Дмитровский Форум V2

[White_bear]

Чёрная дыра. Название, устрашающее само по себе, относится к объектам Вселенной, которые самим своим существованием опровергают все представления о незыблемости материи в её привычной форме... Что это такое? Да и вообще, существует ли она? Как материя может обладать "бесконечной плотностью"?

Собственно, уже ясно, что сверхмассивные чёрные дыры (чем бы они ни являлись) с их колоссальной гравитацией "держат" целые галактики, в некоторой степени предохраняя их от разлёта. Наша Галактика также содержит в центре чёрную дыру (или же наоборот, дыра "содержит" всю Галактику), при этом с ней связан весьма странный феномен - а именно, крайне низкая активность.
Чёрная дыра на диете

По данным Европейского космического агентства и профессора Московского института космических исследований, порядка 350 лет назад чёрная дыра в центре нашей Галактики активно исторгала из себя энергию, а сейчас находится в странной спячке: окружающий её газ излучает не сильнее, чем любая среднестатистическая звезда, такая как Солнце. В то время как для других галактик свойственно иметь сверхъяркие "чёрные дыры" (точнее, сверхъярким является газ, пожираемый чёрной дырой, разогревающийся и ускоряющийся при сближении с нею).

Откуда величина "350 лет назад"? Ну, во-первых, сюда надо приплюсовывать значение расстояния от Земли до центра Галактики (а это около 30 тыс. св. лет). Просто речь идёт об излучении, которое регистрируется на Земле.

Так вот, на расстоянии 350 св. лет от чёрной дыры (объект под кодовым названием Стрелец А*) располагается водородное облако Стрелец Б2 (Sagittarius B2). В настоящее время астрономы регистрируют чрезвычайно высокоэнергетическое рентгеновское излучение, исходящее из этого облака. Единственным разумным объяснением этого феномена учёные полагают высокоэнергетический выброс гамма-лучей от нашей чёрной дыры. Наблюдения, осуществлённые с помощью орбитальной рентгеновской обсерватории Integral, доказывают, что это предположение (выдвинутое, собственно, ещё в девяностые годы), - единственно верное.

По всей вероятности, чёрная дыра Стрелец А* в течение 10 лет исторгала из себя потоки энергии - в таких количествах, чтобы сравниться по яркости с целыми галактиками. По мнению Михаила Ревнивцева из Московского института космических исследований РАН, каждую секунду чёрная дыра пожирала до 10 в 12 степени тонн газа и пыли; но почему это вдруг прекратилось, неизвестно. Астрономы полагают, что подобное может повториться в любой момент.
Теория струн и си

Общепринятая (на данный момент) теория чёрных дыр, выдвинутая ещё в 1960 годы физиком Джоном Уилером, гласит, что после "выгорания" звезды, её останки сжимаются с такой силой, что сила притяжения превышает силу отталкивания, и в результате всё сжимается в сингулярность: точку в пространстве, в которой материя находится в состоянии "бесконечной плотности". Вокруг сингулярности располагается т.н. "горизонт событий", некая гипотетическая граница, за пределами которой вся материя и энергия (включая свет), втягиваются в чёрную дыру и уже никогда (?) не вырываются наружу.

Однако вот с этим "никогда" и возникают все вопросы.

В 1975 году один из крупнейших теоретиков чёрных дыр Стивен Хокинг из Кэмбриджского университета установил (правда, лишь теоретически), что чёрные дыры медленно, но неизбежно истаивают. В соответствии с законами квантовой механики, пары "виртуальных" частиц и античастиц постоянно бурлят в пустом пространстве. Хокинг показал, что гравитационная энергия чёрных дыр может передаваться "виртуальным" частицам у самого горизонта событий. В этом случае, "виртуальные" частицы становятся реальными и выходят за пределы горизонта вместе с позитивной энергией в форме "излучения Хокинга". Таким образом, со временем чёрная дыра испаряется.

Однако такой взгляд привёл к проблеме "информационного парадокса". Теория относительности вроде бы предполагает, что информация о материи, попадающей в чёрную дыру, теряется, а квантовая механика утверждает, что информация может в итоге вырваться наружу.

Хокинг на это отметил, что хаотичная натура "излучения Хокинга" означает, что энергия вырывается наружу, а информация нет. Однако в прошлом году он изменил своё мнение - и это лишь один из пунктов пересмотра современной наукой всех своих взглядов на чёрные дыры.

Дело в том, что сейчас теоретики пытаются "примерить" на чёрные дыры (и все теоретические неувязки, связанные с ними), так называемую "теорию струн", утверждающую (если упрощённо), что пространство-время и всё, в них пребывающее, состоит из крошечных вибрирующих струн, настолько малых, что едва ли когда-нибудь их удастся обнаружить непосредственно.

New Scientist пишет, что теория струн сейчас - это наилучшая попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, поскольку сами струны несут в себе гравитационную силу, а их вибрация является рандомной, как и предсказывает квантовая механика.

В середине девяностых Эндрю Стромингер и Камран Вафа из гарвардского университета решили подойти к проблеме информационного парадокса путём определения, как чёрная дыра может быть устроена изнутри.

Выяснилось, что теория струн дозволяет выстраивание исключительно плотных и мелкомасштабных структур из этих самых струн и других объектов, описываемых теорией, часть из которых имеют более трёх измерений. И эти структуры вели себя как раз как чёрные дыры: их гравитационная тяга не выпускает наружу свет.

Количество способов организации струн внутри чёрных дыр, - просто огромно. И, что особо интересно, эта величина полностью совпадает с величиной энтропии чёрной дыры, которую Хокинг и его коллега Бекенштейн рассчитали ещё в 1970-е годы.
Для справки. Энтропия объекта представляет собой меру количества информации, которую этот объект способен вместить, и, в частности, количества возможных способов сочетания отдельных частей объекта, пишет New Scientist. Соответственно, совпадение результатов вычислений, выполненных Хокингов-Бекенштайном и Стромингером-Вафой, говорит о справедливости предположения относительно "струнной структуры" чёрных дыр.

Однако определение количества возможных вариантов сочетания струн - это ещё не всё. В прошлом году команда Самира Матура из Университета штата Огайо взялась за прояснение вопроса возможного расположения струн внутри чёрной дыры. В результате, выяснилось, что почти всегда струны соединяются так, что образуют единую - большую и очень гибкую - струну, куда большего размера, нежели точечная сингулярность.

Группа Матура вычислила физические размеры нескольких "струнных" чёрных дыр, (которые участники группы предпочитают называть fuzzballs - "пуховыми шариками", или stringy stars - "струнными звёздами"). И с удивлением обнаружили, что размеры этих струнных образований совпадали с размерами "горизонта событий" в традиционной теории.

В связи с этим Матур предположил, что т.н. "горизонт событий" на самом деле представляет собой "пенящуюся массу струн", а не жёстко очерченную границу.

И что чёрная дыра на самом деле не уничтожает информацию по той причине, например, что никакой сингулярности в чёрных дырах просто нет. Масса струн распределяется по всему объёму до горизонта событий, и информация может храниться в струнах и отпечатываться на исходящем излучении Хокинга (а следовательно, выходить за порог событий).

Впрочем, и Вафа, и Матур признают, что эта картина носит весьма предварительный характер. Матуру ещё предстоит проверить, как его модель подходит к крупным чёрным дырам, или понять, как чёрные дыры эволюционируют.

Ещё один вариант предложен Гэри Горовицем из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре и Хуаном Малдасеной из принстоновского Института передовых исследований. По мнению этих исследователей, сингулярность в центре чёрной дыры всё-таки существует, однако информация в неё просто не попадает: материя уходит в сингулярность, а информация - путём квантовой телепортации - отпечатывается на излучении Хокинга и уходит прочь.

Однако многие физики оспаривают данную точку зрения, отвергая возможность мгновенного перехода информации.
Для справки. Эффект квантовой телепортации информации, по мнению оппонентов идей Горовица-Малдасены, допускает возможность передачи информации со скоростью выше скорости света. Идея телепортации основывается на предположении, что вся материя внутри чёрной дыры пребывает в одном и том же квантовом состоянии. И хотя квантовая механика допускает, что любая частица может оказывать моментальное воздействие на квантовое состояние другой, коммуникация между ними невозможна. Информация, как пишет New Scientist, переходит всё-таки "традиционным способом", и не быстрее, чем движутся фотоны.

В любом случае, всё это лишь теоретические выкладки, и ничего более.

Однако в Женеве уже строится Большой адронный коллайдер, самый мощный на Земле ускоритель частиц, который планируется ввести в действие уже в 2007 году. В этом ускорителе протоны будут сталкиваться с энергией до 14 на 10 в 12 степени эВ, чего, по мнению учёных, будет достаточно для того, чтобы создавать несколько микроскопических чёрных дыр каждую секунду, если некоторые нынешние теоретические выкладки окажутся верными.