Сабина Хоссенфельдер - Уродливая Вселенная [Как поиски красоты заводят физиков в тупик]

Черные дыры были гипотетическими объектами, однако за последние двадцать лет астрономы накопили неопровержимые доказательства [88] К этим доказательствам в 2019 году добавилось еще одно: первый «снимок» черной дыры. Участники коллаборации Event Horizon Telescope получили радиоизображение сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре галактики M87. Подробнее см.: https://elementy.ru/novosti_nauki/433463/Chernaya_dyra_galaktiki_M87_portret_v_interere . – Прим. перев. их существования, как для черных дыр звездных масс (образующихся из выгоревших коллапсировавших звезд), так и для сверхмассивных черных дыр (от 1 миллиона до 100 миллиардов масс Солнца). Сверхмассивные черные дыры обнаружены в центре большинства галактик, хотя до сих пор точно не известно, как эти черные дыры вырастают до своих размеров. Сверхмассивная черная дыра в нашей родной Галактике называется Стрелец А* (произносится «А со звездочкой»).

Лучшие эмпирические данные, доказывающие существование черных дыр, из имеющихся у нас сегодня связаны с орбитами звезд и облаков газа в окрестностях черных дыр в сочетании с отсутствием излучения, которое должно появляться, когда вещество падает на некую поверхность. Орбиты сообщают нам, какая масса стиснута в наблюдаемой области пространства, а отсутствие излучения говорит о том, что изучаемый объект не может иметь твердой поверхности.

Однако черные дыры зачаровывают не только экспериментаторов, но и теоретиков. Последних больше всего интригуют выводы, следующие из вычислений Стивена Хокинга. В 1974 году Хокинг продемонстрировал: хотя ничто не способно вырваться за горизонт событий, черная дыра все-таки может терять массу, излучая наружу частицы. Частицы так называемого излучения Хокинга порождаются квантовыми флуктуациями материальных полей вблизи горизонта событий. Частицы рождаются парами из энергии гравитационного поля. Время от времени одна частица из пары улетает прочь, тогда как вторая поглощается черной дырой, что суммарно ведет к потере черной дырой ее массы. Это излучение состоит из самых разных частиц и характеризуется температурой, обратно пропорциональной массе черной дыры, то есть чем меньше черная дыра, тем она горячее, а при испарении черная дыра нагревается.

Подчеркну, что излучение Хокинга вызывается не квантовыми эффектами гравитации, это результат квантовых эффектов вещества в искривленном неквантовом пространстве-времени. Стало быть, при вычислениях использовались только уже хорошо подтвержденные теории.

Почему испарение черных дыр так интригует теоретиков? Да потому, что излучение Хокинга не несет никакой информации (кроме значения самой температуры), оно абсолютно случайно. Однако в квантовой теории информацию нельзя уничтожить. Она может стать настолько лихо перемешанной, что фактически ее невозможно будет восстановить, но принципиально в квантовой теории информация всегда сохраняется [89] Вообще ссылаться на «информацию» здесь в некотором смысле неправильно, поскольку проблема никак не связана с тем, что конкретно эта информация означает. Беспокойство доставляет тот факт, что испарение черных дыр принципиально необратимо. . Если вы сожжете книгу, информация, содержавшаяся в ней, только кажется утерянной, а на самом деле просто трансформировалась в дым и пепел. Хотя сожженная книга пользы вам уже не принесет, противоречий с квантовой теорией не возникает. Единственный известный нам процесс, в котором информация действительно уничтожается, – это испарение черных дыр.

Вот и парадокс: мы попробовали объединить гравитацию с квантовой теорией вещества и обнаружили, что результат несовместим с квантовой теорией. Должно существовать разрешение этой проблемы, но какое? Большинство физиков-теоретиков – включая меня – считают, что нам нужна теория квантовой гравитации, чтобы ответить на этот вопрос.

До 2012 года многие специалисты по теории струн думали, что разрешили проблему потери информации с помощью калибровочно-гравитационной дуальности. Согласно этой двойственности, все, что бы ни происходило во время формирования и испарения черной дыры, можно альтернативным образом описать в рамках калибровочной теории. А в калибровочной теории мы знаем, что процесс обратим, а значит, и испарение черной дыры тоже должно быть обратимо. Это не объясняет, каким же образом информация покидает черную дыру, но демонстрирует, что в теории струн проблемы нет. Еще лучше, что с помощью этого метода специалисты по теории струн могут подсчитать, сколько есть способов сделать черную дыру – «микросостояния» черной дыры, – и результат прекрасно согласуется с вычислениями температуры, произведенными Хокингом.