Квантовые черные дыры - Отрывок из книги Карло Ровелли
Мы публикуем главу из книги физика Карло Ровелли «Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле», посвященной петлевой квантовой теории гравитации и ее значению для науки. Перевод с английского Александра Сергеева.
Черных дыр в нашей Вселенной очень много. Это области, в которых пространство настолько искривлено, что замыкается на себя, а время замирает. Как уже говорилось, они образуются, когда звезда сжигает весь доступный ей водород и коллапсирует.
Часто сколлапсировавшая звезда входит в состав двойной звезды. В этом случае черная дыра и ее «живой» партнер будут обращаться друг вокруг друга; при этом черная дыра непрерывно затягивает вещество другой звезды (рис. 1).
Астрономы обнаружили множество черных дыр величиной (то есть массой) порядка нашего Солнца (на самом деле несколько массивнее). Но существуют также гигантские черные дыры. По крайней мере одна такая есть в центре почти каждой галактики, включая нашу собственную.
Рисунок 1. Пара из обычной звезды и черной дыры. Звезда теряет вещество, которое частично поглощается черной дырой, а частично выбрасывается в виде струй (джетов) в направлении ее полюсов
Черная дыра в центре нашей Галактики сейчас подробно изучается. Ее масса в миллион раз больше солнечной. Всякий раз, когда какая-нибудь звезда подлетает слишком близко к этому монстру, гравитационные деформации разрушают ее, и циклопическая черная дыра проглатывает ее, как кит маленькую рыбку. Представьте себе монстра размером в миллион солнц, который в мгновение ока проглатывает наше Солнце с его миниатюрными планетками...
Сейчас реализуется замечательный проект по созданию сети радиоантенн, разбросанных по всей Земле от полюса до полюса, с помощью которых астрономы достигнут разрешения, достаточного, чтобы «увидеть» центральную черную дыру нашей Галактики. Мы надеемся разглядеть маленький черный диск, окруженный светом, испускаемым падающей на черную дыру материей.
То, что попадает в черную дыру, никогда не выходит обратно, по крайней мере, если мы игнорируем квантовую теорию. Поверхность черной дыры подобна настоящему моменту во времени - пройти ее можно только в одном направлении. Из будущего нет возврата. Для черной дыры прошлое - это внешняя область, а будущее - внутренняя. Если смотреть снаружи, черная дыра подобна сфере, в которую можно погрузиться, но из которой ничто не выходит обратно. Ракета может зависнуть на фиксированном расстоянии от этой сферы, которую называют горизонтом черной дыры. Для этого двигателям придется очень интенсивно работать, сопротивляясь гравитационному притяжению дыры. Мощная гравитация черной дыры приведет к замедлению времени на ракете. Если ракета зависнет в течение часа достаточно близко к горизонту, а затем вернется назад, окажется, что вовне тем временем прошли столетия. Чем ближе к горизонту останавливается ракета, тем медленнее по отношению к внешнему миру течет ее время. Так что путешествовать в прошлое проблематично, а путешествовать в будущее легко: достаточно подлететь поближе к черной дыре, побыть некоторое время в ее окрестностях, а затем вернуться.
На самом горизонте время останавливается: если мы подлетим совсем близко к нему и всего через несколько минут по нашим часам улетим обратно, в остальной Вселенной может пройти миллион лет.
По-настоящему удивительно то, что свойства этих рутинно наблюдаемых сегодня странных объектов были предсказаны эйнштейновской теорией. Сегодня астрономы изучают эти объекты в пространстве, но еще не так давно черные дыры рассматривались как малоправдоподобные и диковинные следствия экстравагантной теории. Я помню, как мой университетский профессор говорил о них как о решениях уравнений Эйнштейна, которым «вряд ли соответствуют какие-то реальные объекты». Это пример поразительной способности теоретической физики открывать то, чего еще никто не наблюдал.
Рисунок 2. Поверхность черной дыры, пересекаемая петлями, то есть ребрами спиновой сети, которая описывает состояние гравитационного поля. Каждая петля соответствует кванту площади поверхности черной дыры. © Джон Баез
Черные дыры, которые мы наблюдаем, хорошо описываются теорией Эйнштейна, и для их понимания не требуется квантовая механика. Но есть две загадки черных дыр, для раскрытия которых необходима квантовая механика, и для каждой из них петлевая теория предлагает возможное решение. Одна из них также дает возможность проверки этой теории.
Первое приложение квантовой гравитации к черным дырам связано с забавным фактом, открытым Стивеном Хокингом. В начале 1970-х годов он пришел к теоретическому выводу о том, что черные дыры «горячие». Они ведут себя как нагретые тела - испускают излучение. При этом они теряют энергию, а значит и массу (поскольку энергия и масса - это одно и то же), постепенно становясь все меньше. Они испаряются. Это испарение черных дыр - самое значительное открытие, сделанное Хокингом.
Предметы бывают горячими, поскольку их микроскопические составляющие движутся. В горячем куске железа, например, атомы железа очень быстро колеблются вокруг своих равновесных положений. Горячий воздух горяч потому, что молекулы в нем движутся быстрее, чем в холодном воздухе.
Что за элементарные «атомы» колеблются в черных дырах, делая их горячими? Хокинг оставил этот вопрос без ответа. Петлевая теория дает возможный ответ. Элементарные атомы, которые вибрируют в черной дыре и тем самым наделяют ее температурой, - это отдельные кванты пространства на ее поверхности.
Таким образом, с помощью петлевой теории удается понять странное тепло черных дыр, предсказанное Хокингом: это тепло - результат микроскопических колебаний отдельных атомов пространства. Они колеблются, поскольку в мире квантовой механики колеблется всё, ничто не остается неподвижным. Самая суть квантовой механики состоит в невозможности заставить что-либо полностью замереть на продолжительное время. Тепло черных дыр напрямую связано с флуктуациями атомов пространства в петлевой квантовой гравитации. Точное положение горизонта черной дыры определяется с точностью до этих микроскопических флуктуаций гравитационного поля. Поэтому, в некотором смысле, горизонт флуктуирует как нагретое тело.
Есть и другой способ понимания природы тепла черных дыр. Квантовые флуктуации порождают корреляции между внутренней и внешней областями дыры. (Я подробно остановлюсь на корреляциях и температуре в главе 12.) Квантовая неопределенность на горизонте черной дыры порождает флуктуации геометрии горизонта. Однако флуктуации подразумевают вероятность, а вероятность влечет за собой термодинамику, и, как следствие, температуру. Скрывая от нас часть Вселенной, черная дыра делает свои квантовые флуктуации воспринимаемыми в форме тепла.
Молодой итальянский ученый Евгенио Бианчи, ныне ставший профессором в Соединенных Штатах, выполнил элегантные вычисления, которые демонстрируют, что, отталкиваясь от этих идей и фундаментальных уравнений квантовой теории гравитации, можно вывести формулу для температуры черных дыр, которая впервые была предсказана Хокингом (рис. 3).
Второе приложение петлевой квантовой гравитации к физике черных дыр еще более впечатляющее. Сколлапсировавшая звезда исчезает для внешнего наблюдателя: она находится внутри черной дыры. Но что происходит с ней внутри дыры? Что вы увидите, если сами упадете в дыру?
Рисунок 3. Стивен Хокинг и Евгенио Бианчи. На доске - ключевые уравнения петлевой теории гравитации, которые описывают черные дыры
Поначалу ничего особенного: вы пересечете поверхность черной дыры без серьезного ущерба, а затем вас станет тянуть к центру со все большей скоростью. Что же дальше? Общая теория относительности предсказывает, что в центре всё сжимается в бесконечно малого размера точку с бесконечной плотностью. Но это, опять же, если игнорировать квантовую теорию.
Если же принять во внимание квантовую гравитацию, это предсказание перестает быть корректным, ведь существует квантовое отталкивание, такое же, как отталкивание, заставившее Вселенную отскочить в момент Большого взрыва. Мы ожидаем, что с приближением к центру падающая материя станет замедляться этим квантовым давлением и достигнет очень высокой, но конечной плотности. Материя сдавливается, но не в бесконечно малую точку, поскольку есть предел того, насколько малы могут быть объекты. Квантовая гравитация порождает огромное давление, которое заставляет материю отскакивать, в точности как коллапсирующая Вселенная может отскочить и стать расширяющейся.
Отскок коллапсирующей звезды может быть очень быстрым, если смотреть на него изнутри. Но, напоминаю, время там течет намного медленнее, чем снаружи. При наблюдении извне этот процесс отскока может занять миллиарды лет. По прошествии этого времени мы увидим, как черная дыра взрывается. В конечном счете черная дыра фактически оказывается коротким путем в отдаленное будущее.
Итак, квантовая гравитация, возможно, предсказывает, что черные дыры - это вовсе не вечные стабильные объекты, как в классической общей теории относительности. В конечном счете они неустойчивы.
Наблюдение такого взрыва черной дыры стало бы впечатляющим подтверждением теории. Очень старые черные дыры, из тех, что образовались в ранней Вселенной, могут взрываться сегодня. Из некоторых недавних расчетов вытекает, что сигналы от их взрывов могут наблюдаться радиотелескопами. Было даже высказано предположение, что некие загадочные радиоимпульсы, которые радиоастрономы уже регистрируют и называют быстрыми радиовсплесками, могут как раз и оказаться сигналами, возникающими при взрыве первичных черных дыр. В случае подтверждения этого предположения мы получим поистине фантастический результат: прямое наблюдение квантового гравитационного явления. Остается только подождать...
Источник: postnauka.ru