Нереальная реальность. Вся трилогия в одной книге - Андрей Кананин

Примерно аналогичное свойство присуще воде, которая может быть газообразной, жидкой и твёрдой. Стороннему несведущему наблюдателю было бы сложно догадаться, что лёд, жидкость и пар – суть одно и то же в разных фазовых состояниях. Может быть, подобный подход применим и к чёрным дырам?

Во всяком случае, никакого более вразумительного объяснения пока что не придумано.

Следует сказать ещё об одном интересном свойстве чёрной дыры. Дело в том, что её температура обратно пропорциональна массе. Это противоречит нашему повседневному опыту, но это факт.

Мы знаем, что в обычных условиях для нагревания объекта надо обеспечить его энергией. У чёрной дыры всё наоборот. Чем больше она поглощает вещества или энергии – тем сильнее она охлаждается. Кажется, что рано или поздно любая «насытившаяся» чёрная дыра должна стать абсолютно холодной. Но этот вполне логичный вывод оказался ошибочным.

В 1974 году Стивен Хокинг14 установил, что чёрные дыры не совсем чёрные, а обладают минимальной положительной температурой чуть выше абсолютного нуля. Это было потрясающее открытие с далеко идущими последствиями.

Дело в том, что любое тело, имеющее температуру, обязано излучать. Но это в корне противоречит главному качеству чёрной дыры – ничего от себя не отпускать, включая свет и вообще любое излучение. Как решить возникшее противоречие?

На помощь пришла квантовая физика. Поскольку я ещё буду детально рассказывать об этом передовом разделе современной науки, то в этой главе главное, не разобраться в квантовых законах, а просто уловить суть идей Хокинга.

Суть вот в чём.

Пустое пространство лишь кажется пустым. Вакуум постоянно вибрирует на микроуровне, в пространстве беспрестанно происходят так называемые квантовые флуктуации.

В этом динамичном состоянии постоянно рождаются элементарные частицы, которые являются парными, то есть частицей и античастицей. Время их жизни необычайно мало. Из-за того, что они парные, они почти что моментально взаимно аннигилируют, и мы не замечаем их рождения и смерти в обычных условиях.

Однако, вблизи горизонта событий чёрной дыры, условия, мягко говоря, далеки от обычных. Пара частица-античастица быстро взаимно уничтожается, если поблизости нет внешних полей, способных повлиять на их поведение. Но, рядом с чёрной дырой наблюдается сильнейшее гравитационное поле.

Оно настолько мощное, что успевает как бы выхватить одну из рождённых частиц из объятий аннигиляционной смерти, и затянуть её внутрь чёрной дыры. Вторая частица, соответственно, остаётся без пары.

Но, в отличие от захваченного партнёра, энергия гравитационного поля не втягивает её внутрь чёрной дыры, а, наоборот, отталкивает эту одинокую частицу от горизонта событий. В результате подобного «разлучения пар» со стороны кажется, что чёрная дыра непрерывно испускает излучение, названное излучением Хокинга.

До недавнего времени считалось, что если объект попал в чёрную дыру, то содержащаяся в нём информация навсегда потеряна для внешнего мира. При этом не утрачена для Вселенной в целом, что противоречило бы законам физики. Информация оказывается надёжно спрятанной за горизонтом событий. Казалось бы, что об объектах, попавших в чёрную дыру, можно забыть навечно. Ведь даже фотоны света, как потенциальные переносчики информации, не способны преодолеть её гравитационного притяжения.

Однако, не всё так одназначно.

Обращусь к такой аналогии. Представьте, что у вас есть две одинаковые по размеру фотографии. На одной изображены вы, а на другой, допустим, ваш отец. Если порвать снимки на мелкие кусочки то, на первый взгляд кажется, что перед вами лежит две одинаковых кучки мелко разорванной фотобумаги. Конечно, это не так.

Проявив усердие и терпение, вы сможете восстановить изначальное изображение, как своё, так и вашего отца. А теперь, допустим, что одну из этих фотографий вы выбросили в чёрную дыру.

Поскольку Хокинг установил, что на квантовом уровне чёрные дыры излучают, можно предположить, что всё их вещество, включая остатки фотографии непременно и бесследно испарятся. То есть, в этом случае, никак нельзя установить, кто был изображён на фотоснимке. Возникшая проблема – не философская казуистика. Всё очень серьёзно. Современная физика утверждает, что такого рода информация принципиально восстановима. Получается квантовый информационный парадокс.

Квантовое описание мира по определению точное. Это означает, что утерянная в чёрной дыре информация может быть восстановлена. Поэтому, можно попробовать зайти с другой стороны.

Как и любое другое излучение, излучение Хокинга должно переносить энергию. Следовательно, масса чёрной дыры будет пускай очень медленно, но всё же уменьшаться. Вместе с этим будет сокращаться радиус Шварцшильда.

Я уже упоминал об одном весьма необычном свойстве чёрной дыры – чем она массивнее, тем она холоднее. Соответственно, излучая, то есть становясь легче, она будет всё сильнее нагреваться.

Постоянно расходуя свою массу на рождение пар частиц, в конце концов чёрная дыра неизбежно полностью испарится, превратившись в облако излучения. А это уже что-то. Ведь любое излучение в принципе можно «дешифровать».

Из этого вытекает чрезвычайно значимый вывод: навечно отрезанные от космоса области пространства, могут вновь вернуться в реальный мир. И здесь возникают важнейшие философские вопросы.

Восстанавливается ли информация, ранее попавшая в чёрную дыру, после её квантового испарения? И если да, то в каком виде и на каком условном носителе она пребывала всё это время внутри чёрной дыры?

Каким образом и из чего она извлекается?

И здесь есть одна удивительная возможность.

Известно, что любая трёхмерная область может быть описана с помощью информации, закодированной на двумерной поверхности. Применительно к чёрной дыре – в виде информационной проекции на границе её горизонта событий. То есть там, где действуют квантовые законы.

Это решение проблемы. Если данные сохраняются на границе, они должны каким-то способом сохраняться и в трёхмерной области пространства. Поэтому информация во Вселенной может никогда не теряться.

Как видно, вопросы, связанные с ролью чёрных дыр в истории Вселенной, выходят далеко за рамки физики и астрономии.

На передний план выходят фундаментальные проблемы миропонимания: что происходит с пространством и временем в экстремальных условиях, что объединяет материю с информацией, существует ли граница познания Природы?

Глава 16. Белые дыры

Некоторые теоретические расчёты показывают, что наряду с чёрными дырами во Вселенной могут существовать их антиподы – белые дыры. Из чёрной дыры ничто не может вырваться. В белую дыру ничто не может попасть.

Для всех нас, то есть людей, живущих в причинно-следственном мире, принципиально важно в какую сторону течёт время. Для абстрактной физики это абсолютно безразлично. В какую бы сторону ни была направлена стрела времени, фундаментальные законы природы всегда одинаковы. Это не предположение, а научно установленный факт.

В нашей Вселенной время направлено в будущее. Так сложилось в результате особенностей конфигурации Большого Взрыва. Однако, ничто не препятствовало иному сценарию. Перед Большим Взрывом вероятность была равнозначной. Реализуйся иной вариант, «стрела времени» Вселенной могла быть направлена в прошлое. Эволюция протекала бы в режиме «тому назад».

Нам очень сложно представить себе такой мир. Но это совершенно субъективное и интуитивное неприятие. Мы привыкли думать и действовать вперёд, а не назад.

Физике такой субъективизм не свойственен. Математические формулы успешно работают и со знаком «плюс», и со знаком «минус». Для конкретных уравнений это совершенно не принципиально. Математикам хорошо известна эта особенность любых вычислений.

Так вот, если сохранить все необходимые параметры, связанные с гравитационным коллапсом материи, но направить «стрелу времени» в прошлое, то вместо чёрной получится белая дыра.

Это ещё более трудно понимаемый объект.

Белая дыра способна самостоятельно рождать материю из ничего. Она спонтанно возникает посреди пустоты, взрывается и выбрасывает в космос вещество и излучение.

В процессе эволюции белой дыры вокруг её горизонта событий рождается новое пространство-время. Не правда ли, такое описание подозрительно напоминает Большой Взрыв?

Неудивительно, что некоторые исследователи убеждены, что вся наша Вселенная находится внутри огромной чёрной дыры, которая, в свою очередь, расположена в другой вселенной. Тогда чёрная дыра на входе в одном мире является белой дырой на выходе в другом. А процесс Большого Взрыва на самом деле является формированием чёрной дыры в иной вселенной.