Итак, представьте: вы вот-вот прыгнете в чёрную дыру. Чего ожидать, если, вопреки всему, вам каким-то чудом удастся выжить? Где вы окажетесь и какие захватывающие истории сможете рассказать, если сумеете пробиться обратно?
Простой ответ на все эти вопросы, как объясняет профессор Ричард Мэсси, — «Кто знает?» Будучи исследователем Королевского общества в Институте вычислительной космологии Университета Дарема, Мэсси хорошо понимает, насколько непостижимы тайны чёрных дыр:
«Падение через горизонт событий — это буквально переход за завесу: как только кто-то проваливается, никто не может послать ему сообщение. Огромная гравитация разорвёт их на куски, так что я сомневаюсь, что упавший куда-то попадёт».
Если это звучит как разочаровывающий и болезненный ответ, то так и должно быть. С тех пор как общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказала чёрные дыры, связав пространство-время с действием гравитации, известно, что чёрные дыры возникают в результате смерти массивной звезды, оставляющей после себя маленькое, плотное ядро. Предполагая, что масса этого ядра более чем в три раза превышает массу Солнца, гравитация становится настолько большой, что всё схлопывается в единственную точку, или сингулярность, понимаемую как бесконечно плотное ядро чёрной дыры.
Получившаяся негостеприимная чёрная дыра будет обладать гравитационным притяжением настолько мощным, что даже свет не сможет его избежать. Так что если вы окажетесь на горизонте событий — точке, предложенной немецким астрономом Карлом Шварцшильдом, за которую свет и материя могут только проваливаться внутрь, — обратного пути нет. По словам Мэсси, приливные силы разорвут ваше тело на нити атомов (процесс, известный также как «спагеттификация»), и объект в конечном итоге будет раздавлен сингулярностью. Идея о том, что вы могли бы куда-то вынырнуть, возможно, на другой стороне, кажется совершенно фантастической.
А как насчёт кротовой норы?
Или нет? На протяжении многих лет учёные изучали возможность того, что чёрные дыры могут быть кротовыми норами, ведущими в другие галактики. Они даже могут быть, как предположили некоторые, путём в другую вселенную.
Такая идея витает в воздухе уже некоторое время: Эйнштейн совместно с Натаном Розеном в 1935 году теоретизировал мосты, соединяющие две разные точки в пространстве-времени. Но она обрела почву в 1980-х годах, когда физик Кип Торн, один из ведущих экспертов по астрофизическим последствиям общей теории относительности Эйнштейна, поднял дискуссию о том, могут ли объекты физически путешествовать через них.
«Чтение популярной книги Кипа Торна о кротовых норах — это то, что впервые заинтересовало меня физикой в детстве, — рассказал Мэсси. — Но маловероятно, что кротовые норы существуют».
Фактически, Торн, который консультировал съёмочную группу голливудского фильма «Интерстеллар», написал: «Мы не видим объектов в нашей вселенной, которые могли бы превращаться в кротовые норы с течением времени», в своей книге «Наука „Интерстеллар“» (W.W. Norton & Company, 2014). Торн сообщил, что путешествия через эти теоретические туннели, вероятно, останутся научной фантастикой, и, безусловно, нет никаких убедительных доказательств того, что чёрная дыра может обеспечить такой проход.
Но проблема в том, что мы не можем подобраться поближе, чтобы увидеть всё своими глазами. Более того, мы даже не можем сфотографировать что-либо, происходящее внутри чёрной дыры: если свет не может избежать её огромной гравитации, ничто не может быть запечатлено камерой. Как есть, теория предполагает, что всё, что проходит за горизонт событий, просто добавляется к чёрной дыре, и, более того, поскольку время искажается вблизи этой границы, это будет казаться происходящим невероятно медленно, так что ответы не последуют быстро.
«Я думаю, стандартная история такова, что они ведут к концу времён», — считает Дуглас Финкбайнер, профессор астрономии и физики Гарвардского университета. «Наблюдатель издалека не увидит, как его друг-астронавт падает в чёрную дыру. Он просто будет становиться краснее и тусклее по мере приближения к горизонту событий [в результате гравитационного красного смещения]. Но друг падает сразу «за него навсегда». Что бы это ни означало».
Возможно, чёрная дыра ведёт к белой дыре
Конечно, если чёрные дыры ведут в другую часть галактики или другую вселенную, на другой стороне должно быть что-то противоположное им. Может ли это быть белая дыра — теория, представленная советским космологом Игорем Новиковым в 1964 году? Новиков предположил, что чёрная дыра связана с белой дырой, существующей в прошлом. В отличие от чёрной дыры, белая дыра позволит свету и материи выходить, но свет и материя не смогут войти.
Учёные продолжают исследовать потенциальную связь между чёрными и белыми дырами. В своём исследовании 2014 года, опубликованном в журнале Physical Review D, физики Карло Ровелли и Хал М. Хаггард заявили, что «существует классическая метрика, удовлетворяющая уравнениям Эйнштейна вне конечной области пространства-времени, где материя коллапсирует в чёрную дыру, а затем появляется из белой дыры». Другими словами, вся материя, которую чёрные дыры поглотили, может быть извергнута, а чёрные дыры могут превращаться в белые дыры при своей смерти.
Вместо того чтобы уничтожать поглощаемую информацию, коллапс чёрной дыры остановится. Вместо этого она испытает квантовый отскок, позволяющий информации ускользнуть. Если бы это было так, это пролило бы свет на предложение космолога и физика-теоретика Кембриджского университета Стивена Хокинга, который в 1970-х годах исследовал возможность того, что чёрные дыры испускают частицы и излучение (тепло) в результате квантовых флуктуаций.
«Хокинг сказал, что чёрная дыра не живёт вечно», — сказал Финкбайнер. Хокинг рассчитал, что излучение может заставить чёрную дыру терять энергию, уменьшаться и исчезать, как описано в его статье, опубликованной в Physical Review D в 1976 году. Учитывая его утверждения о том, что испускаемое излучение будет случайным и не будет содержать информации о том, что упало, чёрная дыра, взрываясь, стирала бы много информации.
Это означало, что идея Хокинга противоречила квантовой теории, которая гласит, что информация не может быть уничтожена. Физика утверждает, что информацию становится труднее найти, потому что, если она теряется, становится невозможно узнать прошлое или будущее. Идея Хокинга привела к «парадоксу потери информации в чёрной дыре» и долго ставила в тупик учёных. Некоторые заявляли, что Хокинг просто ошибался, и сам он даже заявил, что допустил ошибку, во время научной конференции в Дублине в 2004 году.
Итак, возвращаемся ли мы к концепции, что чёрные дыры сохраняют информацию и выбрасывают её через белую дыру? Возможно. В своём исследовании 2013 года, опубликованном в Physical Review Letters, Хорхе Пуллин из Университета штата Луизиана и Родольфо Гамбини из Университета Республики в Монтевидео, Уругвай, применили петлевую квантовую гравитацию к чёрной дыре и обнаружили, что гравитация возрастает по направлению к ядру, но затем уменьшается, и всё, что попадает внутрь, вываливается в другой регион вселенной. Результаты дали дополнительный кредит доверия идее о том, что чёрные дыры служат порталом. В этой работе сингулярности не существует, поэтому она не образует непреодолимый барьер, который в конечном итоге раздавливает всё, что встречает. Это также означает, что информация не исчезает.
Возможно, чёрные дыры никуда не ведут
Тем не менее, физики Ахмед Альмейри, Дональд Марольф, Джозеф Полчински и Джеймс Салли считают, что Хокинг, возможно, был на пути к чему-то. Они работали над теорией, которая стала известна как «брандмауэр AMPS» или гипотеза брандмауэра чёрной дыры. Согласно их расчётам, квантовая механика могла бы превратить горизонт событий в гигантскую стену огня, и всё, что вступит с ней в контакт, сгорит в мгновение ока. В этом смысле чёрные дыры никуда не ведут, потому что ничто не могло бы войти.
Однако это нарушает общую теорию относительности Эйнштейна. Тот, кто пересекает горизонт событий, не должен чувствовать больших трудностей, потому что объект находился бы в состоянии свободного падения и, согласно принципу эквивалентности, этот объект или человек не ощущал бы экстремальных эффектов гравитации. Он мог бы следовать законам физики, присутствующим в других частях вселенной, но даже если это не противоречит принципу Эйнштейна, это подрывает квантовую теорию поля или предполагает, что информация может быть потеряна.
Чёрная дыра неопределённости
Снова выступает Хокинг. В 2014 году он опубликовал исследование, в котором отрицал существования горизонта событий, означающий, что нечему гореть, заявляя, что гравитационный коллапс произведёт «видимый горизонт».
Этот горизонт задерживал бы лучи света, пытающиеся уйти от ядра чёрной дыры, и сохранялся бы в течение «периода времени». В его переосмыслении видимые горизонты временно удерживают материю и энергию, прежде чем рассеяться и высвободить их позже. Это объяснение лучше согласуется с квантовой теорией, которая утверждает, что информацию нельзя уничтожить, и, если это когда-либо будет доказано, предполагает, что что угодно может вырваться из чёрной дыры.
Хокинг даже заявил, что чёрные дыры могут не существовать. «Чёрные дыры следует переопределить как метастабильные связанные состояния гравитационного поля», — написал он. Не было бы сингулярности, и хотя видимое поле двигалось бы внутрь из-за гравитации, оно никогда бы не достигло центра и не уплотнилось внутри плотной массы.
И всё же всё, что испускается, не будет в форме поглощённой информации. Будет невозможно определить, что вошло, наблюдая за тем, что выходит, что создаёт собственные проблемы.
Одно можно сказать наверняка: эта конкретная тайна поглотит ещё много научных часов. Совсем недавно Ровелли и Франческа Видотто предположили, что тёмная материя может состоять из остатков испарившихся чёрных дыр, а работа Хокинга о чёрных дырах и «мягких волосах» была опубликована в 2018 году и описывает, как частицы с нулевой энергией остаются вокруг точки невозврата — горизонта событий, — идея, предполагающая, что информация не теряется, а захватывается.
Это противоречило теореме об отсутствии волос, высказанной физиком Джоном Арчибальдом Уилером и основанной на том, что две чёрные дыры были бы неразличимы для наблюдателя, потому что ни один из специальных псевдозарядов физики элементарных частиц не сохранился. Это идея, которая заставляет учёных говорить, но предстоит пройти долгий путь, прежде чем это будет воспринято как ответ на вопрос, куда ведут чёрные дыры. Если бы мы только могли найти способ прыгнуть в одну из них.
- Изображения: CC Attribution: CC BY; CC BY-SA.
👿 Не будьте троллем. Если в моих тексте есть ошибки, объясните, в чём они заключаются. Неуважительные комментарии будут удалены, а нарушитель забанен. 👿
- Хотите разгадывать тайны вместе? Заходите в наш Telegram — здесь мы делимся тем, что действительно удивляет, восхищает и заставляет задуматься! Обсуждаем, спорим, ищем ответы. Присоединяйтесь, ваше мнение важно! А если хотите поддержать нас — купите нам кофе ☕. Каждая чашка помогает искать новые загадки. Или просто оставьте комментарий во ВКонтакте — нам действительно важно, что вы думаете!