Генрих Эрлих - Легко ли плыть в сиропе. Откуда берутся странные научные открытия

Сильная деформация пространства внутри черной дыры ведет к серьезным проблемам с вычислением объема. В обычном, недеформированном мире всё просто: перемножаем высоту на ширину и длину и получаем объем. Внутри дыры не так. В частности, проблема состоит в том, что радиальная координата (а расчеты внутри дыры ведут в сферической системе, которая задана радиусом и двумя углами) – это не только способ измерения расстояния от поверхности дыры в ее глубь, но еще и способ измерения времени; фактически внутренность дыры – это растущий четырехмерный цилиндр. Его надо нарезать на слои равного значения времени и потом из них складывать объем дыры, что не раз делалось разными способами и с разными количественными результатами.

В некоторых случаях внутри черной дыры с массой, равной массе Солнца, помещалась целая вселенная – и даже наша Вселенная, по мнению некоторых теоретиков, уместилась бы внутри какой-нибудь черной дыры, причем в качестве ее границы мы видим ту самую сингулярность, с которой все и началось почти 14 млрд лет тому назад. Более консервативная оценка дает просто гигантский, но конечный объем. Например, черная дыра, находящаяся в центре Галактики, имеет видимый снаружи радиус 10 6км, а возраст – 10 9лет. Подставляя эти данные в формулу, Мариос Христодулу и Карло Ровелли из Тулонского университета подсчитали, что ее объем сейчас равен 10 34км 3, то есть она способна вместить миллионы Солнечных систем [40] M. Christodoulou and C. Rovelli. How big is a black hole? arXiv:1411.2854v3 [gr-qc] 16 Mar 2015. . Таким образом, рассуждения о плотности вещества в черной дыре при ее переменном объеме, как и мысли о том, хватит ли места для поглощаемой материи, лишены смысла.

Наличие внутри дыры сингулярной бездны совсем не радует физиков. Наученные горьким опытом краха классической физики в начале XX века, они знают: когда что-то становится бесконечным, значит, проблема не с физической реальностью, а с теорией, которая перестает эту реальность описывать. Причина в данном случае понятна: деформация пространства-времени с некоторого момента оказывается неподъемной для существующих методов расчета. Чтобы исправить ситуацию, физики обращаются к квантовой механике и пытаются придумать теорию квантовой гравитации. Она еще не создана, однако отдельные интересные идеи на этом пути удается сформулировать.

Возможно, самым значимым на этом пути стало явление Стивена Хокинга, который сумел вывести часть материи из черной дыры с помощью излучения, названного его именем. Сделал он это, развивая идеи советских физиков В. Н. Грибова, Я. Б. Зельдовича и А. А. Старобинского. Суть их состоит вот в чем. В основе квантовой механики лежит представление о том, что положение каждого объекта задается не конкретным числом, а вероятностью его нахождения в данном месте или состоянии, но точному определению мешает соотношение неопределенности, выраженное через постоянную Планка. С ее помощью удается задать масштаб, на котором еще имеет смысл говорить о непрерывном пространстве-времени. Соответствующие числа называют планковским масштабом: планковская длина 1,6∙10 −35м, время 5,4∙10 −44с, масса 2,1∙10 −8кг. На планковском масштабе расстояний и времен вакуум становится пеной из виртуальных частиц, которые порождаются парами «частица – античастица» и мгновенно исчезают, как будто ничего и не было. Если же такая пара возникнет вблизи горизонта событий черной дыры, то одна из частиц может туннелировать внутрь, и тогда оставшейся снаружи частице не с кем станет сливаться. Она и полетит прочь, унося часть энергии, а стало быть, и массы черной дыры.

Тонкости этого процесса обсуждают многие исследователи, вывод же получается такой: с течением времени черная дыра, если в нее не поступает новая материя или скорость такого поступления мала, будет испаряться. И чем меньше дыра, тем более тяжелые и энергичные частицы из нее полетят. Поэтому в конце концов дыра взрывается, выплескивая из себя всю энергию, что оказалась свободной. Как выясняется, это отнюдь не вся энергия, накопленная в дыре: часть энергии скована энтропией. Получается неуничтожимый остаток черной дыры, материя в котором заключена навсегда. Считается, что подобные остатки дыр – неплохие кандидаты на роль темной материи.

А можно ли узнать, что за материя остается в черной дыре? Единства мнений по этому вопросу нет. С одной стороны, излучение Хокинга таково, что по нему нельзя ничего узнать о происходящем внутри. Его спектр отвечает спектру абсолютно черного тела, то есть определяется так называемой температурой дыры, а она, в свою очередь, зависит от массы: чем дыра легче, тем выше температура. Это плохо, потому что в результате теряется информация о той второй частице, что провалилась в дыру, такая потеря информации противоречит основам квантовой механики. Но с другой стороны, можно попытаться найти выход. Например, такой: вследствие квантовой запутанности состояние улетевшей прочь частицы связано с состоянием упавшей внутрь. При этом с течением времени по мере излучения черная дыра стареет – наполняется оставшимися партнерами улетевших частиц. Тогда, если бы всех их поймать и измерить состояния, можно было бы и "пообщаться" с теми, что пребывают в дыре. Этот подход также несовершенен, поскольку начиная с некоторого времени новая испаряющаяся частица оказывается связанной с теми, что уже вылетели, а такое столь же недопустимо, как и исчезновение информации.