ПОБЕГspkurdyumov.ru/uploads/2020/02/pobeg-iz-chernoj-dyry.pdfФизика 120 В мире...

Физика

120 Вмиренауkи|[01/02]январь/февраль2020

ФИЗИКА

ПОБЕГ

ДЫРЫИЗ ЧЕРНОЙЧтобы спасти законы квантовой механики, информация с необходимостью должна уходить из черных дыр. Новые наблюдения способны помочь прояснить, как это происходит

Стивен Гиддингс

Физика

w w w.sci-ru.org [01/02]январь/февраль2020|Вмиренауkи 121

Illus

trat

ion

by M

ondo

lithi

c St

udio

s

Физика


Загадказаключаетсявтакназываемомин-формационном парадоксе. Что происходитсинформацией вчерной дыре? Исследуяэтотвопрос,физикиобнаружили,чтосамосуществование черных дыр несовместимосквантово-механическими законами, ко-торые тем неменее правильно описываютвсеостальноевнашейВселенной.Разреше-ниеэтогопротиворечияможетпотребоватькардинальнойреволюциинашихпредстав-ленийомире,стольжеглубокой,какисвер-жениеклассическойфизикиквантовойме-ханикой.

Теоретики опробовали много подходов,нопрямых доказательств, которые по-могли бы решить эту проблему, оказалось

мало. Первое изображение черной дырыдает начало потоку реальных наблюда-тельных данных для проверки наших тео-рий.БудущиенаблюдениянаEHT—особен-но те, которые могут показать, как черныедыры эволюционируют стечением време-ни,— инедавние обнаружения гравитаци-онно-волновыми обсерваториями сталки-вающихся черных дыр могут дать важныеновые идеи ипомочь вступить вэру совер-шенноновойфизики.

Проблема информацииХотя черные дыры глубоко загадочны, онираспространены вкосмосе повсеместно.Наблюдения EHT игравитационно-волно-

еловечество впервые увидело черную дыру 10апреля 2019г.благодаряработенаучнойкомандыТелескопагоризонтасобы-тий(Event Horizon Telescope, EHT).Этотпроектпредставляетсо-бойсетьсинхронноработающихрадиообсерваторий,котораяохватываетвсюнашупланету.Командаподелиласьпопавши-мивполезрениясетиснимкамичернойдыры,расположеннойвцентресоседнейгалактикиM87.Массаэтойчернойдырыока-

заласьв6,5млрдразбольшемассынашегоСолнца.Труднопереоценитьважностьсделанногооткрытия—ведьоносталонашимпервымвзглядомнаодинизсамыхзагадочных объектов воВселенной, давно предсказанный, проявлявший себяпокосвенным наблюдениям, носам никогда непосредственно ненаблюдаемый.Вскорепоследуютещеболеезахватывающиеизображения,которыепокажутре-зультатынаблюдений,планируемыхвближайшембудущем.Намоткроютсяновыеподсказкиободнойизсамыхтаинственныхзагадокфизики.

ОБ АВТОРЕСтивен Гиддингс (Steven B. Giddings) — физик, специалист по квантовой те-ории из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Область научных интересов: теория высоких энергий, квантовые аспекты гравитации, кван-товые черные дыры.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Согласно квантовой механике, информация никогда не может быть уничтожена. Но в сочетании с общей теорией относительности квантовые правила гласят, что черные дыры уничтожают информацию. Ученые предлагают модификации классической картины черных дыр, которые могли бы разрешить парадокс, 

но не хватает доказательств, чтобы проверить новые теории. Эта ситуация меняется с появлением нового Телескопа горизонта событий (EHT), который недавно сделал первый 

снимок черной дыры, а также с гравитационно-волновыми измерениями слияний черных дыр.

Физика


Illus

trat

ion

by A

man

da M

onta

ñez

вые измерения— это всего лишь самыепоследние инадежные доказательстватого, что черные дыры, несмотря насвоюфантастичность, действительно реаль-ны имногочисленны. Однако само суще-ствование этих объектов угрожает осно-вам современной физики. Считается, чтобазовые принципы квантовой механикиуправляютвсемидругимизаконамипри-роды,нокогдаониприменяютсякчернымдырам,топриводяткпротиворечию,обна-жаянедостаткисовременныхформулиро-вокэтихзаконов.

Проблемавозникаетизрассмотренияод-ногоизпростейшихвопросов,которыемыможем задать очерных дырах: что про-исходит спопадающим вних веществом?Тут нам необходимо привести некотороеуточнение.Во-первых,согласноквантово-механическим законам вих современнойформулировке, материя иэнергия могутпреобразовыватьсяизоднойформывдру-гую: например, одни частицы могут пре-вращаться вразные частицы других ви-дов. Однако единственное, что недолжноразрушаться ни при каких процессах,—этоквантоваяинформация.Еслимызна-ем полное квантовое описание системы,томы всегда должны уметь точно опре-делить ее более раннее или более позднееквантовоесостояниебезпотериинформа-ции.Можноболееконкретносформулиро-ватьпервоначальныйвопрос:чтопроисхо-дитсквантовойинформацией,котораяпо-падаетвчернуюдыру?

Наше понимание черных дыр восходиткобщейтеорииотносительностиАльбертаЭйнштейна, которая описывает гравита-цию как возникающую изкривизны про-странства ивремени. Популярной визуа-лизациейэтойидеислужиттяжелыйшар,лежащий наповерхности батута идефор-мирующийее.Искривлениепространства-времени вызывает искривление траекто-риймассивныхтелисвета,имыназываемэто гравитацией. Если масса очень силь-но сконцентрирована вдостаточно малойобласти,тоближайшеекнейискривлениепространства-времени настолько велико,чтодажесветнеможетпокинутьобласть,ограниченную так называемым горизон-томсобытий.Этоиестьчернаядыра.Еслиничтонеспособнодвигатьсябыстреесве-та—включаяинформацию,—товседолж-нозастрятьвнутриэтойграницы.Черныедырыстановятсясвоегородакосмически-ми воронками, поглощающими информа-циювместесосветомиматерией.

Проблема информацииЧерные дыры были предсказаны общей теорией относительности, и все больше астрофизических свидетельств подтверждают их су-ществование. Но в 1974 г. Стивен Хокинг утверждал, что черные дыры в конечном итоге испаряются. Если это так, то все, что попа-дает в них, в конечном счете уничтожается, включая информацию, содержащуюся в материи, которая попала в них. Проблема в том, что квантовая механика и закон сохранения энергии запреща-ют такое разрушение информации. В ответ физики выдвинули не-сколько предложений о том, как изменить наше понимание черных дыр, чтобы сделать их совместимыми с квантовой физикой:

Черная дыра с горизонтом событий; инфор-мация, которая попадает в чер-ную дыру, раз-рушается, когда черная дыра испаряется.

Все три сцена-рия требуют модификации общепризнан-ного принципа локальности, со-гласно которому ничто, включая информацию, не может передвигаться со сверхсвето-вой скоростью.

Квантовая черная дыра взаимодей-ствует со своим окружением, воз-можно, с помощью малых флуктуаций в пространстве-времени, приводя к выходу информа-ции наружу.

Квантовое гало

Тип массивного остатка, в ко-тором «стена» частиц с высоки-ми энергиями за-мещает горизонт событий; у такого объекта нет внутренней части черной дыры.Стена из частиц

Экран

Тип массивного остатка, в кото-ром горизонт событий черной дыры заменяется струнами и гео-метрией высоких размерностей.

«Пушистый шар»

Большинство экспертов не считают эту картину убедительным решением про-блемы.

Информация не полностью по-падает в черную дыру, а вместо этого оставляет «отпечаток» снаружи, непо-средственно перед горизон-том событий.

Отпечаток информации

«Мягкие волосы»

Инф

ормация не уничтожается

Противоречие с квантовой механикой и за-коном сохране-ния энергии, со-гласно которому информация не может ис-чезнуть.

Горизонт событий

«Классическая» черная дыра

Уничтожение инф

ормации

ГИПОТЕЗА ОПИСАНИЕ ПРОБЛЕМА

Физика


EHT

COLL

ABO

RATI

ON

AN

D EU

ROPE

AN

SO

UTH

ERN

OBS

ERVA

TORY

Однако история становится все болеестранной. Возможно, величайшее науч-ное достижение Стивена Хокинга— этоего предсказание 1974г. отом, что черныедырыиспаряются.Этоутверждениеприве-ло кпоразительной идее, что черные дырыуничтожают квантовую информацию. Со-гласно квантовой механике, пары «вирту-альных частиц» появляются всегда ивез-де. Обычно такая пара, состоящая изча-стицыиеедвойника-античастицы,быстроаннигилирует. Однако если пара рождает-ся вблизи горизонта черной дыры, тоодначастица может оказаться внутри области,

ограниченной горизонтом событий, адру-гая частица— снаружи. Внешняя частицаможет уйти далеко отчерной дыры, уносяссобойэнергию.Законсохраненияэнергииговорит нам, что черная дыра таким обра-зомтеряетэнергию,поэтомуизлучениеухо-дящихчастицзаставляетчернуюдырусте-чениемвременисжиматься,покатаполно-стью неисчезнет, «испарится». Проблемазаключаетсявтом,чтоуходящиечастицы,известныекакизлучениеХокинга,практи-чески ненесут информации отом, что ра-нее попало вчерную дыру. Итак, расчетыХокинга, по-видимому, показывают, что

Гравитация искривляет свет вокруг видимой черной дыры в центре галактики M87 (изображение получено телескопом EHT)

Физика


квантовая информация, которая попадаетвчерную дыру, вконечном счете разруша-ется.Этоутверждениепротиворечитзако-намквантовоймеханики.

Указанное обстоятельство вызвало глу-бокий кризис вфизике. Впрошлом попыт-ки разрешить кризисы физических теорийприводиликпрорывнымуспехам.Так,вна-чале XXв. классическая физика, казалось,предсказывала неизбежную нестабиль-ность атомов, что явно противоречило су-ществованию устойчивого вещества. Этапроблемасыгралаключевуюрольвкванто-вой революции. Классическая физика под-разумевает,чтоиз-затого,чтоорбитальныеэлектронывнутриатомовпостоянноменяютнаправление,онипостоянноизлучают,вре-зультате чего теряют энергию испиральнопадают вядро. Однако в1913г. Нильс Борпредположил,чтоэлектронынасамомделеперемещаютсятолькопоквантованнымор-битаминемогутдвигатьсяпоспирали.Этарадикальная идея помогла заложить осно-выквантовоймеханики,котораявкорнепе-реосмыслиланашепониманиезаконовпри-роды.Некоторыеученыеполагают,чтопро-блемафинальнойстадиииспарениячерныхдырточнотакжесможетпривестикочеред-номусдвигупарадигмывфизике.

Квантовые альтернативыКогдаСтивенХокингвпервыетеоретическипредсказалиспарениечернойдыры,онсде-лалэтовпредположении,чтоквантоваяме-ханика снеобходимостью должна быть не-правильнойичторазрушениеинформацииразрешено. Однако физики вскоре поняли,чтовнесениеизмененийвквантовуюмеха-нику приведет ккардинальному наруше-ниюзаконасохраненияэнергии,из-зачего,всвою очередь, наше нынешнее описаниеВселеннойкатастрофическисойдетнанет.Очевидно,чторешениедолжнобытьнайде-нокак-тоиначе.

Другая извысказанных ранее идей за-ключалась втом, что черные дыры непол-ностьюиспаряются,авместоэтоговкакой-томоментперестаютсжиматься,оставляяпосле себя микроскопические остатки, со-держащие исходную информацию. Носо-гласномнениюнекоторыхученых,окажисьэто правдой, поосновным свойствам кван-товой физики возникли бы катастрофиче-ские нестабильности. Врезультате послед-нихприобразованииостатковчерныхдырдолжныбылибыпроисходитьвзрывыобыч-ноговещества,чтопротиворечитнаблюде-ниям.

Очевидно, что-то виспользуемых подхо-дах глубоко неправильно. Заманчиво сде-лать заключение, что недостаток заклю-чается впервоначальном анализе Хокингаичто каким-то образом информация дей-ствительноускользаетизчернойдыры,ис-пускающей излучение Хокинга. Проблемавтом, что этот сценарий будет противоре-чить основополагающей концепции совре-меннойфизики,принципулокальности,ко-торый утверждает, что информация немо-жетперемещатьсяизодногоместавдругоесверхсветовым способом— тоесть быстреескорости света. Носогласно нашему опре-делениючерныхдыр,единственныйспособуйтиотних—этопутешествоватьбыстреесвета, так что если информация действи-тельно ускользает, тоона должна делатьэтососверхсветовойскоростью,вконфлик-теспринципомлокальности.Зачетыреде-сятилетия, прошедшие смомента теорети-ческоговыводаХокинга,физикипыталисьнайти лазейку вэтом аргументе, котораяоставалась бы врамках обычной физики,однаконичегоневышло.

Недавней попыткой продвинуться даль-ше вэтих исследованиях было предложе-ние Стивена Хокинга, Малкольма Пер-ри (Malcolm Perry) иЭндрю Строминджера(Andrew Strominger). Ученые предположи-ли,чтовотличиеотначальноймоделисле-дует считать информацию никогда полно-стью невходящей вчерную дыру. Други-мисловами,информацияоставляетсвоегорода отпечаток ввиде того, что они назва-ли «мягкими волосами» (продолжая терми-нологию в ключе названия теоремы об от-сутствии волос. — Примеч. пер.), снаружичерной дыры. Однако более пристальныйанализтакоймодели,похоже,делаетееме-неереалистичной.Большинствоэкспертовневерят, что она может дать правильныйответнавопрособиспарениичернойдыры.Корочеговоря,необходимыболеерадикаль-ныешаги.

Очевидная идея заключается втом, чтоесть какая-то неизвестная физика, кото-рая предотвращает существование истин-ных черных дыр вообще. Общепринятаякартина образования черных дыр гласит,что когда очень большие звезды сгораютиумирают,ихмассаколлапсируетподдей-ствиемсилытяжестивчернуюдыру.Ночтоеслиониникогданедостигнутэтойстадииидействительно превратятся вобъектысболее«примерным»поведением?Насамомделемызнаем,чтокогдазвездысменьшеймассой, такие как наше Солнце, выгорают

Физика


иколлапсируют, они необразуют чер-ныхдыр,авместоэтогообразуютплотныеостатки— например, белые карлики илинейтронные звезды. Возможно, некоторыенеизвестныезаконыфизикитакжепрепят-ствуютобразованиюбольшихзвездизчер-ных дыр ивместо этого приводят кформи-рованиюсвоегорода«массивныхостатков»,которые больше похожи нанейтроннуюзвезду,чемначернуюдыру.

Проблема споследним предположени-ем заключается втом, что нет возможно-сти объяснить причину устойчивости та-ких объектов, поскольку ни один изиз-вестных физических процессов недолженпрепятствовать непрерывному коллапсуподдействиемгравитации.Другимислова-ми,любаявоображаемаяфизика,врамкахкоторойтакоеоказалосьбывозможным,по-требовала бы, по-видимому, обмена сверх-световыми сигналами отодной части кол-лапсирующеговеществакдругой.Насамомделеобычныебольшиечерныедырымогут

образовываться извещества сочень низ-койплотностью.Например,еслибычернаядырамассой6,5млрдсолнечныхмассвM87возникла врезультате коллапса пылевогооблака (что теоретически возможно, хотянасамом деле процесс был, по-видимому,более сложным), тоэто могло бы произой-ти,когдапыльдостиглаплотностивоздуханавершине Эвереста. (Воздух навершинеЭвереста необразует черной дыры, потомучто его количества недостаточно; для это-го потребуется накопить 6,5млрд солнеч-ных масс.) Какой-то принципиально дру-гой иктому же сверхсветовой физическийпроцессдолженбылбывзятьверхврежименизкойплотности,чтобымгновеннопреоб-разоватьколлапсирующееоблаковмассив-ный остаток вместо того, чтобы позволитьчернойдыреобразоваться.

Продолжая развивать мысль врусле пре-дыдущей идеи, можно предположить су-ществование чего-то такого, что можетзаставить черные дыры превращатьсявмассивные остатки, содержащие исход-ную информацию, уже после того, как они

сформируются, нозадолго дотого, как онииспарятся.Однакотакойвариантсновапо-требуетнелокальнойпередачиинформацииизнедрначальнойчернойдырывконечныйостаток.

Несмотрянаобнаруживаемыетрудности,физикиисследоваливерсииобоихэтихсце-нариев. Так, в2003г. Самир Матур (SamirMathur) выдвинул предложение, основан-ноенатеорииструн.Согласноэтойтеории,фундаментальные частицы— это крошеч-ныеструны(колебания крошечных струн. — Примеч. пер.).ИдеяМатурасостоялавтом,что черная дыра превращается вэтакий«пушистый шар», своего рода массивныйостаток, или что этот «пушистый шар» во-общеобразуетсявместочернойдыры.Бла-годаря сложной физике теории струн иееучетубольшего,чемтрадиционныечетыреизмерения, пространства-времени, у«пу-шистыхшаров»можетбытьсложнаягеоме-трияболеевысокихизмерений;вместорез-кой традиционной границы черной дырынагоризонте событий у«пушистого шара»будет более размытая ибольшая граница,где мы сталкиваемся сострунами игеоме-триейболеевысокихизмерений.

Вкачестве альтернативы более поздняяверсия сценария остатка— это предполо-жение, что вместо черной дыры сгоризон-томсобытийобразуетсямассивныйостатоксповерхностным защитным «экраном» ча-стиц высокой энергии, где будет горизонт.Этот экран испепелит все, что сним стол-кнется,превративвсевчистуюэнергию,ко-торая добавится кэнергии самого экрана.Иэкран, и«пушистый шар», однако, разде-ляют проблему необходимости нарушенияпринципа локальности, ирезультирующиеобъектыбудутиметьдругиесвойства,кото-рыеоченьтруднообъяснить.

Изменяя локальностьОбщее положение втеориях массивногоостатказаключаетсявтом,чтосохранениеквантовоймеханики,по-видимому,требуетнарушения принципа локальности. Ноне-брежное обращение сним, как ожидается,будет столь же катастрофичным, как ииз-менение квантовой механики, и, посути,приведеткдругомупарадоксу.Вчастности,законы теории относительности говорят,чтоесливыпосылаетесигналбыстреесветавпустом плоском пространстве, тонаблю-датели, путешествующие мимо вас свысо-койскоростью,увидятсигнал,идущийна-зад вовремени. Парадокс возникает пото-му,чтоэтотсверхсветовойобменсигналами

Сами наши представления о пространстве и времени,

лежащие в основе остальной науки, по-видимому, требуют

значительного пересмотра

Физика


позволяетвамотправитьсообщениеввашепрошлое, например, попросить кого-тоубитьвашубабушкудорождениявашейма-тери.

Хотя такой ответ, по-видимому, проти-воречит фундаментальным физическимпринципам, он заслуживает более при-стального внимания. Изменение принци-па локальности кажется безумным, номыненашлиальтернативы,котораяегонеме-няет.Серьезностьвопросаоприродекризи-са черных дыр настоятельно предполага-етвведениенекотороготонкогонарушенияпринципа локальности, которое непорож-дает подобных парадоксов. Иначе гово-ря, квантовая механика подразумевает,что информация никогда неуничтожает-ся, поэтому информация, которая попада-етвчернуюдыру,вконечномсчетедолжнауйти,возможно,черезкакую-тоновую,тон-кую«делокализацию»информации,котораяможет стать ясной, когда мы наконец най-демспособобъединитьквантовуюмехани-ку сгравитацией. Последняя задача пред-ставляетсобойоднуизсамыхглубокихпро-блем современной физики. Насамом деле,унасестьидругиепричиныдумать,чтота-кая тонкость может присутствовать. Самаидея локализованной информации— то,чтоонаможетсуществоватьводномместе,аневдругом,—болеесложнавтеориях,ко-торыевключаютгравитацию,чемвтех,ко-торыеэтогонеделают,потомучтогравита-ционныеполяпростираютсядобесконечно-сти,усложняяконцепциюлокализации.

Еслиинформациядействительноусколь-зает отчерной дыры, последняя можетнепотребовать столь очевидного ирезко-гоизменения,какобразованиемассивногоостатка,будьто«пушистыйшар»,экраниличто-то иное. Растущее число свидетельствсуществования черных дыр говорит отом,чтовоВселеннойестьобъекты,которыевы-глядятидействуютвомногомкакклассиче-скиечерныедыры,безбольшихотклоненийотпредсказанийЭйнштейна.Настольколикардинально неверна общая теория отно-сительности Эйнштейна всвоем описаниичерных дыр или могут быть какие-то бо-лее безобидные, неизвестные внастоящеевремяэффекты,которыеделокализуютин-формацию ипозволяют ей просачиватьсяизчерных дыр, избегая такого драматиче-скогообрушениянашейкартиныпростран-ства-времени?

Вмоей недавней теоретической рабо-те я нашел два возможных варианта та-ких эффектов. Водном случае геометрия

пространства-временивблизичернойдырыизменяется:онаискривляетсяиидетрябьюопределенным образом, зависящим отин-формации вчерной дыре. Эти изменениянезначительны, «мягки»— другими слова-ми,онинеразорвуткосмонавта,пересекаю-щегогоризонтсобытий.Втакомсценарии(яназвал его «сильным») мерцание простран-ства-времени может передавать информа-цию.Интересното,чтоятакжеобнаружилсуществование более тонкого, квантово-го способа выхода информации изчернойдыры. Вэтом сценарии (я назвал его «сла-бым»)дажекрошечныеквантовыефлуктуа-циигеометриипространства-временивбли-зичернойдырымогутпередаватьинформа-цию частицам, исходящим изэтой чернойдыры. Количество переданной информа-ции все еще достаточно велико для того,чтобыспастиквантовуюмеханику,потомучточернаядыраможетсодержатьогромноеколичество возможной информации. Влю-бом случае черная дыра фактически име-ет«квантовоегало»,окружающееее.Вэтомгало взаимодействия передают информа-циювнегожеобратно.

Примечательно,чтоэтисценарии,несмо-трянакажущуюсянеобходимостьсверхсве-товогоперемещенияинформации,необяза-тельно порождают парадокс путешествияназад вовремени. Обмен информацион-ными сигналами здесь связан ссущество-ванием черной дыры, которая имеет гео-метрию пространства-времени, отличнуюотгеометрии плоского пространства, такчто ранее высказанный аргумент обобще-нииспрошлымбольшенеимеетсилы.Этивозможностипровокационнысдругойточ-ки зрения: принцип локальности— это то,чтопрепятствуетнашемусобственномупу-тешествиюбыстреесвета;квантоваямеха-ника черных дыр, кажется, дает указаниянанечтонеправильноевнынешнейформу-лировкеэтогопринципа.

Переписывая законы физикиДо сих пор сценарий существования рас-смотренного выше квантового гало небылпредсказанникакойрасширеннойфизиче-скойтеорией,совмещающейквантовуюме-ханику сгравитацией. Однако такой сце-нарийимеетправонасуществованиеиз-занеобходимостирешенияпроблемыиисходяизпредположений, основанных нанаблю-дениях.Еслитакойсценарийверен,он,ве-роятно,представляетсобойприблизитель-ное описание более глубокой реальности.Сами наши представления опространстве

Физика


ивремени,лежащиевосновеостальнойна-уки, по-видимому, требуют значительно-го пересмотра. Моя работа попониманиючерных дыр может оказаться сродни пер-вымпопыткаммоделированияфизикиато-маНильсомБоромидругимиучеными.Этиранние описания атомов также были при-ближеннымиилишьпозднеепривеликглу-бокой теоретической структуре квантовоймеханики. Хотя изменение принципа ло-кальности кажется слишком смелым ша-гом, мы могли бы найти утешение, заме-тив,чтозаконыквантовоймеханикитакжеказались очень безумными для классиче-ских физиков, борющихся сих открытием.Учитывая огромную трудность ввыясне-нии истории квантовых черных дыр ипо-иске более полной теории, описывающейих, физики стремятся кполучению экспе-риментальных инаблюдательных след-ствий, которыми можно было бы руковод-ствоваться.Захватывающиепоследниедо-стижения дали человечеству два прямыхокнадлянаблюдениязаповедениемчерныхдыр.Вдополнениекизображениямчерныхдыр спомощью EHT Лазерно-интерферо-метрическая гравитационно-волновая об-серватория (LIGO) исотрудничающие снейпроекты начали обнаруживать гравитаци-онные волны отстолкновений между чер-ными дырами. Гравитационные волны не-сут ссобой ценную информацию освой-ствахиповедениипородившихихобъектов.

Снаивнойточкизрениякажетсяабсурд-ным, что EHT или LIGO могли обнаружитькакое-либо отклонение отописания чер-ныхдырЭйнштейном.Традиционносчита-лось,чтоеготеориянуждаетсявмодифика-циитолькотогда,когдакривизнапростран-ства-времени становится чрезвычайнобольшой вблизи центра черной дыры; на-против,кривизнаоченьслабавблизигори-зонтабольшойчернойдыры.Ноописаннаямнойпроблемапотериинформацииговоритобобратном.Внастоящеевремячастьнауч-ногосообществапришлакмнению,чтодляописания явлений, происходящих нетоль-коглубоковнутричернойдыры,ноизаго-ризонтом, необходимы некоторые измене-ния всуществующих законах физики. По-хоже, мы перешли Рубикон. Для случаячернойдырывM87расстояние,накотороммыожидаемнайтиотклоненияотклассиче-скихпредсказаний,внесколькоразпревы-шаетразмернашейСолнечнойсистемы.

Проекты LIGO иEHT уже исключили бо-лее экзотические возможности, которыеможнобылобырассмотретьвпопыткедать

логическипоследовательноеописаниечер-ныхдыр.Вчастности,еслибычерныедырыбыли заменены массивными остатками,более чем вдвое превышающими диаметрпредполагаемой черной дыры, томы быувидели признаки вобоих экспериментах.ВслучаеEHTб льшаячастьсвета,которыйдализвестноетеперьизображение,исходитизобласти,примерновполтораразапревы-шающейдиаметргоризонтасобытий.ИдляLIGO часть зарегистрированного гравита-ционно-волнового сигнала также произво-дитсяизобласти,гдесталкивающиесяобъ-ектыдостигаютстольжемалыхвзаимныхрасстояний. Хотя изучение этих сигналоввсеещенаходитсянараннихстадиях,EHTиLIGO выявили очень темные иочень ком-пактныеобъекты,которыепроизводятточ-но такие же сигналы, как предсказанныедля«классических»черныхдыр.

Тем неменее важно исследовать эти сиг-налы детально. Достаточно тщательныйанализмогбынасамомделеоткрытьболь-шеключейкквантовойфизикечерныхдыр.Дажееслиникакихновыхэффектовнаблю-даться небудет, мы уже сейчас получаеминформацию, которая ограничивает воз-можные описания квантового поведениячерныхдыр.

Остатки большого диаметра теперь ис-ключаются,нокакнасчетсценариевостат-ков, которые изменяют описание чернойдыры только очень близко кгоризонту?Хотя полное обсуждение потребовало быболее полной теории этих остатков— та-ких как «пушистые шары» или экраны,—унас есть некоторые начальные указания.Вчастности,еслибыэтиобъектыимелира-диусы,чутьпревышающиерадиуссоответ-ствующегогоризонтачернойдыры,товпол-невероятно,чтонинаблюденияEHT,нина-блюденияLIGOнесмоглибывыявитьтакуюструктуру,потомучтооченьмалосветаилигравитационного излучения выходило быизобласти, настолько близкой кгоризонтусобытий.

Одно возможное исключение— это гра-витационное «эхо». Как впервые предложи-ли в2016г. Витор Кардосо (Vitor Cardoso)изЛиссабонского университета, ЭдгардоФранцин(EdgardoFranzin)изБарселонско-го университета иПаоло Пани (Paolo Pani)изРимского университета, если два такихостатка объединяются, образуя конечныйостаток, обладающий сходными свойства-ми, тогравитационные волны могут от-ражаться отповерхности объединенногоостатка ибыть наблюдаемыми. Вто время

Физика


как большинство близких кгоризонту сце-нариев трудно исключить спомощью на-блюдений, нелегко также объяснить, кактакие структуры могут быть устойчивы-ми,неразрушатьсяподсобственнымвесомсобразованием черных дыр. Конечно, этообщая проблема для всех сценариев смас-сивнымиостатками,ноонастановитсяещеболеесложнойприналичииэкстремальныхсилвтакомстолкновении.

Перспективылучшедлятестированията-ких сценариев, где новые взаимодействияведутсебякакмалыеизменениягеометриипространства-времени, нопростираютсядалекозагоризонт.Например,вмоем«силь-ном» сценарии дрожание квантового галочернойдырыможетисказитьсвет,проходя-щийвблизиэтойчернойдыры.Еслитакойсценарийверен,томогутвозникнутьиска-жения изображений EHT, которые изменя-ютсясовременем.

Вмоем совместном труде сработаю-щимнаEHTученымДимитриосомПсалти-сом (Dimitrios Psaltis) мы обнаружили, чтоэти изменения могут произойти примернозачасдлячернойдырывцентренашейГа-лактики. Поскольку EHT объединяет мно-гочасовые наблюдения всреднее значение,тотакие эффекты трудно увидеть. ОднакозасоответствующеевремяфлуктуациидлячернойдырывM87,котораяболеечемвты-сячуразбольше,этавеличинасоставитужедесятки дней ибольше. Наша работа пред-полагает, что следует искать эти искаже-ния, используя более длительные наблю-денияEHT,чемпервоначальныйсемиднев-ный период проекта. Если бы экспериментобнаружил такие искажения, это был бывпечатляющий ключ кквантовой физикечерных дыр. Если же они непоявятся, этобудет указанием наболее тонкий «слабый»квантовыйсценарийилиначто-тоещебо-лееэкзотичное.

«Слабый»сценарийтруднеепроверитьиз-за относительной малости ожидаемых из-мененийгеометрии.Однакопредваритель-ноеисследованиепоказывает,чтоэтотсце-нарий может изменить способ поглощенияилиотражениягравитационныхволн,воз-можно, приводя кзаметному изменениюгравитационно-волновыхсигналов.

Окажись верным любой изэтих сценари-ев— имы узнаем больше нетолько отом,чтотакоеквантовыечерныедыры,ноиобо-лее глубоких законах природы. Сейчас мынедоконцапонимаем,кактрактоватьприн-циплокализацииинформацииприналичиигравитационных полей. Квантовая физика

предполагает, что само пространство-вре-мя— нефундаментальная часть физики,новозникает лишь как приближение болеефундаментальной математической струк-туры. Доказательства квантовых эффектовчерных дыр могут помочь сделать эту кон-цепциюболееконкретной.

Длятогочтобыпонятьбольше,важнорас-ширить иулучшить как измерения EHT,так игравитационно-волновые измерения.Вслучае EHT было бы полезно осущест-влять значительно более длительные на-блюдения, атакже получать изображениядругих целей, таких как центральная чер-ная дыра нашей Галактики, которые ожи-дается получить вближайшем будущем.Для гравитационно-волновых наблюденийважно повышать чувствительность. Рядыгравитационно-волновых детекторов ско-ропополнятсяпроектамиЯпониииИндии,которыебудутдобавленыкужесуществую-щимпроектамвСШАиЕвропе.Крометого,необходимысерьезныедополнительныете-оретические усилия для уточнения сцена-риев,выясненияихпроисхожденияимате-матическихобоснований,атакжедляболеетщательнойоценкивопросаотом,насколь-косущественноонимогутвлиятьнаожида-емыесигналыEHTилигравитационно-вол-новыесигналы.

Каким бы ни оказалось решение пробле-мы существования ииспарения черныхдыр, эти объекты содержат важнейшиеключи косновам квантовой физики грави-тации, атакже ксамой природе простран-ства ивремени. Как ивслучае сатомомиквантовой механикой, лучшее понима-ниечерныхдыр,вероятно,поможетнапра-вить следующую концептуальную револю-цию вфизике. Наблюдения EHT играви-тационных волн потенциально могут датьнамключевуюинформацию,либоисключивсценарии квантовых черных дыр, либо от-крывновыеявления,связанныесними.

Перевод: О.С. Сажина

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ

ПолчинскиД.Огненнаяграньмиров//ВМН,№5–6,2015.

ParticleCreationbyBlackHoles.StephenW.HawkinginCommunications

inMathematicalPhysics,Vol.43,No.3,pages199–220;August1975.

JerusalemLecturesonBlackHolesandQuantumInformation.DanielHar-

lowinReviewsofModernPhysics,Vol.88,ArticleNo.015002;February2016.

BlackHolesintheQuantumUniverse.StevenB.GiddingsinPhilosophical

TransactionsoftheRoyalSocietyA,Vol.377,ArticleNo.20190029;Novem-

ber2019.

ПОБЕГspkurdyumov.ru/uploads/2020/02/pobeg-iz-chernoj-dyry.pdfФизика 120 В мире...

Documents

Transcript of ПОБЕГspkurdyumov.ru/uploads/2020/02/pobeg-iz-chernoj-dyry.pdfФизика 120 В мире...