От горизонта до горизонта

Черная дыра. Фото: NASA

Стивен Хокинг предложил пересмотреть концепцию черных дыр

Артем Асташенков

25 января, 2014 09:03

6 мин

Горизонта событий не существует, да и черных дыр в привычном смысле — тоже. К такому выводу пришел в своей последней работе известный британский физик Стивен Хокинг. Препринт его новой статьи доступен с 22 января на портале arxiv.org, но пока еще не прошел рецензирование.

Черные дыры представляют собой области в пространстве-времени с гравитационным притяжением, настолько сильным, что его невозможно преодолеть, двигаясь даже с максимально возможной в нашей Вселенной скоростью — скоростью света. Для простоты говорят, что черную дыру не может покинуть никакая информация, поскольку самым быстрым ее носителем как раз и является фотон — квант света.

Экспериментально существование черных дыр не подтверждено, но мало кем отрицается: их присутствие во Вселенной предсказано некоторыми решениями уравнений Эйнштейна и соответствует как наиболее общепризнанной теории гравитации (общей теории относительности), так и многим альтернативным.

Границу черной дыры называют горизонтом событий. Условный космонавт, свободно падающий в черную дыру, не заметит никаких изменений, пока будет ее пересекать. Но как только он окажется на другой стороне, произойдут две вещи: во-первых, проделать обратный путь станет физически невозможно, а во-вторых, гравитационная сила начнет сжимать и вытягивать его в сторону центра черной дыры, где, предположительно, находится сингулярность — точка с бесконечной плотностью.

Однако, как и многие другие продукты общей теории относительности, концепция черной дыры плохо совместима с квантовой теорией поля. В 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры все-таки не только поглощают, но и излучают частицы, в силу квантовых эффектов вблизи горизонта событий. Это явление получило название «радиация Хокинга» или «испарение черной дыры».

Однократное излучение радиации Хокинга представляет собой пару квантово-запутанных частиц, одна из которых покидает черную дыру, а другая ею поглощается. Однако, согласно исследованиям Леонарда Сасскинда, первая частица также должна быть квантово сцеплена со всеми предыдущими единицами радиации Хокинга, испущенными черной дырой. Это противоречит принципу моногамности, согласно которому полная квантовая запутанность может существовать только между двумя системами одновременно.

Стивен Хокинг. Фото: Sarah Lee / AP

Если допустить, что квантовой сцепленности между покинувшей черную дыру частицей и предыдущей радиацией Хокинга нет, это приведет к другому парадоксу — исчезновению информации в черной дыре. Вместо этого в 2012 году физик Джо Польчински и его коллеги предложили концепцию «огненной стены» (Firewall): запутанность двух частиц, участвующих в однократном излучении радиации Хокинга, разрушается. Это высвобождает огромное количество энергии в области горизонта событий, которая «испепеляет» любой объект, падающий в черную дыру.

Проблема с «огненной стеной» в том, что разрушение объекта, движущегося через горизонт событий, противоречит общей теории относительности. По Эйнштейну, он должен подчиняться тем же законам физики, что и в любом другом месте Вселенной, и не подвергаться никаким необычным — необъяснимым в рамках ОТО — воздействиям.

Согласно новой теории Хокинга, горизонта событий в принципе нет — в том смысле, что не существует границы, которую свет не может перейти вообще. Вместо этого ученый предлагает рассматривать «кажущийся горизонт», в котором свет задерживается на неопределенно долгое время, но который он все же может покинуть при определенных условиях.

Для общей теории относительности (в которой черная дыра не изменяется) эти два горизонта идентичны. Если черная дыра поглощает больше материи и расширяется, горизонт событий расширяется вместе с ней, и кажущийся горизонт оказывается меньше его. Если дыра испаряется за счет радиации Хокинга, горизонт событий, наоборот, становится меньше кажущегося.

Теоретически, кажущийся горизонт может исчезнуть вообще. Это может случиться, например, если черная дыра уменьшится до настолько маленьких размеров, что гравитационные и квантовые эффекты будут накладываться друг на друга. Тогда все ее содержимое высвободится, причем информация о его физических свойствах сохранится, хотя и будет перемешана: модель Хокинга допускает, что в центре черной дыры нет и сингулярности — вместо этого материя, падающая в дыру, задерживается за кажущимся горизонтом и постепенно движется к ее центру, но никак не может его достичь.

«Отсутствие горизонтов событий означает, что нет и черных дыр — в смысле режимов, из которых свет не может сбежать в бесконечность», — заключил Стивен Хокинг. Комментируя это исследование журналу Nature, ученый напомнил, что полноценное объяснение процессов, происходящих со светом и информацией в черной дыре, требует «примирения» гравитации с другими фундаментальными силами природы, а это физикам не удается уже около ста лет.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе