Наука и Техника

Наука И Техника
22 июня 2015

Новая теория может ответить на вопрос: что происходит внутри черной дыры?

Существует распространенное мнение, что на краю черной дыры находится черный ход Вселенной — выход из реальности в новое царство, где фундаментальные законы природы вроде времени больше не работают привычным для нас образом. Что происходит, когда вы пересекаете эту границу, остается загадкой, над которой ведущие ученые мира размышляют уже несколько десятилетий.

Недавно в Париже получила огласку работа, которая предлагает решение: взглянуть на черные дыры несколько другим образом.

Предпринимая новый подход к этой старой проблеме, новая теория постулирует, что, во-первых, нет никакого черного хода Вселенной. Вместо этого черные дыры являются телами, в которые нельзя проникнуть, своего рода «пушистые клубки» (fuzzball).

Эти шары и представляют собой новые черные дыры.

Самир Матур, профессор физики Университета штата Огайо и единственный автор статьи, говорит, что по мере приближения к этому шару ваше тело будет уничтожено, но, как ни странно, вы не умрете. Вы будете преобразованы в копию самого себя, своего рода голограмму, которая навсегда останется на поверхности этого шара.

Матур описывает поверхность как скорее расплывчатый регион пространства, нежели гладкую и понятную структуру, отсюда и название «пушистый клубок». Когда он впервые анонсировал свою теорию в 2003 году, она вызвала интерес у научного сообщества, поскольку предложила решение устоявшегося парадокса черных дыр.

Этот парадокс изначально был обнаружен астрофизиком Стивеном Хокингом больше 40 лет назад, и с тех пор ученые безуспешно пытаются объяснить его. При всем этом оригинальные вычисления Матура не вступают в противоречие с другими устоявшимися теориями, описывающими природу черных дыр. Ученый провел больше 15 лет, оттачивая и проверяя свой аргумент.

Теперь его последняя работа делает значительный шаг вперед, предполагая, что его картина черных дыр как голографических копировальных машин Вселенной, будучи весьма странной, может означать, что эти пушистые клубки в полной мере отражают то, как ученые должны относиться к загадочным космическим творениям, чтобы лучше понимать их поведение.

Некоторые ученые скептически относятся к выводам Матура. Хотя они и поддерживают новый взгляд на черные дыры, никто не верит, что можно выжить при сближении с «пушистым комом»: все погибнет в огненной смерти.

Экзотическими черные дыры также делает их мощное гравитационное притяжение, выступающее своего рода глубоким колодцем в космосе, искривляющее пространство и время вокруг и внутри.

Кроме того, это притяжение имеет право хватать все, что подойдет слишком близко, включая свет. Это означает, что если что-то провалится в этот колодец, вернуться оно уже не сможет, а это, в свою очередь, делает практически невозможным определение границы черной дыры.

Это не остановило Хокинга от первой попытки найти некоторые ответы в начале 70-х. В отличие от Матура, Хокинг обрисовал черные дыры с черными ходами, через которые засасывается материал под действием притяжения. Хокинг начал исследовать, что происходит сразу за этой дверью, за мгновения до пересечения границы и погружения в вечность.

В 1976 году он обнаружил, изучая хорошо установленные еще Альбертом Эйнштейном и Полем Дираком законы физики, нечто невероятное: черные дыры не только поглощают материал через черные ходы. Они также излучают некоторую форму радиации.

Надоедливый парадокс

Хотя на тот момент это открытие было невероятным — излучение было названо в честь Хокинга — оно породило вопрос, так называемый информационный парадокс черной дыры, который ученые разбирают до сих пор.

Матур считает, что положил ему конец своей теорией «пушистого комка».

Согласно теории Хокинга, излучение Хокинга генерируется всем, что попадает в черную дыру. Часть попадающего выплевывается обратно, тогда как остальное оказывается в ловушке внутри черной дыры и теряется навеки. Отсюда возникает парадокс: одно из фундаментальных понятий физики утверждает, что никакая материя во Вселенной не может быть полностью потеряна или уничтожена, что прямо противоречит оригинальному утверждению Хокинга. Сегодня ученые, в том числе и Матур, все еще убеждены, что излучение Хокинга остается правдоподобным компонентом черных дыр, хотя оно до сих пор не наблюдалось.

Спустя 30 лет у Хокинга так и не появилось убедительного решения парадокса, им же и открытого, но у Матура — вполне. Просто последний ученый решил представить черные дыры твердой поверхностью, у которой нет черных ходов.

Решение информационного парадокса

Черные дыры в виде пушистых комков, представленные Матуром, являются непроницаемыми, а значит, и не имеют области, в которой материал может попасть внутрь. Вместо этого любой объект, притянутый гравитационным притяжением черной дыры, упадет на ее поверхность.

Когда происходит подобное, в форме голограммы создается почти идеальная копия объекта. Эта голограмма начинает жизнь на поверхности черной дыры, тогда как оригинал копии съедает «пушистый комок».

«Оригинал копии уничтожается. Точнее, данные, составляющие оригинал, преобразуются в новую форму, в форму данных на поверхности пушистого комка, — рассказал Матур в письме Business Insider. — Когда материя падает на ее поверхность, эта поверхность приобретает энергию и расширяется».

Когда Матур впервые изучал эту теорию на рубеже веков, его оригинальные расчеты предполагали, что ваш голографический близнец будет точной копией оригинала. Тем не менее другие ученые утверждают, что точную копию создать невозможно, поскольку Вселенная стремится к несовершенству.

Последний труд Матура разрешает эту проблему, демонстрируя, как может быть возможна немного измененная копия. С этого момента Матур решил обойти информационный парадокс черной дыры двумя способами:

Удаляя экзотическое составляющее внутренностей черной дыры, где волшебным образом исчезает и уничтожается навсегда информация.
Объясняя, что именно происходит с материей, которая достигает черной дыры, как все это сохраняется и почему ничего не теряется.
«Структура пушистого комка разрешает этот парадокс; по этой причине я и верю в эту [теорию]», — говорит ученый.

Теория струн и «пушистые комки»
Чтобы объяснить свои допущения математически, Матур опирался на теоретические наработки теории струн, согласно которой все частицы во Вселенной состоят из крошечных одномерных струн, которые вибрируют и взаимодействуют между собой, создавая окружающий нас мир.

(Эта идея сама по себе противоречива, поскольку никто пока не наблюдал струну. Тем не менее теория струн предлагает массу удобных решений некоторым необъяснимым явлениям и обеспечивает удобный математический аппарат).

Черные дыры Матура по сути являются гигантскими шарообразными скоплениями струн. Поэтому теоретически, когда объект касается поверхности этого «пушистого комка», его масса преобразуется в свет, создавая голографическую копию предыдущего состояния. Впрочем, другие теоретики струн не согласны с такой трактовкой.

Продолжая логику Матура, группа физиков Калифорнийского университета в 2012 году предположила, что все, что упадет на поверхность «пушистого комка», немедленно «сгорит в огне» и умрет. Теория такого «файрвола» разделила научное сообщество на сторонников пушистых комков и сторонников файрвола.

Единственным способом решить это был бы научный эксперимент.

«Довольно сложно проверить структуру пушистого комка напрямую из эксперимента, — сообщил Матур. — Один из таких способов — если мы сможем создать крошечные черные дыры на ускорителе частиц».

Ускорители частиц сталкивают частицы вместе почти на скорости света, и это может воссоздать экстремальные условия, которые напомнят раннюю Вселенную. Сможет ли самый мощный ускоритель в CERN произвести черные дыры, пока неизвестно наверняка.

Несмотря на это, группа ученых, поддерживающих идеи Матура, растет по всему миру. Чем дальше в лес, тем больше шансов, что мы что-то да узнаем.