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.

Это привело к проблеме, получившей название информационного парадокса. В то время как теория относительности предполагает, что информация о материи, попавшей в черную дыру, будет утрачена, квантовая механика заставляет думать, что она в конце концов спасется. Хокинг утверждал, что случайная природа радиации Хокинга означает, что энергия может спастись, а информация не может. Он 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.

Стимулом для переосмысления стала теория струн, наша попытка объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. Теория, которой уже 20 лет, гласит, что пространство-время и все, что в нем находится, состоит из вибрирующих струн, таких малых, что удачей было бы даже получение косвенных доказательств их существования. Ее привлекательной стороной является обещание, что она объединит общую теорию относительности с квантовой механикой, поскольку струны одного типа обладают силой гравитации, а вибрация струн случайна, как предсказано квантовой механикой.

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.

Стромингер и Вафа подсчитали, сколькими способами могут быть организованы струны в этих черных дырах, и обнаружили, что это количество на удивление велико.

Подсчет объявили серьезным подтверждением теории струн. В 1970-е года Хокинг и Джейкоб Бекенштейн, работавший тогда в Принстоне, вычислили энтропию черной дыры, используя квантовую механику. Энтропия объекта, является, грубо говоря, мерой количества информации, которую он содержит. Случилось так, что количество способов организации струн в черной дыре, подсчитанное Стромингером и Вафой, точно совпало с энтропией, вычисленной Хокингом и Бекенштейном.

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.

Концепция ворсистого шарика также ставит под сомнение идею о том, что черная дыра уничтожает информацию. Масса струн проходит весь путь до ворсистого горизонта явления. Это означает, что информация может храниться в струнах и отпечатывается на радиации Хокинга.

Так что же происходит с информацией, попадающей в черную дыру? Представьте себе, что вы наливаете сливки в черный кофе. Капните кофе и сливки в черную дыру старого стиля, и они уйдут в сингулярность и будут потеряны. Вы никогда не увидите результатов смешивания. Но, если вы капнете кофе и сливки на ворсистый шарик Масура, информация о смешивании кофе со сливками будет закодирована в вибрации струн. Выходящая оттуда радиация Хокинга может нести подробную информацию о том, что произошло с каждой частицей сливок и каждой частицей кофе. "Информационной проблемы не существует. Это как с любым шариком из ваты", - говорит Масур. Это предварительная картина, предупреждает Вафа. Масур еще не подсчитал, как применяется модель к большим черным дырам и не знает, как черная дыра эволюционирует со временем.

Гари Хоровиц из Университета Калифорнии и Хуан Мальдасена из Института передовых исследований в Принстоне недавно тоже выдвинули предположение, что информация может выходить из черной дыры. Но, в отличие от Масура, они считают, что в центре черной дыры все же есть сингулярность. Они предположили, что информация может выходить посредством квантовой телепортации. Это позволяет мгновенно передавать состояние одной частицы другой. Поэтому Хоровиц и Мальдасена считают, что информация может исходить от материи, ударяющейся о сингулярность, с радиацией Хокинга.

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.

Похоже, это создает проблему для Хоровица и Мальдасены. Но прошлым летом Сет Ллойд из Массачусетского технологического института понял, что все эти помехи фактически взаимно уничтожают друг друга. Затем Ллойд вычислил, что информация, которую черная дыра может удерживать постоянно, это лишь малая толика, все остальное в конце концов уходит. 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.

Коммуникация черных дыр

Но если Элис бросит свою частицу в черную дыру, результаты измерений, как установили ученые, сразу же отразятся на квантовом состоянии черной дыры. Это окажет дополнительное влияние на частицу Боба, которое можно определить и без дополнительной информации от Элис. 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.

Сценарий беспокоит и теоретика квантовой гравитации Теда Джейкобсона из Университета Мериленда, который считает, что информация, попадающая в черные дыры, пропадает навсегда для всего, что находится вне черной дыры. Он считает гипотезу о телепортации неубедительной. "Я отношу ее к категории отчаянных попыток заставить информацию выйти", - говорит он. Да и сами ученые не уверены в том, что они правы. "Мы предположили такую возможность", - говорит Хоровиц, который признает, что пока не находит прочных оснований в теории струн. "Поэтому я не могу сказать, что мы уверены в правильности картины".

Джейкобсон утверждает, что связь между внешним пространством и внутренностью черной дыры в теории струн настолько сложна, что невозможно быть уверенным в том, что исключена возможность утечки информации из нашего пространства-времени. "Почему люди так боятся сингулярности?"

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".

Предметом яростных споров является вопрос о том, может ли информация спастись из черной дыры или она там уничтожается. Но может появиться и третий вариант. Одна из теорий, противоречащих теории струн, называется петлей квантовой гравитации. Одним из первых ее предложил Ли Смолин из Ватерлоо. Она предполагает, что пространство-время состоит из петель, еще меньших, чем струны. Вместе петли образуют сеть из узлов и ветвей. Преимущество этой модели заключается в том, что само пространство-время может выстраиваться из таких сетей.

Абай Аштекар из Университета Пенсильвании и Мартин Бойовальд из Института гравитационной физики имени Макса Планка в Кельне изучают модель черной дыры, созданную на основе применения спиновых сетей. Они обнаружили уравнения, которые описывают пространство-время способом, применимым даже к сингулярности. Это отличается от привычной картины, в которой физические уравнения нарушаются при сплющивании пространства-времени. Это означает, что информация, достигающая сингулярности, может уцелеть, закодированная в спиновых сетях. Насколько могут сказать Аштекар и Бойовальд, информация, заключенная в черной дыре, не может выйти с радиацией Хокинга. Но, если подождать достаточно долго, она может выжить и соединиться со Вселенной, когда черная дыра испарится.

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?

Гиганты Вселенной

В то время как не прекращаются дебаты о том, что же такое черные дыры, астрономические доказательства того, что каждая галактика строится вокруг сверхмассивной черной дыры, сильны как никогда.

Наблюдения, сделанные с помощью космического телескопа Hubble, показывают, масса ядра каждой галактики в миллионы раз больше, чем масса нашего Солнца. Чем больше масса, тем больше размер "галактической выпуклости", количество звезд, сконцентрированных вокруг центра галактики.

Скорость, с которой звезды вращаются вокруг центра галактики, отражают массу объекта, вокруг которого они вращаются, а тщательные измерения могут дать представления и о его размере. О нескольких галактиках, включая Млечный путь, известно, что масса их центра втиснута в пространство, диаметр которого лишь в несколько раз больше расстояния от Земли до Солнца, и это заставляет предположить плотность, свойственную черной дыре.

Некоторые молодые галактики выбрасывают значительную радиацию и рентгеновское излучение. Линии рентгеновского спектра смещаются, как если бы лучи стремились вырваться из сильного гравитационного поля сверхмассивной черной дыры.

Ближе всего к центру нашей галактики находится яркий и компактный источник радиации, который называется Стрелец А. Исходящие из него рентгеновские лучи улавливает рентгеновский телескоп Chandra, и считается, что это умирающие фрагменты материи, падающей в сверхмассивную черную дыру.

Маленькие черные дыры

Чтобы найти черную дыру, не надо отправляться в космос: миниверсии можно создать прямо на Земле. Некоторые физики утверждают, что это станет возможным, когда вступит в строй самый мощный в мире ускоритель частиц, что должно произойти в 2007 году.

Сейчас ускоритель Large Hadron Collider строится в лаборатории CERN в Женеве. Он будет сталкивать протоны при энергии в 14000 млрд вольт. Этого может оказаться достаточно для того, чтобы каждую секунду создавать несколько черных дыр, и в результате выяснится, что идея о пока неизвестных законах физики верна. Каждая дыра будет весить не более нескольких микрограммов, а по размерам будет не больше пылинки.

Полагают, что черная дыра формируется, когда ядро массивной звезды разрушается под собственной тяжестью. Для того чтобы это произошло, нужны огромные количества материи, весом больше, чем несколько солнц.

Но специальная теория относительности дает подсказку, касающуюся создания черных дыр в лаборатории. Эйнштейн использовал теорию, чтобы доказать, что энергия эквивалентна материи. Это означает, что черные дыры тоже должны появляться, когда большие количества энергии концентрируются в одной точке, а именно это и происходит, когда частицы сталкиваются при высокой энергии.

Но есть и препятствие. Наши нынешние знания о частицах и силах, действующих между ними, говорят о том, что минимум энергии, необходимый, чтобы создать черную дыру, в 10 млн миллиардов раз больше, чем может произвести новый ускоритель LHC. А вероятность создания ускорителя частиц, способного достичь такой энергии, практически равна нулю.

Но в прошедшие годы перспективы создания черных дыр в лаборатории улучшились. Этим мы обязаны теории, которая утверждает, что гравитация намного сильнее, чем мы думаем. Чтобы гравитация имела значение в повседневной жизни, нужны огромные массы, и это ставит физиков в тупик. Некоторые полагают, что это можно объяснить наличием у пространства дополнительных измерений, которых может достичь только гравитация. Сила гравитации перетекает в них, а наша вселенная и частицы удерживаются в трех измерениях, как пыль на поверхности мыльного пузыря.

Если эта идея верна, гравитация может быть намного сильнее, когда применяется на столь малых расстояниях, что утечка в другие измерения невозможна. Накопления достаточного количества энергии в пространстве 10-20 метров может оказаться достаточным для создания черной дыры.

Они будут исчезать в течение 10-26 секунд, теряя массу за счет излучения энергии, как предсказал Стивен Хокинг. Группа во главе с Роберто Эмпараном в Университете Страны Басков рассчитала, что радиация Хокинга должна появиться, когда детекторы могут обнаружить частицы. Если Эмпаран прав, LHC может впервые доказать излучение радиации Хокинга из черной дыры.

Компьютерная модель, созданная Брайаном Вебером из Кембриджа создает минидыры в результате столкновений в стиле LHC. Модель показывает, что структуры могут распадаться на большое количество заряженных частиц, которые распыляются по всему детектору. Если теория верна, ученые увидят множество поразительных явлений. Измеряя энергию и скорость излучаемых частиц, они надеются определить массу этих маленьких чудес.