Итоги № 6 (2014)

Дырка от бублика / Парадокс

Дырка от бублика

/ Парадокс

Стивен Хокинг, некогда убедивший весь мир в существовании черных дыр, теперь объявил их несуществующими

Пожалуй, никто не играет с Вселенной и ее законами так легко и непринужденно, как прикованный к инвалидному креслу Стивен Хокинг. Во второй половине прошлого века он стал одним из самых активных участников создания теории черных дыр — сверхмощны х космических «пылесосов», втягивающих в себя все, что подвернется на пути. Для ученых эти объекты не только загадочны, но еще и невероятно интересны, ведь с их помощью, как в гигантской лаборатории, можно довольно успешно изучать гравитационные эффекты, природа которых до сих пор не до конца понятна.

Именно Хокинг в 1975 году дал этим сверхэгоистичным объектам, которые могут лишь забирать, ничего не отдавая взамен, право на частичную реабилитацию, уточнив: на самом деле черная дыра все-таки может излучать, и виной тому квантовые эффекты, возникающие вблизи своеобразной границы черной дыры — горизонта событий. А теперь ученый пошел на попятную и опубликовал на сайте библиотеки Корнеллского университета прорывную статью, из которой следует, что черных дыр в их классическом понимании и вовсе не существует. Астрофизики, которые упорно ищут эти объекты во Вселенной, мягко говоря, ошарашены. Напомним, что в конце 2013 года европейский исследовательский совет выписал грант на 14 миллионов евро команде проекта BlackHoleCam («Камера черной дыры»), цель которой — сделать первые в мире фотографии этого объекта. В поисках черных дыр бороздит просторы Вселенной и российский орбитальный телескоп «Радиоастрон». И что же теперь — отменять сенсацию?

Ничто, в котором всё

Согласно традиционным представлениям каждая черная дыра обладает точкой гравитационной сингулярности — там значения величин, описывающих гравитационное поле, становятся неопределенными. Эту точку окружает невидимая граница — тот самый горизонт событий, гипотетическая сфера, внутри которой действующие гравитационные силы достигают такой величины, что ничего не может ее покинуть — ни материя, ни энергия, ни информация. Даже фотон, двигающийся со скоростью света, не может вырваться из внутренней области черной дыры. Размер этой области пространства определяется радиусом, который носит труднопроизносимое имя Шварцшильда. Так звали выдающегося немецкого астрофизика, который в 1916 году предсказал существование у черных звезд критического радиуса, и это стало его последним открытием: в том же году Шварцшильд скончался. Интересно, что эту фундаментальную работу он написал во фронтовом госпитале в России, где находился по поводу полученного на фронтах Первой мировой тяжелого заболевания, от которого так и не оправился. Гравитационный радиус коллапсирующей звезды назвали в его честь.

Но в 1973 году советские ученые Алексей Старобинский и Яков Зельдович математически доказали, что вращающиеся черные дыры могут иметь слабое излучение. Через год Хокинг представил решение для общего случая. Из его расчетов следовало, что снаружи черной дыры в ближайших окрестностях горизонта событий возможно образование реальной пары «частица — античастица». При этом античастица, падающая внутрь сферы, будет уменьшать массу черной дыры, а частица, улетающая от горизонта событий в сторону наблюдателя, — создавать видимое тепловое излучение. Это таинственное явление назвали излучением Хокинга.

При этом получалось, что спектр такого излучения подобен излучению абсолютно черного тела, а температура обратно пропорциональна массе черной дыры. С точки зрения квантовой механики это означает, что черная дыра теряет информацию о том, что поглотила. Иначе говоря, бедолага, попавший в окрестности черной дыры, рискует исчезнуть без следа. Это окончательно запутало ситуацию: такой эффект, если он существует, противоречит постулату о сохранении информации, одним из проявлений которого служит закон сохранения энергии. Это явление получило название информационного парадокса черных дыр.

Теперь же Стивен Хокинг провозглашает, что на самом деле никакого горизонта событий нет — есть лишь некий видимый горизонт, который, по его мнению, только временно задерживает материю, энергию и информацию, после чего снова может выпустить их, но уже в сильно искаженном виде. По сути, видимый горизонт представляет собой некую поверхность, которая сдерживает лучи света, пытающиеся покинуть черную дыру. Стремясь удержать внутри себя свет, горизонт событий со временем бы сокращался и исчез, а видимый горизонт будет разбухать до тех пор, пока не выплюнет в космическое пространство все, что до этого проглотил. Хокинг даже сравнил астронавта, который попадет в окрестности такого объекта и вылетит из него, со спагетти.

Но эта картина совсем не соответствует тому, что мы привыкли понимать под черной дырой. Ведь у такого объекта уже не может быть того мощного гравитационного ядра, без которого дыра не дыра, и, соответственно, не должно быть точки сингулярности, где способно пропадать все, что туда попало. Так что же это тогда за объекты?

Черная кошка в темной комнате

Попытки пролить свет на природу этих темных объектов ученые предпринимают не первый год. Поскольку увидеть их еще никому не удавалось, находятся скептики, по-прежнему выражающие сомнения в том, что эти объекты вообще существуют. Наиболее весомые основания для сомнений в существовании черных дыр дает сравнение двух теорий гравитации — общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, на которую пытается опираться Хокинг, и релятивистской теории гравитации (РТГ) российского академика Анатолия Логунова. Об ОТО наслышаны даже школьники, а вот о РТГ знают не все. Это, безусловно, несправедливо, хотя, как и всякая физическая теория, она небезупречна. «Однако ОТО, благодаря которой появилась на свет теория черных дыр, содержит в себе куда больше белых пятен, — полагает академик Логунов. — На мой взгляд, к ней относятся догматически даже ученые, занимающиеся гравитацией, принимая ее положения на веру. А между тем стоило бы разобраться».

Посягнув на святое, Логунов с коллегами заметили в ОТО ряд несоответствий. Это касается практически всех фундаментальных постулатов, в частности законов сохранения, равенства гравитационной и инертной масс и много чего еще. Так родилась РТГ, в корне отличающаяся от ОТО. Есть, впрочем, и сходство: обе теории одинаково предсказывают (и это подтверждено многочисленными наблюдениями) искривление луча света вблизи массивных тел и смещение перигея планет — ближайшей точки орбиты небесного тела — к центру притяжения. Другие же предсказания принципиально расходятся. К примеру, это касается черных дыр, которых, как утверждает Логунов, не существует: «В рамках РТГ в отличие от ОТО черные дыры возникнуть не могут, так как сжатие массивных тел приводит к гравитационному замедлению, а потом сжатие останавливается».

По мнению академика, сверхмассивные черные дыры — не реальный физический объект, а не очень удачная рабочая гипотеза. Когда-то их существование предсказал Эйнштейн, однако его черные дыры выглядели куда проще, чем теперешние, обрастающие все новыми заморочками. «Основаниями для их «открытия» послужили наблюдательные факты — скрытая масса галактик и мощные рентгеновские источники в их ядрах, которые действительно существуют, — рассуждает Логунов. — Однако с запуском ультрафиолетовых космических телескопов выяснилось, что в галактике Млечный Путь барионной (обычной, состоящей из нейтронов, протонов и электронов. — «Итоги») материи вполне достаточно, чтобы все объяснить. Просто недостающая (скрытая) масса газа излучает в УФ-диапазоне и прежними телескопами не могла быть зафиксирована. Что же касается мощного рентгеновского излучения из глубоких слоев галактики, то оно может быть объяснено излучением при столкновениях разогнавшегося до околосветовых скоростей межгалактического газа с межзвездным газом галактики». Из всего этого академик делает вывод: черных дыр не существует. А есть стабильные звезды с экстремальным красным смещением и радиусом чуть больше радиуса Шварцшильда, которые фактически неотличимы от кандидатов в черные дыры, но ими не являются.

Там, за горизонтом

Ничего не зная о предсказаниях российского физика, ученые из Кливлендского университета два года назад вывели математические формулы, из которых также следует, что черных дыр не существует. Именно так, по их мнению, можно объяснить парадокс возникновения пары «частица — античастица» в районе предполагаемого горизонта событий, когда одна из них падает внутрь, а другая улетает от объекта куда подальше. Долгое время физики ломали головы над тем, как такое может быть. Каким образом один и тот же объект может быть всепоглощающим и излучающим? Тем более что давно стало общим местом говорить и писать о черных дырах как о неких фантастических, удивительных и совершенно невероятных объектах.

Физики из Кливленда пришли к выводу, что такие тела не могут формироваться вообще, они испарились бы, не успев образоваться. «На протяжении сорока лет ученые обсуждали несуществующую проблему», — отметил руководитель исследований Лоуренс Кросс. В ответ на вопрос, почему же Вселенная ведет себя так, как будто полна черных дыр, он недоумевает: «Откуда вы знаете, что это черные дыры? Ведь никто их не видел: любой объект с огромным гравитационным полем, например сверхмассивные остатки звезд, может давать эффекты, подобные тем, что приписывают черным дырам».

Ему возражает астроном Кимберли Уивер из Центра космических полетов Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд. Мол, даже если признать работу Кросса и его коллег, то проблема остается. «Мы никогда не видели явлений, противоречащих существованию черных дыр, — говорит Уивер. — Так, в месте гипотетического расположения сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути астрономы ежедневно наблюдают бесследное исчезновение межзвездной материи, характерное для черных дыр».

В 1997 году Хокинг и астрофизик Кип Торн заключили пари с профессором Калифорнийского технологического института, директором Института квантовой информации Джоном Прескиллом на полное издание Британской энциклопедии. Прескилл утверждал, что информация в черной дыре не исчезает — просто мы не в состоянии расшифровать то, что дыра излучает. В августе 2004 года на Международной конференции по общей теории относительности и космологии в Дублине Хокинг признал правоту Прескилла. Математически объяснить это явление смог в 2012 году физик Джо Полчински, описав эффект так называемой стены огня, когда вместо горизонта событий у черной дыры образуется регион с частицами колоссальных энергий. Это опять же вступает в противоречие с теорией относительности, согласно которой горизонт событий, с точки зрения физических законов, не должен отличаться от остальных регионов пространства. «Вряд ли в природе могут существовать черные дыры без горизонта событий, — рассуждает на эту тему Полчински. — Колебания пространства-времени, которые требуются для стирания этой границы, должны быть слишком мощными, а ничего подобного астрофизики пока не наблюдали». Таким образом, по Хокингу получается, что есть нечто очень похожее на черные дыры, однако ими не являющееся. Но что?

Согласно предположениям Хокинга, «квантовые эффекты в окрестностях черной дыры настолько сильно искажают пространство-время, что четкая граница горизонта событий просто не может существовать». Возможно, никакого горизонта, даже «видимого», вовсе нет. «Строгую математическую реализацию этих идей еще предстоит найти», — констатирует Хокинг. То есть с новыми уточнениями путаницы стало еще больше, и знаменитый космолог, похоже, прекрасно это понимает. Создается впечатление, что этот гений все ближе к уровню Сократа, понявшего в свое время главную истину: «Я знаю, что ничего не знаю». Впрочем, говорят, изначально этот афоризм заканчивался словами: «Но другие не знают и этого».