Categories:

Сказ о том, как чёрные дыры отрастили волосы

Чёрные дыры, фотографией одной из которых мы недавно имели возможность полюбоваться, являются одними из самых интересных и интригующих объектов во Вселенной. И они не перестают загадывать физикам всё новые загадки.

По определению чёрная дыра обладает слишком мощным гравитационным полем, которое не выпускает наружу чёрной дыры ничего, что попало внутрь неё – даже свет. И дело здесь даже не столько в массе чёрной дыры, сколько в её плотности.

Дело в том, что, как мы помним ещё из школы, сила гравитационного притяжения тела прямо пропорциональна массе гравитирующего тела и обратно пропорциональна квадрату расстояния до него. То есть, даже при относительно незначительных массах тел, при приближении на расстояния, близкие к нулю, гравитационное поле должно возрастать до бесконечности.

Однако в реальности этого не происходит. Дело в том, что школьное выражение Закона всемирного тяготения записано для двух точечных масс, а реальные тела – далеко не точки. Поэтому этот закон верен лишь для больших расстояний между телами. К примеру, глядя на Землю с расстояния, скажем, Марса, мы в целом можем считать её точкой. Для меньших же расстояний, когда линейные размеры тел начинают иметь значение, нужно уже рассматривать гравитационное взаимодействие с различными частями гравитирующего тела, решая соответствующую задачу с помощью интегрирования. Например, решая задачу для гравитационного взаимодействия между Землёй и, например, летящим над ней самолётом, будет правильнее считать Землю бесконечной плоскостью.

Так вот, суть чёрной дыры состоит в том, что материя в ней сжата достаточно сильно, и мы можем продолжать считать это тело точкой на расстояниях, при которых гравитационное поле возрастает достаточно для того, чтобы удерживать даже свет.

Такое расстояние называют гравитационным радиусом, или горизонтом событий. В принципе, его можно рассматривать как размеры чёрной дыры. Потому что нормальных «размеров», т.е. объёма, в пределах которого распределена её масса, у чёрной дыры, как считается, нет вообще. По классическим представлениям, она вся сжата в бесконечно малую точку – так называемую сингулярность, вокруг которой и образуется гравитационный пузырь горизонта событий, за пределы которого свет, а значит, и любая информация о происходящем внутри чёрной дыры выйти не может.

Довольно сложно представить, как конечную (и довольно значительную!) массу можно сжать в бесконечно малую точку. И мы в реальности ничего не можем сказать об этом экстремальном состоянии вещества. Предполагается, что в нём пребывала материя нашей Вселенной в момент Большого взрыва, когда ни частиц, ни полей, ни материи и энергии в нашем сегодняшнем понимании не существовало. 

В классической теории чёрных дыр считается, что неподвижная и незаряженная чёрная дыра вообще не имеет других параметров, кроме массы (они для неё просто не имеют смысла). Например, если мы рассмотрим две неподвижные (не вращающиеся) и не заряженные чёрные дыры равной массы, одна из которых «сделана» из вещества, а другая – из антивещества, то они будут выглядеть принципиально одинаково для внешнего наблюдателя (а внутренний если и заметит разницу, то о ней уже не расскажет). Таким образом, чёрные дыры представляются самыми простыми объектами во Вселенной, не имеющими (опять же, с точки зрения внешнего наблюдателя) никакой структуры. Эту ситуацию физики описывают популярной пословицей: «у чёрных дыр нет волос». 

Согласно классическим представлениям, чёрные дыры также являются принципиально неуничтожимыми объектами. Так как ничего не может покинуть чёрную дыру, она может только расти, поглощая массу извне, либо же оставаться в покое.

Это была довольно стройная и красивая, хотя и немного зловещая теория.

Проблемы начались тогда, когда чёрные дыры начали рассматривать с точки зрения квантовой физики. Наиболее известными результатами здесь считаются те, которые получил знаменитый Стивен Хокинг, показавший, что чёрные дыры, вообще говоря, являются не совсем чёрными. 

А точнее, хотя ничего, попавшее в чёрную дыру, не может выйти обратно, кое-что они всё-таки излучают. Этот процесс так и назвали – излучением Хокинга. 

Как же может излучать чёрная дыра, которая все поглощает и не выпускает? С точки зрения классической физики – никак. Излучение Хокинга – чисто квантовый эффект, который сложно проиллюстрировать на понятном языке.

Сам Хокинг описывает этот процесс следующим образом.

Согласно современной квантовой теории, даже в самом глубоком вакууме постоянно происходит рождение пар частиц и античастиц. Параллельно ему и, вообще говоря, в равновесии с ним происходит также процесс аннигиляции (взаимного уничтожения) таких частиц. Так как процессы находятся в равновесии, то в условную микроскопическую единицу времени в условном объёме пространства рождается столько же частиц, сколько уничтожается. Поэтому нам, наблюдателю, кажется, что ничего, собственно, и не происходит: пространство, реально кипящее в хаосе появления и уничтожения частиц, кажется нам пустым. 

Может показаться странным, что нечто (частицы) берётся из неоткуда. И в действительности, когда мы говорим о реальных, наблюдаемых частицах, на рождение такой частицы тратится энергия, соответствующая (е=мс2) её массе. Но для виртуальных частиц этого не требуется: на то они и виртуальные - ни на что не влияющие и потому как бы не существующие. Можно сказать, что на рождение пары Вселенная как бы «одалживает» энергию у вакуума (да-да, согласно современным представлениям, вакуум обладает энергией; если у вас на этом месте зачесался мозг, то это хорошо), но практически тут же «возвращает» долг за счёт энергии, выделившейся при аннигиляции частиц. 

Другое дело, если мы каким-то образом помешаем одной частице из пары исчезнуть. Тогда она станет реальной, наблюдаемой – но, соответственно, перестанет быть «бесплатной». Энергетическое равновесие как будто будет нарушено? Нет. Просто в ходе самого процесса «отлова» виртуальной частицы мы непременно потратим некую энергию. Вот она-то и будет «платой» за превращение виртуальной частицы в реальную.

Но вернёмся к нашей чёрной дыре и излучению Хокинга. Если рождение пары частиц случится вблизи горизонта событий чёрной дыры, то может выйти так, что одну частицу из пары «засосёт» внутрь чёрной дыры, а другая, напротив, улетит в открытый космос. Аннигилировать ей, соответственно, будет уже не с чем. Из виртуальной частица превратится в реальную. Породивший пару вакуум «потребует заплатить» за её создание. А так как во всём «виновата» чёрная дыра, то счёт выставят именно ей. Волос у чёрной дыры нет, и платить ей кроме своей массы (снова-таки, е=мс2) у неё нечем, а значит, масса её уменьшится. В результате с точки зрения наблюдателя получится следующее: с поверхности чёрной дыры как бы вылетела частица, при этом масса чёрной дыры уменьшилась – как будто это чёрная дыра излучила (породила) частицу.

Данная иллюстрация излучения Хокинга настолько красива и понятна, что даже некоторые физики иногда забывают, что это только иллюстрация, имеющая достаточно мало общего с тем, что происходит на самом деле. Не будем забывать, что в реальности квантовой физики мы не можем говорить о «фактическом» положении частицы и её скорости: частицы как бы «размазаны» по пространству, да ещё и перепутаны друг с другом. На самом деле под воздействием мощного гравитационного поля чёрной дыры само пространство изменяется так, что процесс рождения частиц начинает превалировать над процессом уничтожения. В результате смещения равновесия и возникают «нескомпенсированные» частицы, за создание которых чёрная дыра расплачивается своей массой. Звучит немного коряво, но это потому, что наш язык несовершенен. На универсальном языке математики это выглядит куда красивее.

Я пишу об этом больше для того, чтобы вы знали: большинство наглядных объяснений квантовых процессов на самом деле неверны, и похожи на реальность не больше, чем детский рисунок дома - на чертёж, нарисованный архитектором.

Между тем, сам факт того, что чёрная дыра оказывается не вполне чёрной, ставит перед физиками массу неприятных проблем. Наиболее известной является так называемая проблема исчезновения информации в чёрной дыре.

Действительно, представим себе, что мы уронили в чёрную дыру некое тело, в результате чего её масса выросла на некоторое значение. В результате хокинговского излучения масса чёрной дыры будет постепенно уменьшаться, и рано или поздно вернётся к тому же значению, которое было до падения тела. При этом хокинговское излучение, как считается, имеет достаточно хаотическую («тепловую») природу, тогда как упавшее в дыру тело было конкретным материальным объектом со своими характеристиками. Получается, что чёрная дыра превратила конкретное тело в хаотический набор излучений, при этом никак не зависящий от изначальной природы этого тела, так как все следы этой самой природы поглотила «лысая» чёрная дыра. Но постулаты квантовой механики запрещают подобную утерю информации.

Для разрешения парадокса исчезновения информации существует множество теорий различной степени экзотичности. Сам Хокинг в итоге пришёл к выводу, что на самом деле излучение Хокинга, видимо, не является вполне хаотическим и каким-то образом всё-таки зависит от того, какие тела ранее поглощались чёрной дырой. В настоящее время это объяснение набирает всё большую популярность – в особенности по мере появления моделей чёрных дыр с точки зрения теории струн, которые показывают, что попавшая внутрь чёрной дыры информация всё-таки может покидать её благодаря квантовым флуктуациям.

Но как такое возможно? Ведь, как мы говорили выше, материя в чёрной дыре сжимается до первозданного состояния, в котором сами понятия энергии и материи лишаются привычного нам смысла, и информация не может сохраняться просто потому, что её как бы негде хранить? В ответ на это возражение Хокинг предположил, что, вероятно, на самом деле настоящая, как в момент Большого Взрыва, сингулярность внутри чёрной дыры всё-таки не образуется. Да, материя внутри чёрной дыры сжата экстремально сильно, но всё-таки не совсем в точку, и имеет некую структуру. То есть, волосы у чёрной дыры на самом деле есть!

А если так, то возникают интересные вопросы о том, как проявляются эти различия на, скажем так, космическом уровне – грубо говоря, какие «причёски» образуются из этих «волос»?

Возникают и другие вопросы: например, что остаётся на месте чёрной дыры, когда излучение Хокинга полностью унесёт её массу? 

Самое же замечательное состоит в том, что все эти споры и дискуссии ведутся вокруг явления, в существовании которого мы на самом деле абсолютно не уверены. Напомним, мы лишь недавно смогли вообще непосредственно увидеть чёрную дыру как таковую, и до этого момента в принципе не могли быть на 100% уверены, что данные объекты существуют в природе. Что же до излучения Хокинга, то в чёрных дырах реального размера оно должно быть крайне слабым. Пройдёт ещё немало времени, прежде чем наши технологии разовьются достаточно для того, чтобы мы смогли зафиксировать это излучение. До тех же пор все вышеизложенные рассуждения получены исключительно на кончике пера и основаны на общих предположениях о том, как устроена Вселенная. Правда, в начале этого года в Институте Вейцмана в Израиле заявили о наблюдении эффекта, который по идее имеет ту же природу, что и эффект Хокинга, однако другие учёные утверждают, что на самом деле это совершенно разные вещи, и результат, полученный израильтянами, хотя и интересен сам по себе, прямого отношения к проблематике чёрных дыр не имеет.

Так что в одном можно быть спокойными: в ближайшее время и физикам-теоретикам, и экспериментаторам будет над чем подумать.

Error

Anonymous comments are disabled in this journal

default userpic