Может ли квантовая механика стать ключом к разгадке?
Есть вероятность, что мы неправильно понимаем черные дыры.
Физики долгое время предполагали, что черные дыры просты: массивные гравитационные объекты, неизбежные тюрьмы из подавляющего количества материи и пространственно-временного коллапса.
Но чем больше мы их изучаем, тем больше черных дыр отказываются сотрудничать с этой картиной, порожденной общей теорией относительности Альберта Эйнштейна — всеобъемлющей моделью, объясняющей работу гравитации в огромных масштабах. Оказывается, мы не до конца понимаем, что происходит в центрах или на границах черных дыр. Черные дыры могут быть даже не совсем черными, поскольку они могут испускать небольшое количество излучения. И, возможно, самое неприятное, что они плохо сочетаются с нашими все более устойчивыми представлениями о том, как энергия и материя, вероятно, работают в крошечном квантовом масштабе.
Черные дыры, возможно, не единственные гигантские квантовые создания в нашей вселенной.
Вот почему некоторые новые исследования указывают в другом направлении. Что, если, мы начнем понимать черные дыры не столько как гравитационные тела, сколько как квантовые объекты? Возможно, они отказались соответствовать нашим традиционным гравитационным моделям, потому что на самом деле являются крупнейшими из существующих квантовых объектов.
Особый интерес представляет то, что происходит в центре черной дыры. В этих местах наши классические представления о гравитации и относительности рушатся, поэтому физики попытались перейти к громоздким квантовым вычислениям, чтобы попытаться определить, что может происходить.
В своей статье физики Никко Джон Лео Лобос и Реджи Пантиг из Технологического института Филиппин и Технологического института Мапуа на Филиппинах, соответственно, проводят мысленный эксперимент по изучению черных дыр как макроскопических следствий квантового мира — вместо того, чтобы пытаться привить квантовую механику к гравитационному описанию из общей теории относительности.
В квантовом объекте преобладает неопределенность, где физики должны использовать “нечеткие” правила квантовой механики, чтобы строить догадки или предсказания (электрон может быть вон там, а может и наоборот), а не чистые, точные результаты, предлагаемые классической макроскопической физикой. Одним из таких нечетких правил является принцип неопределенности Гейзенберга, который накладывает строгие ограничения на наши точные измерения положения и импульса. Этот принцип применим только к очень малым (квантовым) масштабам. Но если есть нечеткий фактор, изменяющий импульс в очень малых масштабах, возможно, в природе есть баланс, другой нечеткий фактор, изменяющий положение в очень больших масштабах — масштабирует размер черных дыр. “Природа любит симметрию и двойственность”, - пишут Лобос и Пантиг. Как и физики-теоретики.
Лобос и Пантиг исследуют последствия этой идеи, выясняя, как естественная нечеткость положения может проявляться как горизонт событий черной дыры. Их умопомрачительная работа показывает, что можно начать с квантовых, а не гравитационных основ и построить рабочую картину того, что мы называем черными дырами.
В общей теории относительности черная дыра - это просто скопление материи, сжатое в бесконечно крошечную точку, а горизонт событий, “поверхность” черной дыры, с которой вы не можете сбежать, является естественным следствием этого плотного скопления материи.
Природа любит симметрию и двойственность.
Однако на языке квантовой механики черная дыра рассматривается как особый вид конденсата Бозе-Эйнштейна, названный в честь Эйнштейна и индийского физика начала 20 века Сатьендры Ната Бозе. Эти конденсаты представляют собой особые структуры материи, где все частицы находятся в одинаковых квантовых состояниях, что позволяет им располагаться друг на друге и синхронизировать свое квантовое движение, ведя себя как одиночные гигантские частицы.
Частицы, составляющие конденсат Бозе-Эйнштейна черной дыры, являются гравитонами, гипотетическим квантовым переносчиком гравитационного поля.. Согласно этому мышлению, когда образуется черная дыра, гравитоны скапливаются вместе, синхронизируясь друг с другом и усиливая гравитационные эффекты друг друга. Но поскольку частицы в конденсате Бозе-Эйнштейна находятся в одних и тех же квантовых состояниях, они могут занимать одинаковое положение в пространстве, а это означает, что у черной дыры, рассматриваемой через эту линзу, не было бы причин быть физически макроскопической — другими словами, она была бы не больше любой другой субатомной частицы.
Вот тут-то и возникает размытость. Новые квантовые правила, используемые Лобосом и Пантигом, размазывают черные дыры, заставляя их занимать реальное, физическое пространство. То, что мы называем горизонтом событий, является лишь внешней границей этого эффекта размытия. Итак, на этой картинке черные дыры становятся скоплениями взорванных квантовых частиц, видимых и доступных в макроскопическом (даже космическом) мире; совершенно другой способ построения черных дыр, основанный на квантовых, а не гравитационных принципах.
Исходя из этого, исследователи предлагают, как будущие экспериментальные тесты, такие как более подробные изображения с телескопа Event Horizon Telescope и его преемников, могли бы разрешить этот спор о квантовости и классицизме. Свойства черных дыр, основанных на квантах, очень незначительно отличаются от свойств, предсказанных общей теорией относительности. Различия невелики (а они должны быть, иначе наши старые модели черных дыр были бы давно выброшены), но они потенциально обнаружимы. Что наиболее характерно, эти квантовые черные дыры могут иметь большую тень, термин, обозначающий дыру, вырезанную из светового изображения фонового освещения, чем традиционные черные дыры. Они также могут вызывать большие отклонения орбит любых объектов, которые проходят слишком близко. Более точные измерения звезд вблизи гигантской черной дыры Млечного Пути, Стрельца A *, и последующие миссии телескопа Event Horizon Telescope могут оказаться достаточно мощными, чтобы обнаружить эти различия.
Эти идеи существуют на далеком горизонте астрофизики.
Эти исследователи не единственные, кто предполагает, что черные дыры могут функционировать, по крайней мере частично, как колоссальные квантовые объекты. Другая команда физиков из Австралии и Канады обратилась к квантовой концепции суперпозиции, при которой частицы связаны друг с другом независимо от расстояния между ними. Применив эту концепцию к макроскопическому миру, они обнаружили, что они могут воссоздать знакомые свойства черных дыр.
И черные дыры, возможно, не единственные гигантские квантовые создания в нашей вселенной. В одном предложении команда индийских физиков предполагает, что космологический горизонт событий — фактическая граница нашей видимой вселенной — также может быть квантовым артефактом. Их работа следует той же логике Лобоса и Пантига, только в (гораздо) больших масштабах: фундаментальная неопределенность в квантовых взаимодействиях имеет макроскопические проявления, которые могут объяснить что-то традиционно в области чистой гравитации. Но вам даже не нужно впадать в такие крайности, чтобы найти связь, согласно команде иранских физиков. Они предлагают способ применить расширенное квантовое мышление даже к изучению чрезвычайно горячих газов — общей особенности всей Вселенной, простирающейся через нашу обширную космическую сеть.
Как астрофизик, я знаю, что эти идеи существуют на далеком горизонте нашей области, и часто ими больше всего занимаются ученые за пределами привычных институтов, базирующихся в Соединенных Штатах и Европе, которые доминируют в заголовках научных новостей. Многие физики указали бы, что нет причин для существования квантовой размытости в таких больших масштабах. Эксперименты или даже теория не побуждают расширять Принцип неопределенности Гейзенберга так, как это делают эти теоретики. И до сих пор все, что мы наблюдали о черных дырах, соответствовало нашему пониманию общей теории относительности. Пока какой-нибудь эксперимент не покажет чего-то другого, нет необходимости усложнять картину.
Но только потому, что работа удивительна и находится за пределами плотного центра промышленного комплекса Нобеля, это не значит, что она неправильная или даже бесплодная. Наука основана на диких идеях. Это исследование и смелость. Это о стремительном прыжке во тьму и обретении свободы удивляться.