Возможно, вы думаете, что человека, попавшего в чёрную дыру, ждёт мгновенная смерть. В действительности же его судьба может оказаться намного более удивительной, рассказывает корреспондент BBC Earth.
Что произойдёт с вами, если вы попадете внутрь чёрной дыры? Может быть, вы думаете, что вас раздавит – или, наоборот, разорвёт на клочки? Но в действительности всё гораздо страннее.
В тот момент, когда вы попадёте в чёрную дыру, реальность разделится надвое. В одной реальности вас мгновенно испепелит, в другой же – вы нырнете вглубь чёрной дыры живым и невредимым.
Внутри чёрной дыры не действуют привычные нам законы физики. Согласно Альберту Эйнштейну, гравитация искривляет пространство. Таким образом, при наличии объекта достаточной плотности пространственно–временной континуум вокруг него может деформироваться настолько, что в самой реальности образуется прореха.
Массивная звезда, израсходовавшая всё топливо, может превратиться именно в тот тип сверхплотной материи, который необходим для возникновения подобного искривленного участка Вселенной. Звезда, схлопывающаяся под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно–временной континуум вокруг неё. Гравитационное поле становится настолько сильным, что даже свет больше не может из него вырваться. В результате область, в которой ранее находилась звезда, становится абсолютно чёрной – это и есть чёрная дыра.
Никто точно не знает, что происходит внутри чёрной дыры
Внешняя поверхность чёрной дыры называется горизонтом событий. Это сферическая граница, на которой достигается баланс между силой гравитационного поля и усилиями света, пытающегося покинуть чёрную дыру. Если пересечь горизонт событий, вырваться будет уже невозможно.
Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам, на нем возникают потоки горячих частиц, излучаемых во Вселенную. Это явление называется излучением Хокинга – в честь описавшего его британского физика–теоретика Стивена Хокинга. Несмотря на то, что материя не может вырваться за пределы горизонта событий, чёрная дыра, тем не менее, "испаряется" – со временем она окончательно потеряет свою массу и исчезнет.
По мере продвижения вглубь чёрной дыры пространство–время продолжает искривляться и в центре становится бесконечно искривленным. Эта точка известна как гравитационная сингулярность. Пространство и время в ней перестают иметь какое–либо значение, а все известные нам законы физики, для описания которых необходимы эти два понятия, больше не действуют.
Никто не знает, что именно ждёт человека, попавшего в центр чёрной дыры. Иная вселенная? Забвение? Задняя стенка книжного шкафа, как в американском научно–фантастическом фильме "Интерстеллар"? Это загадка.
Давайте порассуждаем – на вашем примере – о том, что произойдет, если случайно попасть в чёрную дыру. Компанию в этом эксперименте вам составит внешний наблюдатель – назовем его Анной. Итак, Анна, находящаяся на безопасном расстоянии, в ужасе наблюдает за тем, как вы приближаетесь к границе чёрной дыры. С её точки зрения события будут развиваться весьма странным образом.
По мере вашего приближения к горизонту событий Анна будет видеть, как вы вытягиваетесь в длину и сужаетесь в ширину, будто она рассматривает вас в гигантскую лупу. Кроме того, чем ближе вы будете подлетать к горизонту событий, тем больше Анне будет казаться, что ваша скорость падает.
В центре черной дыры пространство бесконечно искривлено
Вы не сможете докричаться до Анны (поскольку в безвоздушном пространстве звук не передается), но можете попытаться подать ей знак азбукой Морзе при помощи фонарика в вашем iPhone. Однако ваши сигналы будут достигать её со всё возрастающими интервалами, а частота света, испускаемого фонариком, будет смещаться в сторону красного (длинноволнового) участка спектра. Вот как это будет выглядеть: "Порядок, п о р я д о к, п о р я ...".
Когда вы достигнете горизонта событий, то, с точки зрения Анны, замрёте на месте, как если бы кто–то поставил воспроизведение на паузу. Вы останетесь в неподвижности, растянутым по поверхности горизонта событий, и вас начнет охватывать все возрастающий жар.
С точки зрения Анны, вас будут медленно убивать растяжение пространства, остановка времени и жар излучения Хокинга. Прежде чем вы пересечете горизонт событий и углубитесь в недра чёрной дыры, от вас останется один пепел.
Но не спешите заказывать панихиду – давайте на время забудем об Анне и посмотрим на эту ужасную сцену с вашей точки зрения. А с вашей точки зрения будет происходить нечто ещё более странное, то есть ровным счётом ничего особенного.
Вы летите прямиком в одну из самых зловещих точек Вселенной, не испытывая при этом ни малейшей тряски – не говоря уже о растяжении пространства, замедлении времени или жаре излучения. Всё потому, что вы находитесь в состоянии свободного падения и поэтому не чувствуете своего веса – именно это Эйнштейн назвал "самой удачной идеей" своей жизни.
Действительно, горизонт событий – это не кирпичная стена в космосе, а явление, обусловленное точкой зрения наблюдающего. Наблюдатель, остающийся снаружи чёрной дыры, не может заглянуть внутрь сквозь горизонт событий, но это его проблема, а не ваша. С вашей точки зрения никакого горизонта не существует.
Если бы размеры нашей чёрной дыры были меньше, вы и правда столкнулись бы с проблемой – гравитация действовала бы на ваше тело неравномерно, и вас вытянуло бы в макаронину. Но, по счастью для вас, данная чёрная дыра велика – она в миллионы раз массивнее Солнца, так что гравитационная сила достаточно слаба, чтобы можно было ею пренебречь.
Вы не можете вернуться и выбраться из чёрной дыры –
точно так же, как никто из нас не способен на путешествие в прошлое
Внутри достаточно крупной чёрной дыры вы даже сможете вполне нормально прожить остаток жизни, пока не умрёте в гравитационной сингулярности.
Вы можете спросить, насколько нормальной может быть жизнь человека, помимо воли увлекаемого к дыре в пространственно–временном континууме без шанса на то, чтобы когда–нибудь выбраться наружу?
Но если вдуматься, нам всем знакомо это ощущение – только применительно ко времени, а не к пространству. Время идёт только вперед и никогда вспять, и оно действительно влечёт нас за собою помимо нашей воли, не оставляя нам шанса на возвращение в прошлое.
Это не просто аналогия. Чёрные дыры искривляют пространственно–временной континуум до такой степени, что внутри горизонта событий время и пространство меняются местами. В каком–то смысле вас влечет к сингулярности не пространство, а время. Вы не можете вернуться назад и выбраться из чёрной дыры – точно так же, как никто из нас не способен на путешествие в прошлое.
Возможно, теперь вы задаетесь вопросом, что же не так с Анной. Вы летите себе в пустом пространстве чёрной дыры и с вами все в порядке, а она оплакивает вашу гибель, утверждая, что вас испепелило излучение Хокинга с внешней стороны горизонта событий. Уж не галлюцинирует ли она?
В действительности утверждение Анны совершенно справедливо. С её точки зрения, вас действительно поджарило на горизонте событий. И это не иллюзия. Анна может даже собрать ваш пепел и отослать его вашим родным.
Горизонт событий — не кирпичная стена, он проницаем
Дело в том, что, в соответствии с законами квантовой физики, с точки зрения Анны вы не можете пересечь горизонт событий и должны остаться с внешней стороны чёрной дыры, поскольку информация никогда не теряется безвозвратно. Каждый бит информации, отвечающий за ваше существование, обязан оставаться на внешней поверхности горизонта событий – иначе с точки зрения Анны, будут нарушены законы физики.
С другой стороны, законы физики также требуют, чтобы вы пролетели сквозь горизонт событий живыми и невредимыми, не повстречав на своем пути ни горячих частиц, ни каких–либо иных необычных явлений. В противном случае будет нарушена общая теория относительности.
Итак, законы физики хотят, чтобы вы одновременно находились снаружи чёрной дыры (в виде горстки пепла) и внутри неё (в целости и сохранности). И еще один немаловажный момент: согласно общим принципам квантовой механики, информацию нельзя клонировать. Вам нужно находиться в двух местах одновременно, но при этом лишь в одном экземпляре.
Такое парадоксальное явление физики называют термином "исчезновение информации в чёрной дыре". По счастью, в 1990–х гг. ученым удалось этот парадокс разрешить.
Американский физик Леонард Зюсскинд понял, что никакого парадокса на самом деле нет, поскольку никто не увидит вашего клонирования. Анна будет наблюдать за одним вашим экземпляром, а вы – за другим. Вы с Анной никогда больше не встретитесь и не сможете сравнить наблюдения. А третьего наблюдателя, который мог бы наблюдать за вами как снаружи, так и изнутри чёрной дыры одновременно, не существует. Таким образом, законы физики не нарушаются.
Разве что вы захотите узнать, какой из ваших экземпляров реален, а какой нет. Живы вы в действительности или умерли?
Пролетит ли человек сквозь горизонт событий целым
и невредимым или врежется в огненную стену?
Дело в том, что никакого "в действительности" нет. Реальность зависит от наблюдателя. Существует "в действительности" с точки зрения Анны и "в действительности" с вашей точки зрения. Вот и всё.
Почти всё. Летом 2012 г. физики Ахмед Альмхеири, Дональд Маролф, Джо Полчински и Джеймс Салли, коллективно известные под английской аббревиатурой из первых букв своих фамилий как AMPS, предложили мысленный эксперимент, который грозил перевернуть наше представление о чёрных дырах.
По словам ученых, разрешение противоречия, предложенное Зюсскиндом, основывается на том, что разногласие в оценке происходящего между вами и Анной опосредовано горизонтом событий. Неважно, действительно ли Анна видела, как один из двух ваших экземпляров погиб в огне излучения Хокинга, поскольку горизонт событий не давал ей увидеть ваш второй экземпляр, улетающей вглубь чёрной дыры.
Но что, если бы у Анны имелся способ узнать, что происходит по ту сторону горизонта событий, не пересекая его?
Общая теория относительности говорит нам, что это невозможно, но квантовая механика слегка размывает жесткие правила. Анна могла бы одним глазком заглянуть за горизонт событий при помощи того, что Эйнштейн называл "жутким дальнодействием".
Речь идет о квантовой запутанности – явлении, при котором квантовые состояния двух или более частиц, разделенных пространством, загадочным образом оказываются взаимозависимыми. Эти частицы теперь формируют единое и неделимое целое, а информация, необходимая для описания этого целого, заключена не в той или иной частице, а во взаимосвязи между ними.
Идея, выдвинутая AMPS, звучит следующим образом. Предположим, Анна берет частицу поблизости от горизонта событий – назовём её частицей A.
Если её версия произошедшего с вами соответствует действительности, то есть вас убило излучение Хокинга с внешней стороны чёрной дыры, значит, частица A должна быть взаимосвязана с другой частицей – B, которая также должна находиться с внешней стороны горизонта событий.
Чёрные дыры могут притягивать к себе материю близлежащих звезд
Если действительности соответствует ваше видение событий, и вы живы–здоровы с внутренней стороны, тогда частица A должна быть взаимосвязана с частицей C, находящейся где–то внутри черной дыры.
Прелесть этой теории заключается в том, что каждая из частиц может быть взаимосвязана только с одной другой частицей. Это значит, что частица A связана или с частицей B, или с частицей C, но не с обеими одновременно.
Итак, Анна берет свою частицу A и пропускает её через имеющуюся у нее машинку для расшифровки запутанности, которая даёт ответ – связана ли эта частица с частицей B или с частицей C.
Если ответ – C, ваша точка зрения восторжествовала в нарушение законов квантовой механики. Если частица A связана с частицей C, находящейся в недрах чёрной дыры, то информация, описывающая их взаимозависимость, оказывается навсегда утерянной для Анны, что противоречит квантовому закону, согласно которому информация никогда не теряется.
Если же ответ – B, то, вопреки принципам общей теории относительности, права Анна. Если частица A связана с частицей B, вас действительно испепелило излучение Хокинга. Вместо того, чтобы пролететь сквозь горизонт событий, как того требует теория относительности, вы врезались в стену огня.
Итак, мы вернулись к вопросу, с которого начинали – что произойдёт с человеком, попавшим внутрь чёрной дыры? Пролетит ли он сквозь горизонт событий целым и невредимым благодаря реальности, которая удивительным образом зависит от наблюдателя, или врежется в огненную стену (black holes firewall, не путать с компьютерным термином firewall, "брандмауэр", программным обеспечением, защищающим ваш компьютер в сети от несанкционированного вторжения)?
Никто не знает ответа на этот вопрос, один из самых спорных вопросов теоретической физики.
Уже свыше 100 лет учёные пытаются примирить принципы общей теории относительности и квантовой физики в надежде на то, что в конце концов та или другая возобладает. Разрешение парадокса "огненной стены" должно ответить на вопрос, какие из принципов взяли верх, и помочь физикам создать всеобъемлющую теорию.
А может, в следующий раз отправить в чёрную дыру Анну?
Решение парадокса исчезновения информации может крыться в дешифровальной машинке Анны. Определить, с какой именно другой частицей взаимосвязана частица A, чрезвычайно трудно. Физики Дэниэл Харлоу из Принстонского университета в Нью–Джерси и Патрик Хайден, который сейчас работает в калифорнийском Стэнфордском университете в Калифорнии, задались вопросом, сколько на это потребуется времени.
В 2013 г. они подсчитали, что даже при помощи наибыстрейшего компьютера, который возможно создать в соответствии с физическими законами, Анне потребовалось бы чрезвычайно много времени на то, чтобы расшифровать взаимосвязь между частицами – настолько много, что к тому моменту, как она получит ответ, чёрная дыра давным–давно испарится.
Если это так, вероятно, Анне просто не суждено когда–либо узнать, чья точка зрения соответствует действительности. В этом случае обе истории останутся одновременно правдивыми, реальность – зависящей от наблюдателя, и ни один из законов физики не будет нарушен.
Кроме того, связь между сверхсложными вычислениями (на которые наш наблюдатель, по всей видимости, не способен) и пространственно–временным континуумом может натолкнуть физиков на какие–то новые теоретические размышления.
Таким образом, чёрные дыры – не просто опасные объекты на пути межзвездных экспедиций, но и теоретические лаборатории, в которых малейшие вариации в физических законах вырастают до таких размеров, что ими уже невозможно пренебречь.
Если где–то и таится истинная природа реальности, искать её лучше всего в чёрных дырах. Но пока у нас нет четкого понимания того, насколько безопасен для человека горизонт событий, наблюдать за поисками безопаснее всё же снаружи. В крайнем случае можно в следующий раз отправить в черную дыру Анну – теперь её очередь.
Автор: Аманда Гефтер
Источник: BBC Earth
