Чёрные дыры могут быть бессмертны

Изучение чёрных дыр поможет в объединении двух физических теорий

(иллюстрация NASA, Wikimedia Commons).

С одной стороны, никакие частицы не должны покидать пределы чёрной дыры, с другой − сторонники квантовой физики подобрали массу идей о том, как это может происходить

(иллюстрация Alain/Wikimedia Commons).

Джордж Эллис (George Ellis), космолог из университета Кейптауна, выдвинул новую гипотезу об эволюции чёрных дыр. По его мнению, эти объекты могут быть бессмертны, и современный космос, вероятно, изобилует сморщенными остатками чёрных дыр.

Идеи, высказанные в статье Эллиса, полностью противоречат общепринятым идеям знаменитого британского космолога и исследователя феномена чёрных дыр Стивена Хокинга (Stephen Hawking).

В 1974 году Хокинг подсчитал, что за счёт квантовых эффектов чёрные дыры не такие уж всепоглощающие: некоторым частицам всё же удаётся покинуть их предел выйти за горизонт событий. Этот гипотетический поток частиц назвали излучением Хокинга.

Если представить себе чёрную дыру, масса которой эквивалентная солнечной, то она должна "испаряться" в течение 1067 лет, прежде чем исчезнуть бесследно. Но чёрные дыры обладают в миллионы раз большей массой, чем Солнце, поэтому и времени им для исчезновения потребуется куда больше.

Идею о бессмертии чёрных дыр, высказанную Эллисом, физики восприняли скептически. Вопрос о том, какие квантовые эффекты можно наблюдать на этих гигантских телах, напрямую связан с извечным конфликтом между Общей теорией относительности Эйнштейна и квантовой механикой.

Кроме того, спор Эллиса и Хокинга затрагивает ещё одну важную идею, на которой зиждется наше представление о Вселенной — закон сохранения информации. Если чёрные дыры действительно со временем "испаряются", как предсказывал Хокинг, то вся содержащаяся в них информация может испариться вместе с ними.

Изучение чёрных дыр поможет в объединении двух физических теорий (иллюстрация NASA, Wikimedia Commons).

Но Эллис решает эту проблему в своей статье. Сморщенные остатки чёрных дыр по-прежнему хранят информацию, даже несмотря на то, что извлечь её уже невозможно.

С точки зрения Хокинга, квантовая теория допускает большие колебания энергии для кратких моментов времени. Как следствие, космический вакуум изобилует парами частица-античастица, которые постоянно то исчезают, то появляются вновь. Когда это происходит на горизонте событий, одна из частиц в паре засасывается внутрь чёрной дыры, а другая вылетает обратно в космос в виде излучения Хокинга и таким образом истощает массу гигантской мёртвой звезды.

Эллис же решил рассмотреть феномен этого излучения с другой стороны. Согласно Эйнштейну, любой источник массы или энергии искажает пространство и время. Чёрные дыры — объекты настолько массивные, что пространство, их окружающее, замыкается само на себе.

"Излучение Хокинга, наряду с вездесущими фотонами и космическим микроволновым фоном, лишь усилили бы искажение пространства-времени. В таком случае зона, в которой генерируется это самое излучение, должна постоянно оттеснятся внутрь горизонта событий, а если так, то уже никакая частица чёрную дыру не покинет, и излучения просто не будет. А сам объект будет удерживать одну и ту же массу", — объясняет Эллис.

"Данная работа скорее является научным эссе, чем полномасштабным исследованием. Эллис не сделал всех необходимых расчётов, касающихся искривления пространства-времени излучением", — говорит специалист в области теории струн Самир Матур (Samir Mathur) из университета Огайо. Другие физики, не принимавшие участия в работе Эллиса, также уверены в том, что из-за недостаточной точности в расчётах, гипотеза, скорее всего, неверна.

Добавим, что идея об остатках чёрных дыр, которыми якобы изобилует космос, всё же не является прямым решением проблемы бесследного исчезновения информации. По словам Матура, если бы крошечные точки содержали в себе всю информацию, которую хранили массивные чёрные дыры, то они должны были бы иметь бесконечное число внутренних состояний.

"А это уже настоящее насилие над квантовой теорией", — утверждает Матур.

В 1997 году Матур сам занимался поиском потенциального решения этой проблемы. Он и его коллеги использовали теорию струн для примирения квантовой теории и гравитации, чтобы описать все возможные состояния гравитационного поля чёрной дыры. Физики обнаружили, что эти состояния должны лежать в непосредственной близости, но за пределами горизонта событий. Если именно эта зона является истинной границей чёрной дыры, то всё сходится: нет никакого излучения Хокинга, частицы не покидают пределы объекта, а информация не исчезает.

Проблемой потери информации при испарении чёрных дыр занималась и другая группа теоретиков в 2012 году. Они предположили, что частицы в излучении Хокинга ведут себя не беспорядочно, а находятся в состоянии квантовой запутанности друг с другом таким образом, что они могут транслировать информацию из чёрной дыры. Никаким другим образом никакой сигнал не мог бы покинуть её пределы.

С одной стороны, никакие частицы не должны покидать пределы чёрной дыры, с другой − сторонники квантовой физики подобрали массу идей о том, как это может происходить (иллюстрация Alain/Wikimedia Commons).

Но и у этой гипотезы были свои недостатки: на горизонте событий в таком случае высвобождалось бы огромное количество энергии, и всё, что бы к нему приближалось, мгновенно бы уничтожалось этой энергией.

Несмотря на большое количество разногласий среди физиков и космологов, большинство из них сходятся в том, что подобные споры могут привести к оптимизации Общей теории относительности Эйнштейна и приведению её и квантовой теории к общему знаменателю.

Сегодня в расчётах, основанных на квантовой механике, приходится делать множество уступок и приближений из-за гигантской массы чёрной дыры.

Многие физики считают, что квантовая механика сама по себе размывает чёткие границы горизонта событий. Поэтому поиск новых теоретических идей, объединяющих в себе и квантовую физику, и Теорию относительности Эйнштейна — один из наиболее важных этапов познания феноменальной природы чёрных дыр.

Также по теме:
Искусственная чёрная дыра помогла визуализировать искривление света
Вселенная могла произойти от одной гигантской чёрной дыры
Наша Вселенная может быть искривлённой, а не плоской
Немецкий космолог выдвинул гипотезу о нерасширении Вселенной 
Учёные близки к пониманию того, откуда у вещей берётся масса