Силиконовый Рай

Это может звучать как оторванная от реальности академическая дискуссия, но у такого космического "форматирования диска" могут быть вполне реальные земные последствия.

Напомним, что в "центре" чёрной дыры, как считают многие учёные, лежит сингулярность – точка, в которой кривизна пространства-времени обращается в бесконечность, а законы нашего мира рушатся. А если говорить проще, это точка, к которой неприменимы наши привычные представления о времени и пространстве, где невозможно отличить одно от другого и где, как полагают некоторые специалисты, стрела времени перестаёт существовать.

Чёрная дыра притягивает облако газа, разогревая его. Излучение, испускаемое при этом частицами газа, – один из способов обнаружить "невидимый" объект (иллюстрация CXC/S.Lee).
Всё равно сложно? Это действительно непросто представить, но физикам приходится подбирать какие-то аналогии, чтобы описывать эти странные объекты не только одними уравнениями.

Сингулярности ставят серьёзную проблему перед квантовой теорией, на основании которой, кстати говоря, сделаны расчёты всех полупроводниковых микросхем и вашего компьютера в том числе. Так вот, один из базовых принципов квантовой механики гласит, что текущее состояние Вселенной зависит от её предыдущего состояния. Соответственно, если "перемотать" все известные состояния Вселенной назад, то можно представить, что было в исходной точке. Этот принцип называется квантовой обратимостью.

Для физиков это означает, что можно математически рассчитать параметры всех частиц во Вселенной для какого-либо момента в прошлом и сказать, каким было это прошлое – информация должна сохраняться.

Одно из главных открытий Хокинга было сделано им ещё в 1973 году: вследствие квантовых эффектов чёрные дыры могут испускать частицы — "испаряться". Наличие такого излучения поставило перед учёными два неразрешимых и взаимосвязанных вопроса: "потеря" информации в чёрной дыре и её повышенная энтропия. Сам Хокинг (а с ним и многие физики) долгое время считал, что излучение чёрной дыры никак не зависит от того, что в неё ранее "попало" (фото с сайта sfgate.com).
В 1970-х годах эти "основы мироздания" были подвергнуты сомнению Стивеном Хокингом – одним из самых известных современных физиков. Он утверждал, что чёрные дыры "перемалывают" всю материю без остатка и квантовая обратимость перестаёт в них работать.

Спустя 30 лет, в 2004 году, знаменитый космолог признал, что ошибался. Однако он так и не дал теоретического обоснования, почему "данные" сохраняются. Или не сохраняются. В общем, вопрос оставался открытым.

И вот появилась новая, математически выверенная теория, которая попыталась этот вопрос закрыть. Расчёты, проведённые доктором Аштекаром и его группой, позволяют предположить: кое-что всё-таки может выжить в недрах загадочного космического объекта – квантовая информация способна "продраться" сквозь чёрную дыру.

Если выкладки верны, это поможет решить важную проблему квантовой механики и сделать чёрные дыры для нас более предсказуемыми.

Вселенский шредер: чёрная дыра "перерабатывает" материю без остатка. Согласно квантовой теории может происходить спонтанное рождение частиц и античастиц из вакуума. Если поблизости есть чёрная дыра, то её поле притянет ближайшую частицу, а другая частица, в силу квантовых эффектов, "уйдёт" на большее расстояние, унося с собой часть энергии-массы (и информации) чёрной дыры — это явление названо излучением Хокинга. В течение своего формирования чёрные дыры поглощают множество падающих на них частиц различных типов и свойств. Хотя квантовая теория требует, чтобы подобная информация была сохранена, до недавнего времени считалось, что она теряется в недрах дыры (иллюстрация NASA).
А может ли повлиять на нас с вами их гипотетическая непредсказуемость? Да запросто.

Согласно теории Хокинга, такая дыра должна мгновенно "испариться", но при неблагоприятном исходе появление этих "миниатюрных" чёрных дыр даже на миг может уничтожить какую-то часть информации о нашем мире, и эксперимент окончится небывалой катастрофой. "Этот риск потери информации висит дамокловым мечом", — говорят авторы работы.

Доктор Аштекар с коллегами решили разобраться с проблемой путём… изменения структуры пространства и времени. Мысленного, разумеется.

Гравитационная теория Эйнштейна — общая теория относительности – рассматривает пространственно-временной континуум, то есть нечто сплошное и непрерывное. Как лист бумаги, например.

Американо-индийский физик обратился к этой аналогии и попытался развить её.

Так же, как лист бумаги, состоит из атомов, он представил пространство-время "собранным" из мириад строительных блоков. Как и бумага, пространство-время для удалённого наблюдателя (человека, пишущего письмо) кажется непрерывным, но при значительном приближении можно увидеть отдельные "кирпичики" (скажем, атомы листа бумаги в электронный микроскоп).

Доктор Аштекар считает, что пространство и время "больше, чем считалось ранее, и это оставляет возможность для восстановления информации" (фото с сайта phys.psu.edu).
Основываясь на этой гипотезе, учёный со товарищи сделали математическую модель того, что может представлять собой центр чёрной дыры. При этом для упрощения модели и соответствующего математического аппарата они использовали двухмерные координаты вместо трёхмерных.

И вот в этой "плоской" пространственной системе исследователи выяснили, что сингулярность – всепоглощающий космический "стиратель" – исчезает, и вместо неё "появляется" некая причудливая область. Пространство-время в этом новом "сердце" чёрной дыры должно стать настолько непредсказуемым, что все причинно-следственные связи нашего мира окажутся нарушенными. И всё же даже в таких условиях ничего страшного не произойдёт.

По крайней мере так можно утверждать на основании полученных теоретических выкладок: в смоделированных учёными "несингулярных" объектах классическая логика не действует, а вот законы квантовой механики работают прекрасно.

При изучении чёрных дыр физики столкнулись с философскими по сути вопросами, например, какова связь между материей и информацией? В информационном парадоксе речь идёт о нарушении законов квантовой обратимости, то есть исчезновении квантовой информации о частицах, попавших в чёрную дыру (иллюстрация с сайта wwu.edu).
И этот вывод – как бальзам на душу физиков. Ведь если чёрные дыры ведут себя именно так, как говорит доктор Аштекар, информация никогда не будет потеряна и "квантовые" законы продолжат выполняться даже за горизонтом событий.

Кстати, если ваc всерьёз заинтересовала эта работа, то её полный текст можно будет найти в выпуске журнала Physical Review Letters от 20 мая 2008 года.

Само собой, теория не претендует на законченность и полноту: полное соединение квантовых эффектов и гравитации должно произойти в давно ожидаемой Теории Всего, а на столь масштабный труд авторы работы не претендуют.

По словам профессора Билла Анруха (Bill Unruh), специалиста по гравитации из университета Британской Колумбии (University of British Columbia in Vancouver), полученная теория очень интересна и "находится одной ногой в реальности". По его мнению, теория "блочного пространства" позволит предсказать ранее неизвестные свойства чёрных дыр.

В работе американских физиков говорится, что наша Вселенная не непрерывна, а состоит из отдельных блоков-кирпичиков (иллюстрация с сайта pictopia.com).
"Всеядность" чёрной дыры, по идее, можно измерить с помощью её информационной энтропии – глубоко таинственной концепции. Для оценки меры хаотичности информации её ввёл американский математик Клод Шеннон (Claude Shannon). Эту весьма сложную для ассоциативного восприятия концепцию ему предложил знаменитый фон Нейман, добавив при этом: "Это даст вам большое преимущество в спорах, так как никто на самом деле не знает, что же такое энтропия"

В свою очередь астроном Кимберли Уивер (Kimberly Weaver) из NASA, говорит, что необходимо экспериментально подтвердить факт излучения Хокинга и попытаться проанализировать его. Возможно, наблюдения покажут, что в излучаемых частицах какая-то информация о "предыстории" чёрной дыры всё-таки содержится. Но лишь в случае обнаружения "испарения" соответствующей аппаратурой это можно будет утверждать наверняка.

"Теория находится в младенческой стадии", — признаёт доктор Аштекар. Но он уверен, что она будет работать и для нашего трёхмерного пространства. А в этом случае, считает физик, исследование может приблизить учёных к пониманию того, как "взаимодействуют" квантовая механика и гравитация. То есть стать ещё одним кусочком мозаики, который поможет понять устройство Вселенной.

Если это возможно в принципе, разумеется.

МЕМБРАНА