Методические материалы, статьи

Диалоги о природе пространства и времени

Стивен Хоукинг. Квантовые черные дыры

Квантовая теория черных дыр приводит к новому уровню непредсказуемости в физике, более высокому, чем обычная неопределенность, связанная с квантовой механикой. Черные дыры обладают собственной энтропией и засасывают в себя информацию от окружающего участка Вселенной. Этот момент вызывает активные возражения со стороны экспертов из области физики элементарных частиц: никто из них не может согласиться с бесследным исчезновением информации. Но, с другой стороны, пока нет никакой мало-мальски разумной гипотезы, как информация может выбраться из цепких объятий черной дыры. Честно говоря, я уверен, что рано или поздно моим оппонентам придется принять мою точку зрения точно так же, как они согласились с излучением черной дыры, что шло вразрез со всеми общепринятыми представлениями.

Тот факт, что гравитация притягивает массы друг к другу, неизбежно приводит к стремлению материи соединиться в компактные объекты типа звезд и галактик. Их удерживает от неограниченного сжатия тепловое давление (в случае звезд) или вращение и внутреннее движение (в случае галактик). Однако с течением времени тепло излучается, и объект начинает сжиматься. Если его масса меньше полутора солнечных масс, то он превращается в белого карлика или нейтронную звезду, от дальнейшего сжатия его удерживает расталкивание электронов или нейтронов. Если же масса больше этого предела, то противодействовать гравитационному сжатию ничто не может, и тело сжимается до такого радиуса, что на его поверхности даже лучи света не могут перебороть огромной силы притяжения. Получается некая замкнутая область пространства.

Именно этот район пространства-времени, из которого ничто не может уйти на бесконечность, и называется черной дырой. Его граница называется горизонтом событий, по ней идут лучи света, которые не смогли уйти от притяжения черной дыры.

Когда тело сжимается до черной дыры, теряется много информации: вначале оно описывается большим количеством параметров — типом вещества, моментами масс, а у черной дыры остаются всего два параметра — масса и момент вращения.

В классической теории никого не волнует потеря информации, поскольку там считается, что она находится внутри сколлапсировавшего тела. В принципе сторонний наблюдатель может следить за коллапсом тела в черную дыру, при этом время на черной дыре будет все замедляться и замедляться, и все процессы будут там течь медленнее и медленнее.

В квантовой теории ситуация меняется. Можно посчитать, сколько фотонов испустит черная дыра до полного коллапса, их явно не хватит для выноса всей информации. Это означает, что внешний наблюдатель не сможет измерить состояние черной дыры никоим образом. Можно, как и в классике, предположить, что недостающая информация упрятана внутри черной дыры, но здесь появляется вторая сложность…

Оказывается, в квантовой теории черные дыры излучают и теряют массу. Вполне возможно, что они в конце концов исчезнут и возьмут с собой всю информацию. У меня есть некоторые соображения, что эта информация действительно безвозвратно теряется и вернуть ее невозможно. Эта потеря информации вносит новый уровень неопределенности, кроме традиционных неопределенностей квантовой физики. К сожалению, эту неопределенность невероятно трудно будет доказать экспериментально, в отличие от принципа неопределенности Гейзенберга.

Роджер Пенроуз о квантовой теории и пространстве-времени

Величайшие теории двадцатого века — квантовая теория, специальная теория относительности, общая теория относительности и квантовая теория поля. Они взаимозависимы: общая теория относительности базируется на специальной теории относительности.

Справедливость квантовой теории поля проверена с точностью до одного на десять в одиннадцатой степени. Общая теория относительности проверена с точностью еще в тысячу раз большей и ограничивает ее сегодня лишь точность земных часов. Это делается с помощью бинарных пульсаров — пары нейтронных звезд, вращающихся друг вокруг друга. Общая теория относительности предсказывает, что период их обращения должен уменьшаться из-за потери энергии через излучение гравитационных волн. Именно это и наблюдается в полном согласии с предсказаниями теории, и блестящая экспериментальная работа справедливо увенчана Нобелевской премией.

Несмотря на торжество всех четырех теорий, у них есть свои проблемы. Общая теория относительности предсказывает существование сингулярностей в пространстве-времени. В квантовой теории есть проблема измерения — мы поговорим о ней позднее. Может быть, корень этих проблем кроется в незавершенности теорий? К примеру, ожидается, что квантовая теория поля может «сгладить» сингулярности общей теории относительности…

Теперь поговорим об информации, теряемой в черных дырах. Я согласен почти со всем, что сказал Стивен. Лишь в одном мы расходимся: он считает, что информация эта безвозвратно утрачивается и это есть новая неопределенность в квантовой теории, а я считаю эту неопределенность дополнительной. И проблема не только в этой неопределенности.

Если мы поместим нашу черную дыру в пустой ящик, совершая тем самым мысленный эксперимент, мы можем рассматривать пространственно-временную эволюцию материи в ящике. Траектории всех частиц в фазовом пространстве будут сходиться, и фазовый объем, занятый этими траекториями, будет сжиматься. Это вызвано потерей информации в сингулярности черной дыры. Подобное сжатие находится в прямом противоречии с теоремой Лиувилля из классической механики, которая гласит, что объем фазового пространства не меняется… Таким образом, черные дыры нарушают эту теорему. Однако в моей картине эта потеря фазового пространства компенсируется «случайностью» квантового измерения, в котором информация приобретается и объем фазового пространства увеличивается. Вот почему я называю неопределенность из-за потери информации дополнительной к неопределенности квантовой теории: одна является оборотной стороной монеты для другой…

Давайте припомним мысленный эксперимент квантовой теории с котом Шредингера. Он описывает кота в коробке, где излучается один-единственный фотон. Этот фотон летит и попадает на полупрозрачное зеркало, которое может либо пропустить его, либо отразить. За зеркалом стоит детектор фотонов, который немедленно включает ружье и стреляет в кота, как только в него попадает фотон. Если же зеркало отражает фотон, то кот остается жить (я извиняюсь перед Стивеном, поскольку знаю, что он не приемлет жестокого обращения с животными даже в мысленных экспериментах). Волновая функция системы — суперпозиция двух возможностей, но для кота-то есть одна-единственная возможность — либо он жив, либо мертв. Именно это противоречие между волновой функцией — суперпозицией двух вероятностей — и одним реальным состоянием и называл Шредингер парадоксом кота.

Я считаю, что и в случае черных дыр есть нечто непонятное в суперпозиции различных геометрий пространства-времени, которые порождает общая теория относительности. Может, просто их сосуществование невозможно и обязателен выбор одной возможности — либо мертвый, либо живой кот? Я называю этот переход в одну из двух возможностей объективной редакцией.

Хоукинг о квантовой космологии

Я хочу закончить эту лекцию разговором на тему, по которой мы с Роджером сильно расходимся, о стреле времени. Есть совершенно явное различие между прошлым и будущим. Чтобы убедиться в этом, надо посмотреть кинофильм, пущенный задом наперед: разбитая чашка собирается из осколков и запрыгивает на стол. Если бы реальная жизнь была столь увлекательна…

Все физические законы симметричны относительно смены знака времени, или, говоря более точно, они СРТ-симметричны (charge-parity-time — это симметрия относительно смены знаков заряда-координат-времени). И пресловутая асимметрия относительно стрелы времени может возникать из-за граничных условий нашей Вселенной, проще говоря, ее рождения и гибели. Давайте предположим, что Вселенная рождается, расширяется до максимального размера, а потом опять сжимается в точку. Роджер полагает, что начало и конец существенно отличаются друг от друга. То, что мы считаем началом, выглядит по нашим теориям очень однородным и изотропным. А когда космос коллапсирует, он будет неоднородным и нерегулярным. Поскольку есть масса различных хаотических состояний и лишь одно упорядоченное, это значит, что начальные условия были выбраны с потрясающей точностью.

Таким образом, достаточно естественным выглядит предположение, что граничные условия в начале и конце Вселенной различны. Роджер полагает, что кривизна Вейля — та часть кривизны пространства-времени, которая не определяется присутствием материи, пренебрежимо мала вначале и отлична от нуля в конце.

Первое, что мне не нравится в этом предположении, несимметричность относительно СРТ. На мой взгляд, надо любой ценой стремиться сохранить этот краеугольный камень современной теоретической физики, самую главную симметрию. Кроме того, если кривизна Вейля в первые моменты строго равна нулю, то мир абсолютно однороден и изотропен и останется таковым на века. Непонятно, откуда тогда возьмутся звезды, галактики и флуктуации реликтового микроволнового излучения. Однако мне хочется подчеркнуть, что Роджер поднял невероятно важный вопрос — о неодинаковости двух концов времени. Я лишь считаю, что различие кривизны Вейля в начале и конце не должно накладываться нами как некое произвольное граничное условие, а обязано выводиться из некоего более фундаментального принципа.

Как могут различаться два конца времени? Почему возмущения малы на одном конце и велики на другом? Причина в том, что есть два сложных решения полевых уравнений… Одно — для одного конца времени, другое — для другого. На одном конце Вселенная однородна и кривизна Вейля мала, но не равна нулю, что было бы нарушением принципа неопределенности. Есть небольшие флуктуации этой кривизны, которые позднее и вырастают в галактики и в нас с вами. На другом конце времени — мир очень неоднороден и кривизна Вейля велика. Таким путем мы смогли бы объяснить наблюдаемую стрелу времени.

Пенроуз о квантовой космологии

Из того, насколько я понимаю позицию Стивена, наши разногласия не столь уж велики по поводу гипотезы Вейля о кривизне. Для начальной сингулярности кривизна Вейля приблизительно равна нулю. Стивен считает, что обязательно есть квантовые флуктуации и равенство кривизны нулю возможно лишь в классическом рассмотрении. Я не возражаю против этих флуктуаций, надо лишь ограничить их где-то совсем близко от нуля.

Я согласен принять тезис Стивена, что для начального момента не надо вводить граничных условий. Но конец Вселенной — это совсем иной случай. Теория, которая объясняет теорию сингулярностей, должна нарушать симметрию СРТ, да и другие симметрии. Но это нарушение может быть органично включено в законы теории, которая будет включать в себя квантовую механику.

Хоукинг о физике и реальности

Наши лекции четко показали разницу между мной и Роджером. На мой взгляд, он — платонист, а я — позитивист. Его беспокоит, что кошка Шредингера находится в квантовом состоянии — она наполовину жива, наполовину мертва. По его мнению, это не может соответствовать реальности. Но меня это не беспокоит. Я не требую, чтобы теория соответствовала реальности, поскольку я не знаю, какова реальность. Реальность не есть нечто, что можно проверить лакмусовой бумажкой. Меня заботит лишь то, чтобы теория предсказывала результаты экспериментов — квантовая теория это делает достаточно успешно.

Роджер считает, что коллапс волновых функций может привести к нарушению инвариантности физических законов относительно знака времени. Он видит проявление этой неинвариантности в космологии и в черных дырах. Я могу согласиться с тем, что несимметричность по времени может появиться из-за нашего неумения задавать вопросы о наблюдении. Но я абсолютно не согласен с тем, что это некоторое физическое явление, которое ограничивает волновую функцию или имеет отношение к нашему сознанию. Для меня это звучит уже как магия, а не как наука.

Пенроуз о физике и реальности

Квантовой механике всего семьдесят пять лет. Это не очень много по сравнению с ньютоновской теорией, к примеру. Поэтому вполне возможно, что эта теория будет модифицироваться для макроскопических объектов.

В начале наших лекций Стивен сказал, что считает себя позитивистом, а меня — платонистом. Я рад за него, но себя считаю реалистом. Наши споры можно сравнить с диспутом Бора и Эйнштейна около семидесяти лет назад, причем Стивен играет роль Бора, а я — Эйнштейна. Эйнштейн считал, что может существовать некий реальный мир, не обязательно описываемый волновыми функциями, а Бор подчеркивал, что волновые функции описывают не реальный мир, а лишь наше знание о нем. Спор их так и остался неоконченным и интерес к нему со временем угас.

Я считаю, что открытие Стивеном черных дыр и их испарения позволило нам вернуться к этой дискуссии как бы на новом уровне.

Эпилог: черные дыры с точки зрения телескопа Хаббл

Пока астрономы и теоретики выдвигают идеи, проверяют гипотезы и спорят о выводах, космический телескоп Хаббл практически ежедневно выдает все новые и новые результаты, среди которых есть немало черных дыр.

Рисунок 1
На рисунке 1 изображена гигантская эллиптическая галактика NGC 4261. Это одна из двенадцати самых ярких галактик в скоплении Девы, расположенной в сорока пяти миллионах световых лет от нас. На левой части фотографии показано комбинированное изображение, полученное в видимом свете и радиоволнах на земных телескопах. Белый свет — это изображение с обычного телескопа: галактика предстает в виде неясного диска из сотен миллиардов звезд. Радиоизображение дано в оранжевом свете. Ясно видны две струи, исходящие из центра и распространяющиеся на расстояние в восемьдесят восемь тысяч световых лет.

В правой части рисунка — изображение, полученное телескопом Хаббл. Гигантский диск из газа и пыли подпитывает черную дыру, расположенную в центре галактики. Размеры диска — около трехсот световых лет в поперечнике. Нам повезло, и он наклонен под углом в шестьдесят градусов к оси наблюдения с Земли, поэтому все так хорошо видно.

Рисунок 2
Яркая точка в середине — это, вероятно, и есть место, где расположена черная дыра. Черный диск — это холодный внешний район, откуда газ и пыль устремляются к центральному жаркому диску аккреции размером в сотню миллионов миль от подозреваемой черной дыры. Этот диск поставляет в нее вещество, а гравитация сжимает и нагревает его. Горячий газ вырывается из окрестности черной дыры двумя струями, перпендикулярными плоскости диска, как расположена ось у колеса. Все перечисленные черты дают основание утверждать, что обнаружена черная дыра.

Холланд Форд из Балтиморы, один из авторов наблюдения, говорит: «Новый результат телескопа Хаббл позволяет нам переступить через дискуссию о том, существуют дыры или нет. Теперь мы можем приступить к детальному исследованию этих монстров и поиску ответов на другие вопросы: в каждой ли галактике есть своя черная дыра? Как работают эти необычные образования?»

Однако, кроме ответов, в этом наблюдении есть и загадочные вопросы. К примеру, черная дыра находится не в самом центре галактики, а смещена на двадцать световых лет. Кто ее сдвинул? Это ведь невероятно тяжелый объект… Одно из экзотических объяснений: она сама себя сдвинула. Может быть, две вырывающиеся струи не компенсируют друг друга и под действием этих «двигателей» черная дыра и перемещается?

Рисунок 3
Четыре года назад в архиве Хаббла было еще два «менее» красивых кандидата на роль черной дыры: объект с массой в два с половиной миллиарда солнечных масс в центре элиптической галактики М87 (рисунок 2) и тонкий крутящийся диск в центре спиральной галактики NGF 4258 массой около сорока миллионов солнечных масс. Телескоп Хаббл очень хорошо подходит для «охоты» на черные дыры: он может с высокой точностью измерять вращение газа около подозреваемого объекта — возрастание скорости вращения к центру служит свидетельством того, что там черная дыра.

Форд с коллегами продолжают свои исследования. А на рисунке 3 показано, как художник представляет себе вид черной дыры с гипотетической планеты из пылевого диска.

Александр Семенов



См. также:
Самый удобный функционал в игровых автоматах
Преимущества онлайн-казино
Как заработать на игровых автоматах
Несколько советов по выбору интернет-казино
Как найти надежное интернет-казино
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное
Продажа билетов на хоккей Продажа билетов на хоккей. Билеты на хоккей. Схемы арен.

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005