Ученые десятилетиями спорят о том, что происходит за пределами горизонта событий — той самой точки невозврата, которую не может покинуть даже свет. Новые теоретические изыскания рисуют целый веер возможных, и оттого еще более пугающих, сценариев. Оказалось, что судьба смельчака, рискнувшего нырнуть в черную дыру, может сложиться совершенно по-разному. От классического разрыва на части до путешествия через альтернативные измерения и перерождения в виде... квантовой информации.
Еще недавно черные дыры считались лишь плодом воображения теоретиков, математическим курьезом в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна. Однако апрель 2019 года навсегда изменил статус этих объектов. Коллаборация Event Horizon Telescope представила миру первое в истории прямое изображение тени черной дыры — гигантского жителя сердца галактики M87. Сомнения рассеялись. Чудовища пространства-времени реальны.
Что же такое черная дыра? Это область в космосе, где гравитация достигла такого невероятного могущества, что ничто — абсолютно ничто — не может вырваться из ее объятий. Даже свет, самая быстрая субстанция во вселенной, обречен на вечное пленение. Черная дыра рождается из праха массивной звезды. Когда такое светило исчерпывает свое термоядерное топливо, его ядро более не может противостоять колоссальному давлению внешних слоев. Происходит гравитационный коллапс — катастрофическое сжатие, в результате которого вся масса звезды сосредотачивается в точке с бесконечной плотностью, сингулярности. Вокруг этой точки и формируется та самая точка невозврата — горизонт событий.
Начало путешествия. Поехали!
Ваше путешествие начинается задолго до того, как вы достигнете роковой черты. Сначала вы просто почувствуете притяжение, которое будет нарастать по мере падения к горизонту событий. Вы не ощутите ничего необычного — ваш полет будет казаться вам свободным падением. Но для любого внешнего наблюдателя картина выглядела бы иначе. Чудовищная гравитация черной дыры искривляет само время. Со стороны ваше движение замедлилось бы, вы будто застыли бы у самого горизонта, чтобы затем навсегда исчезнуть из поля зрения.
По мере приближения к эпицентру гравитации вас ждало бы ослепительное зрелище. Фотоны света, захваченные дырой, образовали бы вокруг нее кольцо раскаленной плазмы, обрамляющее идеально черную сферу в центре — ту самую тень черной дыры, которую и запечатлели астрономы. Две странные вещи произошли бы на ваших глазах. Кажущийся размер черной дыры начал бы расти с пугающей скоростью, заслоняя собой все вокруг. А знакомые узоры созвездий исказились бы, словно отражение в кривом зеркале, закручиваясь вокруг темного диска.
Это ваш последний шанс повернуть назад. Любое дальнейшее движение — и вы пересечете горизонт событий. Гравитация станет слишком сильной, чтобы ей можно было противостоять.
К этому моменту вы уже увидели бы, как свет звезд огибает черную дыру. Изогнутые полосы света обвивали бы ее, словно кокон. Ускорение и нарастающая сила гравитационного поля изменили бы природу видимого света. Если бы у вас хватило сил оглянуться в последний раз, вы увидели бы, как весь звездный свет позади вас собрался в одну-единственную красноватую точку. Тишина космоса сменилась бы абсолютной тьмой, а вы почувствовали бы, что падаете вниз — с той лишь разницей, что «вниз» теперь было везде.
А затем ваше тело ждали бы неприятности. Гравитация внутри черной дыры нарастает так быстро, что она не просто раздавила бы вас. Она разорвала бы каждую часть вашего тела с разной скоростью. Этот процесс физики называют спагеттификацией. Если бы вы падали ногами вперед, ваши лодыжки начали бы растягиваться и отдаляться от коленей еще до того, как ваша шея вытянулась бы в тонкую нить. Разница во времени была бы столь мала, что вы, вероятно, даже не успели бы ничего заметить. Все произошло бы в мгновение ока — хотя это не лучшая метафора, учитывая, что ваши глаза уже вылетели бы из орбит.
Что же случится дальше с вами, теперь уже бесформенным, безглазым и неумолимо ускоряющимся сгустком материи? У науки есть на этот счет несколько гипотез.
Сценарий А: Остаться на месте
Законы термодинамики неумолимы. Даже черная дыра не может избежать их суда. Второй закон гласит — количество энтропии, или беспорядка, во вселенной никогда не может уменьшаться. Когда ваше тело, по сути, клубок беспорядка, падает внутрь, содержащаяся в нем энтропия не может просто исчезнуть. Черная дыра должна учесть ее, увеличив свою собственную энтропию. Но если у черной дыры есть энтропия, у нее должна быть и температура. А любой объект с температурой обязан излучать тепло.
Как излучению выбраться из объекта, из которого ничто не может выбраться? В 1974 году Стивен Хокинг нашел обходной путь, открыв тип излучения, который теперь носит его имя.
Излучение Хокинга рождается не в сердце черной дыры. Оно состоит из частиц и их близнецов-античастиц, которые постоянно рождаются парами near горизонта событий из квантовых флуктуаций вакуума. Такие пары возникают повсюду в пространстве. Эти субатомные близнецы неразрывно связаны — любое изменение одной частицы мгновенно влияет на другую. На языке квантовой механики говорят, что они запутаны.
Благодаря этому квантовому заговору, любая античастица, упавшая в черную дыру, оставляет после себя партнера, который уносится прочь, унося с собой энергию дыры. Это приводит к тревожному последствию — рано или поздно черная дыра полностью испарится, излучив всю свою массу, и вы исчезнете вместе с ней.
Этот фокус с исчезновением нарушает другой фундаментальный принцип теоретической физики — информацию невозможно уничтожить. Даже если информация разрушена в одной форме, как книга, сгорающая в огне, она все равно сохраняется в частицах дыма и пепла — пусть и в форме, которую гораздо сложнее прочитать. Физики полагаются на эту непрерывность, чтобы получать информацию о прошлом и делать прогнозы на будущее. Если бы информацию можно было вызывать из ниоткуда и обращать в ничто, вся известная нам физика потеряла бы смысл.
Если черная дыра может уничтожить информацию, она может стереть и все следы вашего существования. Игра окончена.
Сценарий Б: Дождаться отрыжки черной дыры
Некоторые физики предполагают, что вы могли бы зацепиться внутри черной дыры, пока она испаряется посредством излучения Хокинга, чтобы затем быть извергнутым наружу с ее последним вздохом. Таким образом, по крайней мере часть информации о вас не пропала бы навсегда, а оставалась бы в заточении целые эпохи, пока черная дыра медленно излучается.
В далеком-далеком будущем, в зависимости от изначального размера дыры, горизонт событий стал бы таким маленьким, что даже одна-единственная длина волны света не смогла бы внутрь протиснуться. В этот момент излучение, связанное с вашими останками, было бы отрыгнуто, не оставив после себя ничего, кроме пустого пространства.
Но у этой затянувшейся игры в прятки есть фатальный изъян — черная дыра не решает, как быстро она излучает; это решают законы термодинамики. Чем больше что-то излучает, тем меньше оно должно становиться, а чем меньше оно становится, тем меньше излучения оно может испускать. К тому времени, как черная дыра станет достаточно маленькой, чтобы извергнуть свой последний обед, извергать будет уже нечего. Черная дыра исчезла бы не с взрывом, а с тихим всхлипом, и любые остаточные следы вашего существования к тому моменту давно бы исчезли.
Вы понадеялись на отрыжку — и проиграли. Прощайте.
Сценарий В: Найти выход через белую дыру
Подобно тому как черные дыры не позволяют ничему покинуть свои пределы, гипотетические белые дыры, наоборот, ничего не могут удержать. Одна из идей заключается в том, что каждая черная дыра соединена с белой дырой через межпространственный туннель, известный как червоточина. Падая в одну, вы в конечном итоге вылетаете из другой.
Однако для Карло Ровелли из Университета Экс-Марсель во Франции есть способ осуществить это даже без червоточины. Он предполагает, что каждая белая дыра когда-то была черной. Это значит, что в каком-то далеком будущем ваши останки могли бы быть извергнуты, когда черная дыра превратится обратно в белую. Но как происходит этот переход?
Как только звезда коллапсирует в черную дыру, составляющие ее атомы сближаются так тесно, что начинают подчиняться законам квантовой физики. Это может привести к странным и неинтуитивным явлениям. Важнейшее из них — квантовое туннелирование. Оно означает, что у частиц есть небольшая, но ненулевая вероятность пройти сквозь вроде бы непреодолимый барьер. Для частиц, падающих в черную дыру, это теоретически позволяет им пройти сквозь сингулярность бесконечной плотности в ее центре и отскочить обратно. То, что падает внутрь черной дыры, достигает центра, и это похоже на удар о стену, потому что, согласно теории Эйнштейна, оно не может вернуться. Но квантовая теория позволяет ему «протуннелировать» и появиться снова.
Это создает сценарий, в котором пространство-время отскакивает наружу, создавая белую дыру. Для внешнего наблюдателя этот процесс занял бы миллиарды лет, но внутри, из-за чудовищной гравитации черной дыры, время ускорилось бы. Время, за которое вы упали бы к центру, прошли сквозь него и выскочили с другой стороны, заняло бы миллисекунды. Если бы мы могли заглянуть внутрь, вы выглядели бы замороженным. И есть всего лишь шанс, что этот замороженный вы — или ваши замороженные частицы — сумеют выбраться из белой дыры.
Поздравляем, вы нашли выход из черной дыры. Возможно. И выглядите вы при этом, стоит признать, изрядно помято.
Сценарий Г: Излучиться прочь
Как выявил Стивен Хокинг, черные дыры постоянно испускают излучение. Так что, если вместо уничтожения или вечного заточения ваша личность просачивалась бы наружу в форме этого излучения Хокинга? Увы, это лишь значительно усложняет ситуацию.
Мы помним, что излучение Хокинга состоит из виртуальных частиц, возникающих у горизонта событий, где один запутанный партнер падает внутрь, а другой улетает. Но если это так, квантовая механика подбрасывает нам малоприятный парадокс. Мы уже знаем, что частицы излучения Хокинга запутаны со своими партнерами, которые только что упали внутрь. Но поскольку излучение Хокинга содержит информацию о каждой частице, уже упавшей внутрь (а те частицы были запутаны с уже излучёнными частицами), любая вылетающая частица должна быть запутана и с излучением Хокинга, которое предшествовало ей.
Фундаментальный принцип, известный как моногамия запутанности, гласит, что частицы не могут быть запутаны с двумя вещами одновременно. Если ваша информация хочет покинуть черную дыру через излучение Хокинга, с ней должно произойти что-то еще.
Вы пытаетесь нарушить законы квантовой физики. Немедленно выберите один из трех вариантов.
Вариант Икс: Смело встретить стену огня
Один из выходов из квантовой дилеммы — вызвать пылающую стену огня. Если бы такое существовало прямо за горизонтом событий, оно разорвало бы запутанность между любой падающей частицей и ее партнером снаружи черной дыры.
Проблема в том, что этот огненный барьер полностью несовместим с общей теорией относительности Эйнштейна, которая предсказывает, что горизонт событий не должен ощущаться иначе, чем окружающее пространство. Согласно Эйнштейну, вы не должны заметить ничего необычного при его пересечении. Но даже если допустить существование такого барьера, выход это не из приятных. Пересекая его, вы поджарились бы до хрустящей корочки, как и любая другая падающая материя.
Вы осмелились бросить вызов стене огня — и сгорели.
Вариант Игрек: Совершить течь в пространстве-времени
Одна из идей предполагает, что черные дыры соединяются с космической червоточиной, простирающейся через измерения. Но что, если вместо того, чтобы вести в бушующую белую дыру с другой стороны, космическая канализация окажется куда менее зрелищной?
Леонард Сасскинд из Стэнфорда и Хуан Малдасена из Принстона представили себе червоточину, которая ответвляется от черной дыры во многих направлениях, подобно сети корней дерева. Каждая крошечная трубочка достаточно велика лишь для того, чтобы через нее могли просочиться отдельные фотоны излучения Хокинга. Это позволяет черной дыре испаряться, обходя парадоксы стены огня и потери информации. Информация сохраняется, покидая черную дыру по одному из этих корешков, и никакая стена огня не создается, поскольку ничто не пересекает горизонт событий в обратную сторону. Более того, поскольку мы избавились от партнерских частиц, моногамию запутанности нарушать не нужно. Победа!
К несчастью, есть проблема. Согласно этому процессу, если вы бросите квантовый объект в черную дыру, а наружу выйдет тепловое излучение, содержащаяся в нем информация исчезла из нашей вселенной. А это большое космическое «нельзя».
Вы попытались нарушить сохранение информации — и это ничем хорошим для вас не закончится
Вариант Зет: Разделить вселенную
А что, если наша вселенная — не единственная? Это радикальная идея, но сторонники многомировой интерпретации квантовой механики относятся к ней серьезно. Каждый раз, когда происходит квантовый процесс, вселенная расщепляется, создавая разные параллельные миры для каждого возможного будущего.
Это значит, что когда вы прыгаете в черную дыру, каждый возможный исход происходит где-то в какой-то параллельной плоскости существования. Вы можете казаться нарушающим принцип сохранения информации, при условии, что то, как вы это делаете, компенсируется в другом космосе.
Разные ветви многомировой мультивселенной все коррелируют, и это значит, что ваша судьба теперь распространилась на множество ее версий. Так что выбирайте свое приключение! Вы могли бы сгореть в стенах огня, провалиться сквозь белые дыры, просочиться в ткань пространства-времени или, возможно, вовсе не падать внутрь. Законы физики могут рушиться во вселенной, которую мы видим и с которой взаимодействуем, но across миллиардов потенциальных реальностей порядок восстановлен.
Поздравляем (возможно) — один из вас (вероятно) выжил.
Сценарий Бесконечность: Это была не черная дыра
Для всех этих малоприятных сценариев есть карта освобождения из тюрьмы — просто переосмыслить, что такое черная дыра. В классической физике нет способа остановить материю от собирания, превращения в звезду и последующего коллапса в черную дыру. Гравитация просто не остановится.
Но есть теория струн. Она начинается с идеи, что материя состоит не из фундаментальных частиц, а из крошечных вибрирующих струн. В сокрушающей гравитации, где должна быть обычная черная дыра, эти струны спутались бы вместе. Чем больше энергии вы вкладываете в систему, тем больше становится этот клубок струн. Он никогда по-настоящему не формирует черную дыру. Это похожий на планету объект, состоящий из струн, а планета не создает проблемы потери информации.
Вы бы все равно умерли ужасной смертью, упав на такой «клубок» (fuzzball). Но вместо того чтобы стать частью ничто, вы стали бы чем-то. Сначала вам стало бы тепло по мере приближения. Пройдя горизонт событий и продолжая движение к массивному шару из струн, вас разорвало бы на части, и ваше тело превратилось бы в пучок струн как раз в момент достижения поверхности.
После того как вас поглотил шар из струн, вы начали бы распространяться по его поверхности, смешиваясь с другими тамошними струнами. В этот момент вас разорвало бы на части, и вы перестали бы жить. Но ваши струны продолжали бы вибрировать. Ваши мысли и воспоминания давно исчезли, но материал, из которого вы состояли, стал частью одного из самых бизарных мест во вселенной. Не самый плохой способ уйти.
Конец — пока какой-нибудь теоретик не придумает что-нибудь получше.
Post Scriptum
Путешествие в черную дыру, даже гипотетическое, — это больше чем просто мысленный эксперимент с мрачным финалом. Это напряженная борьба идей на самом переднем крае фундаментальной физики. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает одни законы, квантовая механика — другие, а в сердце этих гравитационных монстров они сталкиваются лоб в лоб, отказываясь уживаться друг с другом. Парадокс потери информации, огненная стена, квантовое туннелирование и теория струн — все это попытки найти выход из тупика, навести мосты между, казалось бы, непримиримыми теориями.
Первый снимок черной дыры стал историческим прорывом, но он лишь показал тень горизонта событий, оставив его внутреннюю структуру величайшей загадкой. Ответ на вопрос «что же там внутри?» может переписать наши самые базовые представления о реальности, информации, времени и самой природе пространства. Пока же падение в черную дыру остается самым фантастическим, опасным путешествием, которое только может предложить вселенная. Путешествием, из которого, увы, еще никому не удавалось вернуться, чтобы рассказать эту историю.
-----
Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости