, не проникает даже свет, стало быть, остаются только косвенные признаки.

А именно, аккреционные диски. Диском аккреции называют газовый диск, вращающийся вокруг чёрной дыры. Он образуется при падении вещества на эту самую чёрную дыру. Температура вещества в таком диске может достигать миллиардов градусов, и именно эти диски и являются источниками мощного рентгеновского излучения, по которому и вычисляют чёрные дыры.

По словам Дэниела Шварца, одного из астрономов, изучавших квазар SDSSp J1306, полученные им и его коллегами результаты ясно свидетельствуют о том, что механизм испускания чёрными дырами рентгеновских лучей не менялся с самых древнейших времён.

Вопрос в том, откуда взялась настолько массивная чёрная дыра в столь молодом звёздном скоплении.

Надо сказать, что самые первые звёзды, ещё лишённые "металлов" (т.е. веществ с большей атомной массой, нежели водород и гелий), по выкладкам астрономов должны были иметь колоссальные размеры. Однако неизвестно, могла ли из одной "неметаллической" звезды, пусть даже очень крупной и массивной, получиться столь гигантская и активная чёрная дыра, как в SDSSp J1306.

Учёные предполагают, что она могла образоваться в результате слияния миллионов среднекалиберных или даже малых чёрных дыр, образовавшихся вследствие коллапсов массивных звёзд в молодой галактике. В результате возникла чёрная дыра с массой, в миллиарды раз превышающей массу Солнца.

Чёрная дыра. Название, устрашающее само по себе, относится к объектам Вселенной, которые своим существованием опровергают все представления о незыблемости материи в её привычной форме... Что это такое? Да и существуют ли они? Как материя может обладать "бесконечной плотностью"?

Считается, что сверхмассивные чёрные дыры (чем бы они ни являлись) с их колоссальной гравитацией "держат" целые галактики, в некоторой степени предохраняя их от разлёта. Наша Галактика также содержит в центре чёрную дыру (если не наоборот - дыра "содержит" всю Галактику), при этом с ней связан весьма странный феномен - а именно, крайне низкая активность.

Чёрная дыра на диете

По данным Европейского космического агентства и профессора Московского института космических исследований, порядка 350 лет назад чёрная дыра в центре нашей Галактики активно исторгала из себя энергию, а сейчас находится в странной спячке: окружающий её газ излучает не сильнее, чем любая среднестатистическая звезда, такая как Солнце. В других галактиках, как правило, наблюдаются сверхъяркие "чёрные дыры" (точнее, сверхъярким является газ, пожираемый чёрной дырой, разогревающийся и ускоряющийся при сближении с нею).

Откуда взялась цифра "350 лет назад"? Ну, во-первых, сюда надо приплюсовать значение расстояния от Земли до центра Галактики (а это около 30 тысяч световых лет). Просто речь идёт об излучении, которое регистрируется на Земле.

Так вот, на расстоянии 350 световых лет от чёрной дыры, которую называют объектом Стрелец А*, располагается водородное облако Стрелец Б2 (Sagittarius B2). В настоящее время астрономы регистрируют чрезвычайно высокоэнергетическое рентгеновское излучение, исходящее из этого облака. Единственным разумным объяснением этого феномена учёные полагают высокоэнергетический выброс гамма-лучей из нашей чёрной дыры. Наблюдения, осуществлённые с помощью орбитальной рентгеновской обсерватории Integral, доказывают, что это предположение справедливо.

По всей вероятности, чёрная дыра Стрелец А* в течение 10 лет исторгала из себя потоки энергии - в количествах достаточных, чтобы сравниться по яркости с целыми галактиками. По мнению Михаила Ревнивцева из Московского института космических исследований РАН, каждую секунду чёрная дыра пожирала до 10 в 12 степени тонн газа и пыли. Почему это прекратилось, неизвестно. Астрономы полагают, что подобное может повториться в любой момент.

Война теорий

Общепринятая сейчас теория чёрных дыр, выдвинутая сорок лет назад физиком Джоном Уилером, гласит, что после "выгорания" звезды, её останки сжимаются с такой силой, что сила притяжения превышает силу отталкивания, и в результате остаётся сингулярность: точка в пространстве, где материя находится в состоянии "бесконечной плотности". Сингулярность окружает так называемый "горизонт событий", гипотетическая граница, которую не способны преодолеть оказавшиеся внутри неё материя и энергия. Они "втягиваются" в чёрную дыру и навсегда остаются внутри.

Это-то "навсегда" и вызывает вопросы.

В 1975 году крупнейший теоретик чёрных дыр Стивен Хокинг из Кембриджского университета установил (правда, лишь теоретически), что чёрные дыры медленно, но неизбежно истаивают. В соответствии с законами квантовой механики, пары "виртуальных" частиц и античастиц постоянно бурлят в пустом пространстве. Хокинг показал, что гравитационная энергия чёрных дыр может передаваться "виртуальным" частицам у самого горизонта событий. В этом случае "виртуальные" частицы становятся реальными и выходят за пределы горизонта вместе с позитивной энергией в форме "излучения Хокинга". Таким образом, со временем чёрная дыра испаряется.

Однако такой взгляд приводит к "информационному парадоксу". Получается, что согласно теории относительности, информация о материи, попадающей в чёрную дыру, теряется, тогда как квантовая механика утверждает, что информация может в итоге вырваться наружу. 

Хокинг на это отметил, что хаотичная натура "излучения Хокинга" означает, что энергия вырывается наружу, а информация нет. Однако в прошлом году он изменил своё мнение - и это лишь один из пунктов пересмотра современной наукой всех своих взглядов на чёрные дыры.

Дело в том, что сейчас теоретики пытаются "примерить" на чёрные дыры (и все теоретические неувязки, связанные с ними) популярную теорию струн. New Scientist пишет, что теория струн сейчас - это лучшая попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, поскольку сами струны несут в себе гравитационную силу, а их вибрация является случайной, как и предсказывает квантовая механика.

В середине девяностых Эндрю Стромингер и Камран Вафа из гарвардского университета решили подойти к проблеме информационного парадокса путём определения, как чёрная дыра может быть устроена изнутри.

Выяснилось, что теория струн дозволяет выстраивание исключительно плотных и мелкомасштабных структур из самих струн и других описываемых теорией объектов, часть из которых имеют более трёх измерений. И эти структуры вели себя как раз как чёрные дыры: их гравитационная тяга не выпускает наружу свет.

Количество способов организации струн внутри чёрных дыр, - просто огромно. И, что особо интересно, эта величина полностью совпадает с величиной энтропии чёрной дыры, которую Хокинг и его коллега Бекенштейн рассчитали ещё в семидесятые годы.

Однако определение количества возможных вариантов сочетания струн - это ещё не всё. В прошлом году команда Самира Матура из Университета штата Огайо взялась за прояснение вопроса возможного расположения струн внутри чёрной дыры. Выяснилось, что почти всегда струны соединяются так, что образуют единую - большую и очень гибкую - струну, но куда большего размера, нежели точечная сингулярность.

Группа Матура вычислила физические размеры нескольких "струнных" чёрных дыр, (которые участники группы предпочитают называть fuzzballs - "пуховыми шариками", или stringy stars - "струнными звёздами"). И с удивлением обнаружили, что размеры этих струнных образований совпадали с размерами "горизонта событий" в традиционной теории.

В связи с этим Матур предположил, что т.н. "горизонт событий" на самом деле представляет собой "пенящуюся массу струн", а не жёстко очерченную границу.

И что чёрная дыра на самом деле не уничтожает информацию по той причине, например, что никакой сингулярности в чёрных дырах просто нет. Масса струн распределяется по всему объёму до горизонта событий, и информация может храниться в струнах и отпечатываться на исходящем излучении Хокинга (а следовательно выходить за порог событий).

Впрочем, и Вафа, и Матур признают, что эта картина носит весьма предварительный характер. Матуру ещё предстоит проверить, как его модель подходит к крупным чёрным дырам, или понять, как чёрные дыры эволюционируют.

Ещё один вариант предложен Гэри Горовицем из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре и Хуаном Малдасеной из принстоновского Института передовых исследований. По мнению этих исследователей, сингулярность в центре чёрной дыры всё-таки существует, однако информация в неё просто не попадает: материя уходит в сингулярность, а информация - путём квантовой телепортации - отпечатывается на излучении Хокинга.

Многие физики оспаривают данную точку зрения, отвергая возможность мгновенного перехода информации.

В любом случае, всё это лишь теоретические выкладки, и ничего более.

Однако в Женеве уже строится Большой адронный коллайдер, самый мощный на Земле ускоритель частиц, который планируется ввести в действие уже в 2007 году. В этом ускорителе протоны будут сталкиваться с энергией до 14 на 10 в 12 степени эВ, чего, по мнению учёных, будет достаточно для того, чтобы создавать несколько микроскопических чёрных дыр каждую секунду, если некоторые нынешние теоретические выкладки окажутся верными.

...This is the 21st Century
I heard everything you said
The Universe demystified
  Astronomy instead...

Marillion, 'This Is the 21st Century'

Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider - LHC), он же Большой адронный ускоритель на встречных пучках - амбициознейший проект по созданию гигантского ускорителя частиц, с помощью которого будут проводиться фундаментальные эксперименты, связанные со сверхпроводимостью, высокими энергиями и ещё, бог знает, чем.

Одна из последних статей про чёрные дыры вызвала бурный отклик на форумах на тему "нужна ли нам чёрная дыра на Земле", как раз потому, что в конце статьи приводилась информация об одном из готовящихся экспериментов - моделированию чёрной дыры в этом самом LHC.

Довольно странно полагать, что кто-то сейчас позволил бы проводить решительно непредсказуемые эксперименты с материей и высокими энергиями, если бы существовала сколько-нибудь серьёзная угроза жизни на Земле - времена не те, равно как и технологии.

Впрочем, всё новое имеет обыкновение пугать. А LHC действительно обещает быть чем-то новым.

Строящийся на границе Франции и Швейцарии, к востоку от Женевы, у подножья Юрских гор, Большой адронный коллайдер будет представлять из себя кольцевой ускоритель заряженных частиц на встречных пучках с кольцом длиной в 26,65 км.

"Зачем это нужно?" Дело, прежде всего, в длине кольца, в котором будет осуществляться разгон частиц до сверхвысоких скоростей, и соответственно, сверхвысоких энергий столкновений. Создавая такие условия и изучая процессы, происходящие при них, учёные надеются получить сведения о самых фундаментальных законах физики частиц.

Как гласит уведомление на сайте проекта LHC, "всё указывает на то, что при энергиях в районе 1 ТэВ (тераэлектронвольт) речь идёт о новой физике, и именно там скрываются ответы на некоторые самые фундаментальные вопросы нашего времени".

Строительство Большого адронного коллайдера - международное предприятие, в котором принимает участие и Российская Федерация, осуществляется под эгидой CERN (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire - Европейский совет по ядерным исследованиям).

Вторая мировая война в огромной степени помешала развитию физики и других фундаментальных наук в Европе, в то время как в США, державе, от Второй мировой не слишком пострадавшей, наука в изрядной степени продвинулась вперёд. В частности, как написано на сайте LHC, в Америке началось строительство крупных ускорителей частиц, а отдельные эксперименты уступили крупным научным предприятиям, в которые входили десятки и сотни учёных и инженеров (собственно говоря, к 1945 году, как известно, Штаты обладали атомной бомбой, которой и не преминули воспользоваться против Японии и в назидание остальным).

В Европе, что называется, "опомнились" довольно быстро. Стало очевидно, что, несмотря на всю славу и традиции наиболее знаменитых европейских университетов, ни одна европейская держава не сможет добиться реального научного прорыва в одиночку. В 1950 году совет ЮНЕСКО принял постановление-рекомендацию относительно создания общеевропейской организации по научным исследованиям, и спустя менее трёх лет 12 стран подписали конвенцию о создании CERN.

Сейчас CERN ассоциируется, в первую очередь, с ускорителями частиц. Первым был протонный коллайдер Intersecting Storage Rings (ISR), запущенный в действие в 1971 году и протонно-антипротонный суперсинхротрон (Super Proton Synchrotron), запущенный в 1981 году. С помощью него удалось доказать объединённую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий.

В 1996 году на электронно-позитронном ускорителе LEP (Large Electron-Positron Collider) удалось достичь энергии столкновения в 90 ГэВ (гигаэлектронвольт), открыв совершенно новую область в науке. Однако строили LEP, что называется, "с запасом". В частности, данные, получаемые с LEP, настолько точны, что они дают представление о явлениях, проходящих при энергиях, превышающих энергию самого ускорителя. Таков "предварительный" взгляд издалека на будущие открытия.

Большой адронный коллайдер (LHC) будет частично использовать уже существующую инфраструктуру того же самого LEP, выключенного в 2000 году: его 27-километровый туннель, а также источники частиц и предускорители. При этом LHC будет снабжён самыми передовыми технологиями ускорения и лучшим в мире сверхпроводящим магнитом (по крайней мере, на момент его запуска, теперь планирующегося на 2006-2007 годы; ранее ожидалось, что запуск будет осуществлён в 2005 году).

Эксперименты, которые собираются проводить на LHC, ориентированы на искусственное воссоздание явлений, которые пока предсказаны лишь теориями. "Впрочем, не стоит упускать из виду и вероятность сюрпризов, так что от физиков и инженеров требуются колоссальное мастерство и изобретательность".

Предполагается, что на LHC удастся достичь энергии столкновения пучков протонов до энергий порядка 7 ТэВ на 7 ТэВ, электронно-протонные пучки будут сталкиваться с энергиями до 1,5 ТэВ, а пучки тяжёлых ионов (например, свинца) сталкиваться с общей энергией свыше 1250 ТэВ, что в 30 раз больше, чем на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (Relativistic Heavy Ion Collider), который сейчас строит у себя Брукхейвенская лаборатория в США.

А теперь самое интересное.

Все эти колоссальные значения энергии, так сказать, "вполне подходят" для проведения одного исключительной важности эксперимента. Точнее, речь идёт о подтверждении теории, согласно которой при тераэлектронновольтных энергиях и в условиях соответствующей гравитации происходит образование чёрных дыр.

Так вот, касательно вопроса их опасности: упомянутый в предыдущей статье Стивен Хокинс, автор чуть ли ни всех ныне существующих концепций чёрных дыр, сделал ключевое для понимания физики этих объектов открытие - чёрные дыры неизбежно испаряются со временем. Даже самые крупные из них.

Крупные - медленно, за миллиарды лет. А вот мелкие...

Мелкие исчезают моментально, за 10^-17 секунд, и, соответственно, у них просто нет времени на то, чтобы втянуть в себя хоть сколько-нибудь существенный объём материи.

Зато, испаряясь, они оставят после себя некое излучение, которое можно будет обнаружить с помощью сверхчувствительной аппаратуры LHC.

Ещё несколько лет назад профессор Стивен Джиддингс, профессор физики в Университете штата Калифорния в Санта-Барбаре вместе со своим коллегой, Скоттом Томасом из Стэнфордского университета, пояснили в своей работе, что при "тэраэлектронновольтной гравитации" возникают чёрные дыры. По словам Джиддингса, единственный известный сценарий появления чёрных дыр связан с возникновением новых измерений в пространстве-времени, а следовательно, в теории, учёные, добившись возникновения чёрных дыр, получат возможность изучать именно эти дополнительные измерения, от чьих характеристик зависят и характеристики чёрных дыр. Звучит фантастично, но это, по-видимому, пока лишь издержки недостаточного знания.

В общем и целом, ожидается, что чёрные дыры в LHC будут возникать приблизительно каждую секунду, исчезая, как уже сказано, за такие короткие сроки, что никакой опасности представлять не будут даже в теории.

Зато с их помощью удастся лучше понять, как между собой соотносятся квантовая механика и гравитация, ведь испарение чёрных дыр является квантовомеханическим процессом. Наблюдать это в космосе не представляется возможным в силу того, что гигантские чёрные дыры испаряются слишком медленно, а микроскопические - пойди поищи. Остаётся лишь создавать их искусственно. Изучение их эволюции очень многое прояснит в области фундаментальных физических процессов в нашей Вселенной.

И последнее. Джиддингс, помимо всего прочего, заявил: "Если природа позволит нам и вправду создавать чёрные дыры в ускорителях, это будет также означать, что они (чёрные дыры) должны возникать и тогда, когда космические лучи бомбардируют земную атмосферу".

Если это так, то, кажется, вопрос "нужна ли нам чёрная дыра на Земле" немного теряет в весе, не так ли?

Автор: Александр Малиновский

Черные дыры - одни из популярнейших астрофизических объектов. Редкая научно-фантастическая книжка, хотя бы краешком затрагивающая космические проблемы, обходится без их упоминания. То же самое относится и к фильмам, и даже к компьютерным играм.

В научном мире интерес к черным дырам то затихает (когда уже кажется, что все их тайны разгаданы), то снова разгорается (когда в очередной раз оказывается, что это далеко не так). Впрочем, в последнее время от отсутствия внимания черные дыры явно не страдали. Мосты Эйнштейна-Розена (они же - "червячные норы"), "машины времени", возможное образование мини-дыр в атмосферных ливнях частиц, порождаемых высокоэнергичными космическими лучами (если справедливы предположения о том, что число пространственных макроизмерений нашего мира больше трех), - вот лишь короткий список "горячих" научных тем последнего времени, в которых черные дыры играют главную роль.

Минувшим летом страницы не только научных, но и массовых изданий облетела новость о докладе английского физика Стивена Хокинга, в котором сделана заявка на решение так называемого информационного парадокса черных дыр.

Но прежде, чем рассказать об этом парадоксе и о сути идеи Хокинга, давайте совершим небольшой экскурс в историю черных дыр, а также коснемся их удивительных свойств, обусловивших повышенное внимание к этим поразительным небесным телам.

Анизотропное шоссе

Насколько нам известно, первым ученым, придумавшим объект, напоминающий черную дыру, был английский священник и теолог, один из основателей научной сейсмологии Джон Митчелл. В 1783 году он изложил свои соображения в докладе Лондонскому Королевскому обществу.

Но, как часто бывало в истории науки, сообщение осталось практически незамеченным, так что долгое время приоритет отдавался знаменитому французскому ученому Лапласу, через одиннадцать лет после Митчелла пришедшему к похожим выводам и опубликовавшему их в своей книге "Изложение системы мира". Доклад Митчелла был найден в "Философских трудах Лондонского Королевского общества" только в 1984 году.

Идея Митчелла и Лапласа была очень простой: они предположили, что в природе могут существовать тела, для которых вторая космическая скорость превышает скорость света. Поэтому такие тела будут невидимыми для наблюдателя, хотя и могут проявлять себя гравитационным воздействием на другие объекты. По словам Лапласа, "звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз большим диаметра Солнца не дает световому лучу достичь нас благодаря своему тяготению, а потому не исключено, что самые яркие тела во Вселенной по этой причине невидимы". А Митчелл предложил искать такие звезды по анализу движения второй звезды в двойной системе - метод, широко использующийся сейчас для обнаружения черных дыр.

Математически соображения двух ученых сводятся к нахождению радиуса R звезды массы M, для которой вторая космическая скорость равна скорости света с. Путем несложных преобразований получаем:

R_g = 2GM/c²,

где R_g  - так называемый гравитационный радиус тела, G - постоянная тяготения.

Увы, все эти рассуждения были неправильными. При скоростях, близких к скорости света, формула для кинетической энергии сильно отличается от классического случая. Формула для потенциальной энергии в мощных гравитационных полях тоже меняет вид. Да и отношение к свету как к потоку маленьких пушечных ядер неправомерно: в частности, скорость света, как известно, константа и, следовательно, не может стремиться к нулю (пусть и на бесконечности).

Решение для черной дыры, свободное от этих недостатков, было получено в 1916 году немецким астрономом Карлом Шварцшильдом на основе анализа уравнений общей теории относительности, незадолго до этого выведенных Альбертом Эйнштейном. Довольно неожиданно, но в этом точном решении появляется величина размерности расстояния, выражение для которой совпадает с уже выписанной "неправильной" формулой.

Казалось бы, это не очень распространенный, но все же порой встречающийся в науке случай, когда ошибки "упрощенного" решения компенсируют друг друга. На самом деле это, конечно, не так. В решении Шварцшильда на радиусе R_g  происходит нечто большее, чем просто выравнивание скорости света и второй космической скорости. И даже не "большее", а принципиально иное.

Есть такой вопрос на сообразительность: можно ли добраться до Луны на ракете, летящей со скоростью "Запорожца"? Несмотря на то что вопрос несложный, очень часто на него отвечают "нет". Нужна, дескать, вторая космическая скорость (или чуть меньшая при полете по эллипсу).

На самом деле ответ, конечно, неверный, долететь до Луны можно. Формулы для космических скоростей справедливы для тела, летящего свободно (после первоначального толчка). Если же двигатель ракеты будет работать непрерывно, то достичь нашего спутника можно даже со скоростью черепахи (рано или поздно). Иное дело, что такой полет потребует гигантского расхода горючего. Другим примером является подъем по лестнице - так можно подняться на высоту, до которой никогда не удалось бы допрыгнуть. А располагая лестницей необходимой длины, можно повторить подвиг барона Мюнхгаузена из бессмертного кинофильма (1 Сейчас, кстати, развивается вовсе не фантастический проект космического лифта, который - если будет реализован - ничем не уступит "решению" барона Мюнхгаузена. - Прим. ред.).

Все меняется, если перейти к рассмотрению черной дыры. Если мы находимся внутри так называемой сферы Шварцшильда (сферы радиуса R_g , описанной вокруг центра черной дыры), то выбраться "наружу" нельзя никаким образом. Даже по лестнице…

Именно поэтому границу сферы Шварцшильда часто называют горизонтом событий. А также - односторонней проводящей мембраной. Ведь, в отличие от известного анекдота, "выйти через вход" нельзя. Горизонт событий в чем-то очень похож на анизотропное шоссе из романа братьев Стругацких "Трудно быть богом".

"У черных дыр нет волос"

Что произойдет, если две черные дыры столкнутся друг с другом? Образуют ли они новую, более массивную черную дыру? Астрофизик Дэвид Меррит полагает, что грандиозные гравитационные возмущения могут привести к обратному результату: одна из черных дыр может даже покинуть приютившую ее галактику. Причем чем меньше галактика, тем больше шансов на подобный исход. Наблюдений, подтверждающих правоту Меррита, пока нет, однако его теория объясняет, почему в карликовых галактиках и шаровых скоплениях черных дыр не обнаружено (не очень понятно, что делать с черными дырами в шаровых скоплениях G1 и M15, но Мерриту, вероятно, виднее). На снимке, сделанном с помощью телескопа Habble, изображены две спиральные галактики, проходящие мимо друг друга. Та, что побольше и потяжелее, - NGC 2207 (на снимке слева), та, что поменьше и полегче, - IC 2163. Мы видим, как искажается форма меньшей галактики под воздействием столкновения.

Анализ решения Шварцшильда показывает, что силы гравитации на горизонте событий стремятся к бесконечности. Но не следует думать, что некто, падающий в черную дыру, будет этими бесконечными силами расплющен. Эта особенность является не физической, а лишь координатной и существует только для внешнего неподвижного наблюдателя. В системе координат, движущейся вместе с путешественником, такой особенности нет, и ничто не может помешать ему пересечь горизонт событий в целости и сохранности. Более того, сил гравитации он вообще не почувствует - так же как в лифте, свободно падающем в поле тяготения Земли, будет царить невесомость (недолго, правда…).

Опасность для путешественника заключается в приливных силах - аналогичных по своей природе силам, вызывающим приливы в земных океанах и порождаемым разностью гравитационных сил, действующих на разные части тела. Эти силы будут стремиться вытянуть путешественника вдоль направления на центр черной дыры. Но максимум приливных сил не приходится на горизонт событий, они растут по мере приближения к центру. Так что для небольших черных дыр проблемы у путешественника начнутся еще до пересечения горизонта событий, а для гигантских - уже после.
Очень интересным и на первый взгляд неожиданным свойством черных дыр является то, что, как показал советский астрофизик И. Д. Новиков, внутри них пространственные и временные координаты меняются местами.

Наглядно это можно представить следующим образом. Будем рассматривать не трех-, а двухмерное пространство, причем вообразим его в виде куска гибкой пленки. Направим ось времени перпендикулярно этой пленке. А теперь поместим на пленку тяжелый шар и начнем постепенно его сжимать. Пленка под шаром будет изгибаться все сильнее и сильнее, пока, наконец, стенка "вмятины" не станет вертикальной. Мы получили модель черной дыры. Нетрудно заметить, что некто, путешествующий по стенке "вмятины", будет, таким образом, перемещаться по оси времени.

Существует еще одно любопытное следствие из этого обстоятельства. События, произошедшие во "внешнем" мире за определенный интервал времени, внутри черной дыры будут располагаться вдоль некоторого пространственного промежутка. Иными словами, внутри черной дыры содержится информация обо всех, даже еще не произошедших событиях в течение всего времени существования Вселенной.

Уместно, пожалуй, развеять еще один миф, касающийся черных дыр, - о чудовищных плотностях, царящих внутри них. На самом деле это не совсем так.

Скорее даже, совсем не так.

Да, если в черную дыру превратить Солнце (гравитационный радиус которого составляет три километра) или, тем более, Землю (чуть меньше сантиметра), средняя плотность получившегося объекта превысит ядерную (10¹⁴ г/см³). Но средняя плотность зависит от массы по обратному квадратичному закону, так что для центральных черных дыр (находящихся в ядрах некоторых галактик, в том числе и в нашей), масса которых составляет порядка 10¹⁰ масс Солнца, средняя плотность будет в несколько раз меньше плотности воздуха.

К тому же, по современным представлениям, вся масса черной дыры заключена в точечной сингулярности - области пространства с бесконечно большой плотностью (и кривизной пространства-времени).

Впрочем… в физике любое появление бесконечно больших величин свидетельствует о несовершенстве теории. Не является исключением и сингулярность в черных дырах, к возникновению которой привело отсутствие разработанной теории квантовой гравитации.

Вообще, наглядно представить границу современных представлений о мире довольно просто. Очень хорошо этой цели служит так называемый куб теорий, придуманный советским космологом А. Зельмановым. Возьмем обычную трехмерную декартову систему координат, только обозначим оси не "x, y, z", а "с" (скорость света), "G" (гравитационная постоянная) и "h" (постоянная Планка). Тогда вдоль оси G располагается классическая ньютоновская теория гравитации, вдоль оси с - специальная теории относительности, вдоль оси h - квантовая механика. Плоскость cG отвечает общей теории относительности, плоскость ch - еще не до конца разработанной релятивистской квантовой теории (с ее наиболее успешной частью - квантовой электродинамикой). Кубу в целом отвечает релятивистская квантовая теория гравитации, которая должна (по идее) описывать наш мир во всем его многообразии.

Из этих же констант (с, G, h) можно составить выражения для так называемых планковских величин - времени, расстояния, плотности. При выходе за границы, задаваемые этими величинами, мы должны использовать еще не созданную теорию: так, граничное значение плотности составляет 10⁹³ г/см³. Но пока теории нет, природа (и само существование) сингулярности остается предметом предположений и домыслов.

На внешний же мир гипотетическая внутренняя сингулярность влияния оказать не может. По принципу "космической цензуры", разработанной английским ученым Роджером Пенроузом в 1969 году, прежде чем из-за гравитационного коллапса неограниченно возрастет кривизна и разовьется сингулярность, гравитационное поле достигнет такой силы, что перестанет выпускать информацию наружу, - то есть возникнет горизонт событий, окружающий сингулярность.

И вот теперь мы постепенно переходим к предпосылкам так называемого информационного парадокса.

Черные дыры образуются на конечных стадиях эволюции массивных звезд, причем масса, химический состав и внутреннее устройство звезд могут варьироваться в довольно широких пределах. Более того, существуют первичные черные дыры, образовавшиеся на начальных стадиях эволюции Вселенной - задолго до рождения первых звезд.

Казалось бы, такой разброс условий должен приводить к появлению разновидностей черных дыр, сильно отличающихся друг от друга. На самом деле это не так. Усилиями многих ученых в 1960-х годах было показано, что черная дыра для внешнего наблюдателя характеризуется всего тремя величинами - массой M, моментом количества движения J (в случае вращающейся черной дыры) и электрическим зарядом Q (при его наличии). Все же остальные особенности звезды-"родительницы" в процессе гравитационного коллапса стираются. Отклонения от сферичности "высвечиваются" гравитационными волнами, магнитное поле отрывается, остальная информация исчезает под границей горизонта событий. Остается идеально сферическая область пространства (ведь никакой "твердой" поверхности у черной дыры, конечно же, нет).

Эта область представляет собой идеальную сферу даже в случае вращающейся черной дыры, просто помимо горизонта событий появляется еще одна характерная поверхность - поверхность бесконечного красного смещения, или же предел устойчивости. Решение для вращающейся черной дыры было получено Роем Керром в 1963 году, поэтому такие черные дыры зачастую называют керровскими (а невращающиеся соответственно - шварцшильдовскими).

Таким образом, в мире черных дыр отсутствует индивидуальность, все различие между ними может заключаться максимум в трех параметрах. Этот постулат получил широкую известность в шутливой формулировке, данной американским астрофизиком Джоном Уилером: "У черных дыр нет волос" (Уилеру, кстати, принадлежит авторство и самого термина "черная дыра", впервые предложенного им в 1969 году. Ранее использовались термины "темные" или "застывшие" звезды).

И все-таки она светится!

Это не представляло проблемы, пока черные дыры считались вечными и неуничтожимыми. Ведь можно было считать, что информация не исчезла в них окончательно, она просто хранится в "законсервированном" виде.

Все изменилось, когда стали рассматриваться квантовые эффекты в поле черных дыр. В 1970 году М. А. Марков и В. П. Фролов обнаружили, что из-за квантового рождения частиц из вакуума в поле заряженной черной дыры ее заряд уменьшается практически до полного исчезновения. Вскоре Я. Б. Зельдович и А. А. Старобинский показали, что аналогичное явление происходит и вблизи вращающихся черных дыр, причем рождающийся поток частиц постепенно уменьшает энергию и угловой момент черной дыры. Но последний, решающий шаг удалось сделать Стивену Хокингу. Он доказал, что излучают не только керровские, но и шварцшильдовские черные дыры. Поэтому это излучение сейчас носит его имя.

Суть открытия Хокинга, математически довольно сложная, на "пальцах" может быть объяснена следующим образом.

Даже в совершенно пустом вакууме все равно будут присутствовать микроскопические флюктуации полей, называемые квантовыми флюктуациями. Причиной их появления является принцип неопределенности Гейзенберга: если мы сфокусируем внимание на определенной точке пространства, то величина поля в ней абсолютно точно измерена быть не может. Эти квантовые флюктуации иначе можно интерпретировать как рождение виртуальных частиц - пары из частицы и античастицы, которые спустя очень короткий промежуток времени аннигилируют и возвращают взятую "взаймы" на свое рождение энергию. Энергия и время существования такой пары связаны все тем же соотношением неопределенностей: чем больше энергия, тем короче время. И хотя частицы виртуальные, эффекты, вызываемые их рождением, вполне реальны - например, экранировка заряда протона, измеренная в эксперименте.

Но самое интересное начинается, если наложить на вакуум сильное внешнее поле, которое может "заплатить" долг за рожденные частицы и они из разряда виртуальных перейдут в реальные. Это тоже было проделано в эксперименте, когда мощным импульсом лазера из вакуума удалось "выбить" реальные частицы.

Аналогичный процесс происходит и вблизи черных дыр, только роль внешнего поля играет гравитационное поле. Рожденная таким образом частица с положительной энергией может улететь от черной дыры, а частица с отрицательной энергией будет захвачена. И если воспользоваться фундаментальной формулой Эйнштейна E = mc2, мы получим, что вследствие этого явления масса черной дыры будет уменьшаться. То есть происходит постепенное "испарение" черной дыры.

Хотя природа излучения Хокинга, как мы видим, совершенно неклассическая, и уж тем более не тепловая, при расчетах можно принять, что черная дыра излучает как абсолютно черное тело, нагретое до определенной температуры, зависящей от массы. Для черной дыры звездной массы эта температура ничтожна - так, для Солнца она составляет одну десятимиллионную часть градуса Кельвина, и темп излучения Хокинга у подобных объектов пренебрежимо мал. Но при уменьшении массы "эффективная" температура растет, так что для черной дыры с массой миллиард тонн она превысит сто миллиардов кельвинов. Последние же тысячи тонн испаряются за одну десятую секунды, при этом выделяется энергия, эквивалентная взрыву миллиона мегатонных водородных бомб.

Итак, черные дыры излучают. До сих пор неизвестно, правда, что же происходит в самом конце испарения - исчезает ли черная дыра полностью, или остается некая элементарная черная дыра планковских масштабов. Впрочем, в контексте данного рассказа это и не важно, ведь гипотетическая элементарная черная дыра не может вместить всего объема информации, попавшего в изначальную черную дыру на протяжении ее жизни. Излучение Хокинга в силу своего механизма переносить информацию тоже не способно.

Получается, информация необратимо теряется? Или, на языке квантовой физики, чистое состояние переходит в смешанное?

Увы, это нарушает фундаментальный принцип все той же квантовой физики - требование так называемой унитарности любого преобразования (любого процесса). То есть, применив обратное преобразование к полученному результату, мы должны вернуться к исходному состоянию. Или, иными словами, сумма всех вероятностей должна быть равна единице не только в исходный, но и в любой другой момент времени - информация должна сохраняться.

Эта проблема и получила название информационного парадокса черных дыр.

Его долго пытались решить с самых различных позиций. Например, выдвигались предположения, что внутри черной дыры открываются некие "ворота" в другую Вселенную (или даже рождается "дочерняя" мини-Вселенная), куда информация и уходит. Сам Хокинг долго отстаивал идею, что сверхсильные гравитационные поля могут приводить к нарушению законов квантовой физики. Его уверенность была столь велика, что он (на пару с Кипом Торном) даже заключил в 1997 году пари с Джоном Прескиллом на то, что информация все-таки теряется. Ставкой была энциклопедия по выбору выигравшего - с аргументацией, что "уж из энциклопедии-то информацию выудить безусловно можно".

Заметим, что пари Хокинг заключает не в первый раз. В 1975 году он поспорил уже с Кипом Торном о том, что источник Лебедь X-1 не содержит черную дыру. Ставкой была годовая подписка на Penthouse против четырехлетней подписки на Privat Eye.

То пари Стивен проиграл…

Баскетбол или крикет?

В июле нынешнего года в Дублине, Ирландия, проходила очередная, 17-я по счету Международная конференция по ОТО и гравитации. Первоначально доклад Стивена Хокинга на ней не планировался, но незадолго до начала конференции он попросил у организаторов разрешения выступить с сообщением о решении информационного парадокса.

Надо сказать, выступление наделало много шуму. Информация о нем промелькнула, пожалуй, в большинстве средств массовой информации, широко обсуждалась в Интернете. И это неудивительно, ведь, помимо научной значимости предполагаемого решения проблемы с более чем тридцатилетней историей, сильное впечатление производит и сама личность Стивена Хокинга. Будучи одним из крупнейших современных ученых, человеком с выдающимся интеллектом, физически он совершенно беспомощен. Тяжелое поражение центральной нервной системы (атрофирующий латеральный склероз) привело к тому, что у него слегка действуют только пальцы на левой руке, которыми он управляет компьютером с синтезатором голоса.

В чем же суть новой идеи Хокинга? Сильно упрощая, ее можно изложить в следующем виде.

Если мы рассмотрим одиночную неизлучающую черную дыру, то ее метрика будет топологически нетривиальной (это утверждение, как и все последующие, придется принять на веру). Можно показать, что в топологически нетривиальной метрике любое возмущение, любая корреляционная функция экспоненциально затухают. То есть информация в такой черной дыре необратимо утрачивается.

Однако реальные черные дыры, как известно, излучают. К чему это приведет?

Процесс образования и испарения черной дыры в рамках квантовой теории можно рассматривать как процесс рассеяния. Некто посылает частицы и излучение с бесконечности, а потом измеряет получившийся результат тоже на бесконечности. Таким образом, все измерения производятся на бесконечности, где поля достаточно слабы. Сильные же поля, существующие где-то внутри системы, измерить при таком подходе никакими средствами нельзя. Более того, нельзя даже с уверенностью сказать, что черная дыра вообще образовалась, несмотря на, возможно, полную на то уверенность в рамках "классической" теории.

Математически эволюцию системы можно представить как интеграл по пути между начальным и конечным состояниями, разделенными интервалом времени T. Интеграл берется над метриками всех возможных топологий, могущими содержаться внутри системы. Эти топологии делятся на два класса - тривиальные и нетривиальные.

Можно показать, что в тривиальных топологиях информация сохраняется и корреляционная функция не затухает. То есть на всем пути от начального к конечному состоянию системы унитарность сохраняется.

В свою очередь, как уже было сказано, в нетривиальной топологии корреляционная функция затухает экспоненциально. Таким образом, интеграл по топологически нетривиальным метрикам независим от исходного состояния системы и не вносит вклад в общий интеграл. Следовательно, общий интеграл определяется только частью, берущейся по топологически тривиальным метрикам, что приводит к сохранению унитарности и в этом случае.

С другой стороны, как в классическом эксперименте с электроном и двумя щелями мы не можем сказать, через какую же щель прошел электрон, так и в нашем случае, рассматривая поведение полей на бесконечности, мы не можем сказать, какая топология внесла свой вклад в результаты наблюдений (результаты, показывающие сохранение унитарности).

Окончательно получаем, что излучающая черная дыра должна обладать тривиальной топологией - то есть информация может не только попадать в черную дыру, но и покидать ее.

Такова в общих чертах новая идея Хокинга. Сам он совершенно уверен в ее правильности и не только выразил желание выплатить свой проигрыш Джону Прескиллу, но и уже выписал энциклопедию баскетбола (заказанную Джоном) из Америки. По словам Стивена: "Я попробовал предложить ему взамен энциклопедию по крикету. Однако убедить Джона в превосходстве крикета над баскетболом мне так и не удалось".

Как видим, сам Хокинг настроен весьма оптимистично. Однако статья им до сих пор не выпущена, а наличие множества логических скачков в доказательстве, приведенном в докладе, не позволяет остальным ученым единогласно признать его правоту.

Еще одной сложностью является отсутствие (по крайней мере, "классического") горизонта событий у "хокинговской" черной дыры, а ведь его существование следует из фундаментального принципа эквивалентности гравитационной и инертной массы - основы ОТО.

Более того, даже в самом лучшем случае (если Стивен Хокинг во всем прав) в его работе не было предложено никакого конкретного механизма получения информации из черной дыры. С этой точки зрения интересна свежая (2004 года) работа Самира Матура с коллегами, рассмотревшего черные дыры с позиции теории струн. При таком подходе черная дыра представляет собой своего рода гигантский клубок струн, а излучение Хокинга может содержать в себе информацию о внутреннем устройстве дыры.

Но как бы то ни было, черные дыры в очередной раз продемонстрировали, что считать, будто все их загадки раскрыты, преждевременно. И судя по всему, нас еще ожидает множество сюрпризов…