Физики доказали, что рукописи не горят
и даже в черной дыре бесследно не исчезают
Известный популяризатор науки и специалист по черным дырам Стивен Хокинг (Stephen Hawking) на пару с Кипом Торном (Kip Thorne), профессором теоретической физики из Калифорнийского технологического института (Caltech), по всей видимости, проспорил Джону Прескиллу (John Preskill), также профессору теоретической физики из Калифорнийского технологического, полное собрание томов Британской энциклопедии. В 1997 году эти три космолога заключили между собой ставшее вскоре широко известным пари относительно того, исчезает или нет информация, поглощаемая черными дырами вместе с материальными носителями, то есть меняется ли вообще внутреннее состояние черной дыры в зависимости от конкретных характеристик частиц, которые ею поглощены. Собственно, Британская энциклопедия фигурировала в этом пари совершенно не случайно, ведь "наивный" вопрос звучал в "переводе" на общедоступный язык примерно так: "Что изменится, если уронить в черную дыру не что-нибудь "полуслучайное", а какой-нибудь конкретный том Британской энциклопедии?"
Полная "Британника" сегодня стоит как минимум полторы тысячи долларов, так что сумма "на кону" оказывается вполне существенная, хоть и не критичная для миллионера Хокинга. А Торну "раскошеливаться" уже не впервой. Как-то он уже спорил с тем же Хокингом, есть ли у черной дыры "волосы" или нет. Торну, утверждавшему, что "волосы" есть, пришлось покупать Хокингу годовую подписку на Playboy или что-то в этом духе, тоже недешевое. Впрочем, возможно, Торн и поспешил с выплатой "контрибуции", если учитывать нижеизложенные новейшие исследования в этой области...
По всей видимости, с тем же успехом можно было бы поспорить по тому же самому поводу с самим Воландом из романа Булгакова, а с этим персонажем, как известно, спорить просто смертельно опасно, тут уж подпиской на "Плэйбой" или "Британику" точно не отделаешься.
Хокинг предположил, что какая-либо конкретика - т.е. какие именно частицы, энциклопедии или даже звезды сгинут в черной дыре, уйдя под "горизонт событий" - не имеет ровным счетом никакого значения. Черная дыра не только сожрет все это с аппетитом и не подавится, но и "сотрет" всю информацию о своем преступлении, будто его и не было, это своего рода "идеальный чистильщик". Но такая теория серьезно противоречила законам квантовой механики, возникал так называемый "информационный парадокс" (information paradox).
Теперь физики-теоретики из Университета штата Огайо (Ohio State University) во главе с профессором Самиром Матуром (Samir Mathur) предложили решение этого парадокса в рамках теории струн (то есть теории, которая рассматривает все частицы во Вселенной в качестве крошечных "вибрирующих" струн или "стрингов" (string)). Они вывели полную систему уравнений, из которой следует, что информация продолжает сохраняться в любом случае при любых коллизиях - даже в той немыслимой путанице "струн", которая заполняет черную дыру от ее сердцевины до "поверхности" - то есть горизонта событий. В результате получается, что взгляд на черные дыры как на "гладкие", лишенные индивидуальности объекты, имеющие только считанное число параметров (собственно, вес и момент вращения), как считалось ранее, по сути неверен. На самом деле черные дыры представляют собой своего рода "волокнистые пушистые шары" или "пушистые колобки из струн"... Впрочем, никто, наверно, не откажется при случае прикинуться белым и пушистым вместо того скользкого и черного, что есть на самом деле...
В классической модели черных дыр сверхмассивный объект-коллапсар вроде гигантской звезды или ее останков в результате выгорания ядерного топлива или звездного взрыва сжимается до такой степени, что формирует чрезвычайно компактный "шарик", обладающий в самом центре бесконечным гравитационным потенциалом, то есть образуется "прокол пространства-времени", "сингулярность". В результате образования такой сингулярности в пространстве возникает сферическая поверхность, при пересечении которой любой материальный объект или излучение безвозвратно исчезают для этого мира. Эта граница называется "горизонтом событий" и считается своего рода границей самой черной дыры, которая, понятное дело, не имеет иных границ.
Размеры этой "оболочки", то есть "горизонта событий", зависят как от массы объекта, который положил начало формированию черной дыры, так и от дальнейшей активности коллапсара (грубо говоря, от того, сколько материи он потом сможет еще сожрать). Например, если бы произошел коллапс Солнца, то его "горизонт событий" имел бы диаметр приблизительно 3 км. А если бы Земля выкинула бы вдруг подобный фортель, то ее "горизонт событий" ужался бы до 1 сантиметра. Но независимо от того, какой исходный материал послужил основой для формирования сингулярности (Земля, Солнце, другая какая-нибудь звезда), область "горизонта событий" считалась раньше лишенной каких-либо структурных особенностей или измеримых характеристик. То есть "горизонт событий" такой черной дыры абсолютно гладок, лишен структурных особенностей-"волос", по которым можно было бы догадаться, что тут было раньше, до катаклизма.
Конечно, существует феномен так называемого "испарения" черных дыр, предсказанный Хокингом и советскими теоретиками (иными словами, "хокинговская радиация"), непрерывное рождение пар виртуальных частиц вблизи "горизонта событий". Вылеты частиц из различных частей пространства вблизи горизонта черной дыры в таком случае должны быть коррелированными, но совершенно неясно, как такая корреляция может осуществляться. На самом деле это абсолютно бессмысленный шум, лишенный каких бы то ни было различительных признаков. Никакую исчезнувшую информацию по этому шуму восстановить невозможно, и что именно мы опустим внутрь: том "Британники" или пачку журналов Playboy точно такого же веса, - уже через мгновение различить будет принципиально невозможно. Хуже того, подобное непрерывное испарение может привести к тому, что черная дыра попросту исчезнет вместе со всей "скопившейся" информацией.
"Проблема с классической теорией состоит в том, - объясняет Матур, - что вы могли использовать любую комбинацию частиц, чтобы сделать черную дыру: протоны, электроны, звезды, планеты, - без разницы. Могли быть миллиарды способов получить черную дыру, и, согласно классической модели, конечное состояние системы будет всегда тем же самым". Однако этот вид однородности нарушает квантовомеханический закон обратимости. В физике всегда должна существовать теоретическая возможность проследить ход любого процесса от конца к начальному состоянию, включая тот процесс, за счет которого и образовалась черная дыра. Если же все черные дыры "на одно лицо" и имеют одну и ту же форму, то "жизнь" ни одной из них не может быть изучена "от конца к началу", то есть вся информация о частицах, которые создали ее, будет потеряна навсегда.
На вопрос, что будет, если уронить в такую дыру том Британской энциклопедии, предлагалось даже отвечать примерно так: содержащаяся в нем информация не исчезает, а переносится в другую вселенную, одну из множества тех самых "пузырьков" в общей "пене" пространства-времени, туннелем в который и является та или иная черная дыра. Другая гипотеза состояла в том, что черные дыры никогда не "испаряются" полностью, а съеживаются до размеров микрочастиц и в таком виде сохраняют всю содержащуюся в них информацию до конца существования нашей Вселенной. Для таких "информационных частиц" даже придумали подходящие названия - "информоны", "инфотоны", "библиотеконы".
В 2000 году вышеозначенный информационный парадокс под номером восемь был назван в числе десяти важнейших проблем физики, которые должны быть решены в течение следующего тысячелетия. Этот список включал проблемы вроде определения продолжительности жизни протона (собственно, прежде всего вопрос о его стабильности или нестабильности), а также объяснение происхождения Вселенной с помощью теории квантовой гравитации.
Матур начал работать над разрешением информационного парадокса, когда был еще доцентом в Массачусетском технологическом институте (MIT), но вплотную занялся им только с 2000 года в Огайо. Вместе с Олегом Луниным он сделал расчеты структуры объектов, которые находятся в промежутке между простыми струнными состояниями и большими классическими черными дырами. А недавно Матур, Ашиш Саксена (Ashish Saxena) и Иогеш Сривастава (Yogesh Srivastava) нашли, что та же самая картина "пушистых шаров" ("fuzzball") действительна и для объектов, приближающихся к классической черной дыре. Новые результаты публикуются в журнале Nuclear Physics B.
Согласно теории струн, все элементарные частицы во Вселенной: протоны, нейтроны и электроны, - состоят из различных комбинаций струн. Однако эти крошечные струны могут формировать также и крупные черные дыры за счет феномена, названного дробным растяжением (fractional tension). Струны-стринги - это нечто, поддающееся растягиванию, как и гитарная струна, однако каждый такой объект допускает только фиксированное число "растяжений". И точно так же, как длинную гитарную струну проще щипать, чем короткую, длинный "канат", сплетенный из квантовомеханических струн, легче растягивать, чем отдельный "стринг". Таким образом, когда очень много струн соединяются вместе для того, чтобы сформировать множество частиц, необходимых для очень массивного объекта вроде черной дыры, получившийся объединенный шар из струн оказывается очень эластичным и расширяется до большого диаметра.
Когда физики из Огайо получили свою формулу для диаметра "мягкой" или "ворсистой" черной дыры, сделанной из струн, выяснилось, что этот диаметр как раз и соответствует диаметру "горизонта событий" черной дыры, выведенному согласно классической модели. А так как, по мысли Матура, струны продолжают существовать и в черной дыре, и природа этих струн напрямую зависит от частиц, которые составляли первоначальный исходный материал коллапсара, то каждая черная дыра оказывается столь же уникальной, как и любая другая звезда, планета или галактика, которая и породила этот чудовищный квазизвездный объект. При этом "стринги" от любого вещества, поглощаемого черной дырой во время ее дальнейшего монструозного существования, точно также оставляют свой неповторимый след.
Это означает, что история черной дыры в принципе действительно может быть прослежена назад до ее первоначального состояния в виде обычного объекта Вселенной, то есть информация выживает в любом случае при любых коллизиях, а значит ни Британская энциклопедия, ни рукописи не сгинут совершенно бесследно даже в черной дыре.
Источники:
Information Paradox Solved? If So, Black Holes Are "Fuzzballs" - Ohio State University Research News
Black Holes: Fuzzy Tangles of Strings? - Space.com
Ссылки:
Черные дыры и "информационный парадокс" - "Знание - сила"
Музыкой движимы звезды - "Компьютерра"
Космический разум и черные дыры: от гипотезы к научной фантастике - "Земля и Вселенная"
НА ПРАВАХ РЕКЛАМЫ:
13 марта 2004 года состоится встреча
выпускников 1994 года Физического факультета МГУ. Чтобы зарегистрироваться и
узнать подробности, просьба зайти на сайт phys.web.ru/fizfak94/.
Дословно
Самир Матур
Я думаю, что большинство физиков уже разочаровалось в теории, согласно которой информация может исчезать безвозвратно. Это разочарование - следствие громких успехов струнной теории, проявившихся к 1995 году. Однако до настоящего времени никто не был способен доказать, что информация выживает всегда.
Статьи по теме
Физики доказали, что рукописи не горят
Известный популяризатор науки и специалист по черным дырам Стивен Хокинг на пару с Кипом Торном, по всей видимости, проспорил Джону Прескиллу полное собрание томов Британской энциклопедии. В 1997 году эти три космолога заключили между собой ставшее вскоре широко известным пари относительно того, исчезает или нет информация, поглощаемая черными дырами вместе с материальными носителями, то есть меняется ли вообще внутреннее состояние черной дыры в зависимости от конкретных характеристик частиц, которые ею поглощены.
Гигантская черная дыра поймана на месте преступления
Гигантская черная дыра в галактике RXJ1242-11, что расположена на расстоянии в миллиард световых лет от Земли, была поймана "на месте преступления" - в тот момент, когда она откусила "бочок" у звезды, похожей на наше Солнце, словно это был какой-нибудь межзвездный гамбургер. Такое явление, по словам астрономов, удалось пронаблюдать впервые. Это укрепило ученых во мнении, что черные дыры на протяжении всего времени существования Вселенной то и дело подобным образом пожирают звезды, и это может быть основным способом увеличения их массы.
"Хаббл" и пара телескопов "Кек" нашли галактику, знаменующую конец "темных веков"
Международная группа астрономов обнаружила новую "рекордную" по удаленности от нас галактику во Вселенной. Расположенная приблизительно в 13 млрд световых лет от Земли, она выглядит такой, какой была спустя всего лишь 750 млн лет после Большого взрыва, когда Вселенной исполнилось только 5 % от ее нынешнего возраста. "Ископаемая" галактика была идентифицирована объединенными усилиями космического телескопа "Хаббл" и пары телескопов Кек на Гавайях. Кроме земной и околоземной техники астрономам на помощь также пришел эффект естественной "космической гравитационной линзы", которая усилила яркость отдаленного объекта.
Гравитационная линза показывает сердце отдаленной галактики
В настоящее время известно уже множество примеров наблюдений галактик, действующих подобно "гравитационным линзам". Лучи света, проходя рядом с ними, отклоняются мощным гравитационным полем. За счет такого "линзирования" на небе появляется несколько дополнительных видимых изображений какого-нибудь отдаленного объекта, расположенного за такой галактикой - например, это может быть яркий квазар. Теперь астрофизики раскрыли важную тайну, связанную с этим феноменом.
Столкновение двух безумных гигантских колес на скорости 10 млн км в час
На этой выразительной фотографии, полученной с помощью космического телескопа "Хаббл", запечатлена пыльная спиральная галактика, которая, вращаясь, проходит через другую большую яркую галактику NGC 1275. Рентгеновское и радиоизлучение с большой вероятностью указывают на наличие черной дыры в центре этой яркой галактики. NGC 1275 находится от нас на расстоянии примерно 235 млн световых лет в созвездии Персея.
Черные дыры играют сами c собой в смертельный футбол
Когда сталкиваются сверхмассивные черные дыры, представляющие собой ядра соседних галактик, пространство вокруг них буквально трещит по швам, только держись! Мощнейший всплеск гравитационного излучения сообщает всему миру о том, что эти монстры яростно сливаются в одну еще более массивную черную дыру. "Пинок", который эта система получает в момент столкновения, может даже выбить получившуюся в результате черную дыру вон из родной галактики. Новое исследование описывает последствия такого межгалактического столкновения с точки зрения современной теоретической физики.
Сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики быстро вращается
Периодические вспышки в инфракрасном диапазоне в районе этой черной дыры являются свидетельством ее вращения, а новые данные таким образом "возвещают новую эру наблюдательной физики черной дыры и проверки истинности общей теории относительности".
Туманность Полумесяца: смертные муки младенца-тяжеловеса
Рентгеновская космическая обсерватория "Чандра" позволила рассмотреть ужасающую, но по-своему прекрасную сцену суицида молодой звезды HD 192163, расположенной от нас на расстоянии примерно в 5 тысяч световых лет в созвездии Лебедя, - астрономы на снимках отчетливо видят первые признаки назревающего звездного кошмара.
Дыра под космическим Сомбреро
Орбитальный телескоп "Хаббл" обратил свой взор на одну из самых величественных и "фотогеничных" галактик во Вселенной, известную под прозвищем Сомбреро (M104). Отличительный признак этой галактики - светящееся белое выпуклое ядро, окруженное мощными пылевыми зонами.
Микроквазар ворвался в нашу Галактику из соседнего шарового скопления
Астрономы проследили путь нейтронной звезды и ее спутника, звезды-компаньона, вещество которой нейтронная звезда активно поглощает (Скорпион X-1). В настоящее время эта парочка мчится через нашу Галактику, но ученые считают, что она присоединилась к Млечному пути около 30 миллионов лет назад, а до этого была выброшена из удаленного звездного кластера.
Гигантская черная дыра из скопления Персея напевает за ужином
Космическая рентгеновская обсерватория "Чандра" помогла увидеть звуковые волны, исходящие из самого сердца галактического скопления Персея от сверхмассивной черной дыры. Астрофизики уверяют, что "вокальные способности" черных дыр позволят им раскрыть некоторые "жгучие" тайны галактических скоплений, например, откуда в их центрах такое количество горячего газа.
Черных дыр рождается все больше и больше
Это открытие подтверждает давние подозрения астрофизиков насчет того, что действие черных дыр, скрытых от нас, обитающих на нашем так сказать космическом "заднем дворе", является едва ли не определяющим для всей структуры общегалактического "дома", это вовсе не какие-то экзотические древние мастодонты, давно отыгравшие свою роль в те времена, когда галактики только начали формироваться.
Вторая черная дыра в центре Млечного пути поставляет своему "боссу" младенцев на завтрак
Американские астрономы предполагают наличие еще одной черной дыры в самом "сердце" нашего Млечного пути, правда, это черная дыра "всего лишь" среднего веса, масса ее в тысячи, а не в миллионы раз превосходит массу нашего Солнца. Занимается эта "новая" черная дыра тем, что притягивает молодые звезды поближе к своему сверхмассивному партнеру. Открытие может помочь объяснить, каким образом этому монстру удалось так "разжиреть".
Удалось провести самые детальные наблюдения рождения черной дыры
Обнаруженный в глубоком космосе сверхмощный кратковременный выброс энергии, о котором удалось быстро оповестить 33 обсерватории во всем мире, позволил не только получить надежное свидетельство в пользу теории происхождения черных дыр в результате звездных взрывов, но и провести самые детальные на сегодняшний момент наблюдения таинственных явлений, получивших название GRB (всплеск гамма-излучения).
Найдена пара гигантских черных дыр, обреченных слиться в межгалактическом катаклизме
Ядро галактики NGC 6240 представляет собой систему из двух супермассивных коллапсаров, и в будущем ей грозят серьезные потрясения. Это доказали немецкие астрономы из Института внеземной физики имени Макса Планка с помощью орбитальной рентгеновской обсерватории "Чандра". Открытие подтверждает теории формирования супермассивных черных дыр.
Доказано существование массивной черной дыры в центре Галактики
Группе германских астрономов удалось показать, что в Галактическом центре расположен один-единственный сверхплотный и сверхмассивный объект - не что иное, как черная дыра. Определенность позволили внести наблюдения за движением звезды, которую исследователи условно обозначили как S2.
Ученые нашли "звезду-спринцовку", подражающую черным дырам
Астрономы наблюдали нейтронную звезду Circinus X-1, испускающую струи вещества со скоростью, очень близкой к скорости света. Это самый быстрый поток вещества, когда-либо наблюдаемый от объекта в нашей Галактике, скорость сравнима со скоростью самых быстрых джетов, исторгаемых ядрами других галактик. Однако в тех галактиках струи порождаются сверхмассивными черными дырами, масса которых составляет миллионы и даже миллиарды солнечных масс.
В центре Млечного пути найдено антивещество неизвестного происхождения
Это антивещество в принципе может образовываться за счет некоторых энергетически чрезвычайно эффективных атомных процессов, например, в ходе радиоактивного распада изотопа алюминия. Его "подпись" известна как аннигиляционная "линия 511 кэВ". Однако оказалось, что антивещества в центре Галактики слишком много для того, чтобы можно было объяснить его появление только распадом алюминия. Также ясно показано наличие множества источников антивещества - оно вовсе не концентрируется вблизи одной точки.
Землю поливают дожди из маленьких черных дыр
Высокоэнергетические космические лучи, вторгающиеся в атмосферу Земли, могут формировать микроскопические черные дыры, заявляют греческие и российские ученые. Ученые считают, что такие черные мини-дыры могли бы помочь объяснить загадочные результаты, полученные датчиками космического излучения в Боливийских Андах и на Памире - речь о так называемых "кентаврах".
"Эффект бабочки": машина времени и Интернет
"Эффект бабочки" прочно ассоциируется не только с фантастической посылкой Эдварда Лоренца, но и с одним из самых знаменитых рассказов Рэя Брэдбери, который посвящен путешествиям во времени. Ученые-компьютерщики из Корнельского университета решили "перекинуть мостик" от атмосферных исследований и машины времени к сегодняшнему миру Интернета, транснациональных корпораций, терроризма и пандемий. Вопрос об "баттерфляй-эффекте" может быть перефразирован тогда следующим образом: "Может ли единственный "мессидж" по электронной почте из Бразилии вызвать поток необратимых событий в штате Техас?"
Королевский астроном, известный фантаст и принц пугают нас приближающимся апокалипсисом
Выдающийся британский ученый считает, что в настоящее время шансы близкого всемирного апокалипсиса стремительно возросли и составляют примерно 50 на 50. Впрочем, как-то сомнительно, что этот довольно пессимистический взгляд на окружающую нас действительность станет основой для букмекерских ставок.
Замаскированная квантовая почта может объяснить молчание внеземных цивилизаций
Если внеземные цивилизации действительно существуют и при этом не являются исключительной редкостью, то почему мы так и не смогли до сих пор получить от них никаких сигналов? Два физика объясняют эту ситуацию исключительной осторожностью инопланетян. При этом они считают, что есть возможность отправлять сигналы, не открывая своего местоположения.
Теория относительности топит субмарины
Бразильский физик решил задачку, "подброшенную" релятивистской теорией, так называемый "парадокс субмарины". Для разбора этого "парадокса" пришлось использовать Общую теорию относительности и включить в решение эффект искривляющих пространство гравитационных сил, получив своеобразный модифицированный релятивистский закон Архимеда.
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).
"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах
Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".
Последняя нерешенная проблема классической физики близка к решению благодаря сверхтекучему гелию
Это кажется невероятным, но теории гидродинамической турбулентности в завершенном виде не существует до сих пор, созданы только так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Вообще это является одной из важнейших проблем современной теорфизики. Теперь сделан важный шаг в описании турбулентности в сверхтекучем гелии-3, что может помочь, наконец, в решении проблемы турбулентности и в классических жидкостях.
Впервые удалось измерить скорость гравитации
Впервые с приемлемой точностью удалось измерить скорость гравитации. Измерялось небольшое видимое изменение позиции квазара, вызванное изгибом пути радиоволн от этого источника в поле тяготения Юпитера. Результат важен с точки зрения "закрытия" некоторых вариантов современных теорий и поддержки других - он связан с космологическими теориями множественных вселенных и так называемой теории струн или суперструн.
Постоянство гравитационной постоянной G под сомнением
Новый эксперимент швейцарских физиков, поставленный для уточнения значения гравитационной постоянной G, прибавил весомости довольно спорной теории, согласно которой на силу гравитации оказывает влияние магнитное поле Земли.
Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн
Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.
Физики надеются обнаружить изменение фундаментальных констант со временем
Две группы физиков на протяжении последних лет провели целый ряд аккуратных экспериментов в надежде обнаружить непостоянство природных констант, до сих пор считавшихся не изменяющимися со временем. До настоящего момента данные на эту тему добывались астрофизическими методами и указывали на возможность подобных вариаций.