Согласно теории гравитации Эйнштейна, в сердце чёрных дыр материя сжимается до бесконечной плотности, и все известные нам законы физики перестают работать. Но сингулярность — не единственное место в чёрной дыре, которое ставит под сомнение наше понимание реальности.

Как уже упоминалось выше, горизонт событий — это воображаемая мембрана, окружающая сингулярность и обозначающая точку невозврата для попадающего на неё света и материи. Когда мы говорим о размерах чёрной дыры, мы имеем в виду диаметр горизонта событий.

В 1974 году Стивен Хокинг шокировал научный мир заявлением, что чёрные дыры на самом деле не чёрные. К этому выводу он пришёл, проанализировав квантовые процессы поблизости от чёрной дыры. Давайте вспомним, что в соответствии с принципом неопределённости Гейзенберга вакуум порождает пары частиц и античастиц. Эти виртуальные частицы живут крайне недолго, аннигилируя и исчезая всего за доли секунды. Но Хокинг понял, что вблизи горизонта событий чёрной дыры должно происходить и происходит нечто совершенно иное.

Одна половина пары «частица–античастица» может начать двигаться прочь от чёрной дыры, пытаясь избежать её притяжения, а вторая — упасть в неё через горизонт событий. После этого она уже не вырвется наружу, чтобы столкнуться со своей парой и аннигилировать. Частица, которой удалось сбежать, из виртуальной превратится в реальную с куда более долгим сроком жизни.

Хокинг понял, что подобные процессы постоянно происходят вокруг горизонта чёрной дыры. Из-за того что одиночные частицы постоянно рвутся прочь от неё, возникает излучение Хокинга.

Определяющей характеристикой чёрной дыры является тот факт, что ничто попавшее в неё не может вырваться наружу. Излучение Хокинга испускает не сама дыра, так как его частицы в неё не попадают. Оно рождается в вакууме на границе горизонта событий.

Но энергия, которая создаёт излучение Хокинга, должна откуда-то браться, и единственным её источником может быть гравитация самой чёрной дыры. Частицы постоянно утекают в открытый космос, и гравитационное поле чёрной дыры ослабевает, заставляя её постепенно уменьшаться, или «испаряться».

Чем меньше чёрная дыра, тем сильнее её излучение Хокинга. Для чёрных дыр, имеющих звёздную массу, и сверхмассивных чёрных дыр, находящихся в центре большинства галактик, эта утечка частиц настолько минимальна, что предполагаемый срок жизни дыр превышает текущий возраст Вселенной. Но по мере того, как чёрная дыра уменьшается, её излучение Хокинга становится всё сильнее и сильнее. У крошечной чёрной дыры (а этой стадии достигнет каждая дыра, прежде чем исчезнуть окончательно) оно будет ослепительно-ярким. Что и говорить, чёрные дыры умирают с блеском.

По определению всё то, что светится, имеет температуру. Это верно и для чёрных дыр, сверкающих излучением Хокинга. С первого взгляда это предположение кажется безумным, потому что чёрная дыра — это не что иное, как бездонный колодец в пространстве-времени, не содержащий никакого источника тепла. Но она разогревается не из-за каких-то своих внутренних свойств, а из-за внешних квантовых процессов, протекающих в окружающем её вакууме.

Тот факт, что излучение Хокинга заставляет чёрную дыру испаряться и в итоге приводит к её исчезновению, создаёт значительный научный парадокс. Фундаментальный закон физики гласит, что информацию нельзя создать или уничтожить. Возьмём, к примеру, Луну. Используя законы Ньютона, мы можем предсказать её завтрашнее положение на небе, исходя из сегодняшнего. Значит, информация о её будущем местоположении заключена в информации о настоящем. Пока Луна движется по небосводу, мы не приобретаем и не теряем информацию — она остаётся в сохранённом виде. С другой стороны, при «испарении» чёрной дыры информация утрачивается.

Чёрная дыра звёздной массы когда-то была звездой. Для того чтобы точно определить параметры такого небесного тела, требуется большой объём информации, например, о типе, местоположении и скорости каждого её атома. Но когда чёрная дыра полностью «испаряется» из-за излучения Хокинга, от неё ничего не остаётся. Куда же исчезает информация? Вот так вкратце формулируется информационный парадокс чёрных дыр.

Этот парадокс настолько удивителен, что сам Хокинг много лет верил, будто чёрные дыры действительно нарушают один из самых важных принципов физики: «Я полагал, что информация в чёрной дыре действительно исчезает, и это было моей самой большой ошибкой — или по крайней мере самой большой чушью в науке».

Очевидно, что виновник исчезновения информации — это излучение Хокинга. Возможно ли, что оно каким-то образом уносит в космос знания о звезде, которая породила чёрную дыру? Но единственной характеристикой излучения Хокинга (технически имеющего спектр чёрного тела) является температура. Только эту информацию оно может перенести от чёрной дыры.

Ключ к разгадке информационного парадокса чёрных дыр предложил израильский физик Яаков Бекенштейн. В 1972 году он открыл одну необычную характеристику горизонта событий. Оказывается, площадь его поверхности связана с энтропией чёрной дыры.

Понятие энтропии происходит из теории теплоты. Второй закон термодинамики звучит так: «Энтропия постоянно увеличивается». Это один из самых важных принципов науки, который объясняет, почему дворцы рассыпаются в прах, яйца бьются, а люди стареют. Открытие Бекенштейна, сделанное ещё до утверждения Хокинга о существовании у чёрных дыр теплового излучения, стало первым сигналом о существовании связи между чёрными дырами и теплом. Удивительным образом в чёрных дырах сходятся воедино три величайшие физические теории: теория гравитации Эйнштейна, квантовая теория и термодинамика, то есть теория теплоты. Вот почему понимание чёрных дыр так важно для объединения квантовой теории и общей теории относительности.

Энтропия тесно связана с информацией, так как является мерой её нехватки или нашего незнания о состоянии системы. Если говорить точнее, энтропия измеряет беспорядочность системы на микроуровне и определяется как «количество микросостояний, соответствующих определённому макросостоянию». Возьмём, к примеру, кирпич. Для него это будет количество комбинаций, которые могут составить его атомы таким образом, чтобы при этом он не переставал выглядеть кирпичом. Тот факт, что у горизонта событий чёрной дыры есть энтропия, означает, что он вовсе не такой гладкий и ровный, каким его представляет общая теория относительности, а имеет собственную микроскопическую структуру.

В 1993 году лауреат Нобелевской премии по физике голландец Герард т’Хоофт из университета Утрехта предположил, что горизонт событий должен быть неровным на микроскопическом уровне и что именно в углублениях и выступах его микроландшафта и скрывается информация, описывающая звезду, которая стала чёрной дырой. Горизонт событий можно сравнить со сверхплотным компакт-диском, каждый участок которого со стороной, равной планковской длине (то есть имеющий площадь около 10−70 квадратных метров), содержит эквивалент 0 или 1 в бинарной системе. «На самом деле чёрная дыра имеет очень богатую структуру, как Земля с её горами, долинами, океанами и так далее», — говорит Кип Торн из Калифорнийского технологического института в Пасадине.

Вскоре после того как т’Хоофт предположил, что недостающая информация из чёрной дыры может быть закодирована в горизонте событий, Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета показал, как эта гипотеза может быть включена в теорию струн. Представьте себе горизонт событий чёрной дыры как массу перепутанных вибрирующих струн. Используя этот образ, Эндрю Стромингер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Камран Вафа из Гарвардского университета сумели предсказать точное значение энтропии чёрной дыры, рассчитанной Бекенштейном.

Поскольку излучение Хокинга зарождается в вакууме в непосредственной близости от горизонта событий чёрной дыры, можно предположить, что микроскопические неровности его ландшафта оказывают на него влияние. Эти неровности «модулируют» излучение, как музыка модулирует волну радиостанции. Таким образом, информация о звезде, предшествовавшей появлению чёрной дыры, переносится во Вселенную излучением Хокинга. Она не теряется, а значит, один из самых важных законов физики продолжает действовать.

Это решение информационного парадокса чёрных дыр кажется несколько надуманным. Нам всё ещё требуется более глубокая теория, которая объединила бы в себе эйнштейновскую теорию гравитации и квантовую теорию. Но если это предположение верно, то из него вытекают неожиданные выводы. Информация, полностью описывающая звезду (трёхмерный объект), сохраняется на горизонте чёрной дыры (двумерной поверхности). Это делает горизонт похожим на голограмму. Представьте себе, что было бы, если бы каждая лягушка носила с собой голографическое изображение головастика, которым она когда-то была. Чёрные дыры делают примерно так же с голограммами звёзд.

Если бы эта гипотеза применялась только к таким странным объектам, как чёрные дыры, она казалась бы всего лишь любопытным предположением. Но т’Хоофт и Сасскинд считают, что идея о голографическом изображении может дать нам ценную информацию обо всей Вселенной.

 

Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru