[Перевод] Предложена дикая идея, способная разгадать загадку чёрных дыр
Есть вероятность, что мы неправильно понимаем чёрные дыры.
Физики долгое время считали, что чёрные дыры — это просто: массивные гравитационные объекты, огромные количества материи и пространства-времени, сколлапсировавшие в своего рода тюрьму, из которой невозможно сбежать.
Но чем больше мы их изучаем, тем больше чёрные дыры отказываются сотрудничать с этой картиной, родившейся из общей теории относительности Альберта Эйнштейна — масштабной модели, объясняющей работу гравитации на вселенских масштабах. Мы не до конца понимаем, что происходит в центрах и на границах чёрных дыр. Чёрные дыры могут быть даже не совсем чёрными, поскольку они могут испускать небольшое количество излучения. И, пожалуй, самое неприятное то, что они не очень хорошо согласовываются с нашими представлениями о том, как энергия и материя могут работать в крошечных квантовых масштабах, по мере того, как эти представления становятся всё более понятными и определёнными.
Вот почему некоторые новые исследования идут в другом направлении. Что, если, как утверждается в одной смелой статье, мы будем понимать чёрные дыры не столько как гравитационные тела, сколько как квантовые объекты? Возможно, они отказываются подчиняться нашим традиционным гравитационным моделям, потому что на самом деле являются самыми большими квантовыми объектами в мире.
Особый интерес представляет то, что происходит в центре чёрной дыры. В этих местах наши классические представления о гравитации и относительности рушатся, поэтому физики попытались перейти к громоздким квантовым вычислениям, чтобы определить, что там происходит.
В своей работе физики Никко Джон Лео Лобос и Реджи Пантиг из Технологического института Филиппин и Технологического института Мапуа на Филиппинах, соответственно, проводят мысленный эксперимент, рассматривая чёрные дыры как макроскопические следствия квантового мира, а не пытаются привинтить квантовую механику к гравитационному описанию из общей теории относительности.
Работа индийского физика Сатьендры Натха Бозе (справа) вдохновила Альберта Эйнштейна на разработку концепции
Квантовый объект — это объект, в котором преобладает неопределённость, а физикам для научных предсказаний приходится использовать «нечёткие» правила квантовой механики (электрон может быть здесь, а может быть и там), а не «чистые», точные результаты, предлагаемые классической, макроскопической физикой. Одним из таких нечётких правил является принцип неопределённости Гейзенберга, который накладывает строгое ограничение на точность наших измерений координат и импульса частицы. Этот принцип применим только к очень малым (квантовым) масштабам. Но если существует фактор нечёткости, изменяющий импульс на очень малых масштабах, то, возможно, в природе для баланса существует и другой фактор нечёткости, изменяющий положение на очень больших масштабах — масштабах, сравнимых с чёрными дырами. «Природа любит симметрию и дуализм, — пишут Лобос и Пантиг. Как и другие физики-теоретики.
Лобос и Пантиг исследуют последствия этой идеи, выясняя, как естественная нечёткость в положении может проявиться в виде горизонта событий чёрной дыры. Их поражающая воображение работа показывает, что можно начать с квантовых, а не гравитационных основ и построить рабочее представление о том, что мы называем чёрными дырами.
В общей теории относительности чёрная дыра — это просто скопление материи, сжатой в бесконечно крошечную точку, а горизонт событий, «поверхность» чёрной дыры, с которой невозможно сбежать, является естественным следствием этого плотного скопления материи.
На языке квантовой механики, однако, чёрная дыра рассматривается как особый вид конденсата Бозе-Эйнштейна, названного в честь Эйнштейна и индийского физика начала XX века Сатьендры Натха Бозе. Эти конденсаты представляют собой особые структуры материи, в которых все частицы имеют одинаковые квантовые состояния, что позволяет им синхронизировать свои квантовые движения, вследствие чего они ведут себя как цельные гигантские частицы.
Частицы, составляющие конденсат Бозе-Эйнштейна для чёрной дыры, — это гравитоны, гипотетический квантовый переносчик гравитации. При образовании чёрной дыры гравитоны собираются в кучку, синхронизируясь друг с другом и усиливая гравитационные эффекты друг друга. Но поскольку частицы в конденсате Бозе-Эйнштейна находятся в одинаковых квантовых состояниях, они могут занимать одинаковое положение в пространстве, а значит, у чёрной дыры, рассматриваемой через эту линзу, нет причин быть физически макроскопической — другими словами, она будет не больше любой другой субатомной частицы.
Вот тут-то и возникает неясность. Новые квантовые правила, используемые Лобосом и Пантигом, размазывают чёрные дыры, заставляя их занимать реальное, физическое пространство. То, что мы называем горизонтом событий, является лишь внешней границей этого эффекта размазывания. Таким образом, в этой картине чёрные дыры становятся коллекциями раздутых квантовых частиц, видимых и доступных в макроскопическом мире и даже на космических масштабах; это совершенно иной способ построения физики чёрных дыр, основанный на квантовых, а не гравитационных основах.
Исследователи предлагают, как будущие экспериментальные тесты, например, более детальные изображения с телескопа Event Horizon и его преемников, могут разрешить эти дебаты «квантовая физика против классической». Свойства квантовых чёрных дыр незначительно отличаются от свойств, предсказанных общей теорией относительности. Различия невелики (они и должны быть таковыми, иначе наши старые модели чёрных дыр давно были бы отброшены), но они потенциально обнаружимы. Наиболее показательно, что «тень» этих квантовых чёрных дыр может быть больше, чем у чёрных дыр в традиционном понимании. Под тенью подразумевается «отверстие», вырезанное из фонового света. Они также могут вызывать большее отклонение орбит любых объектов, проходящих слишком близко. Более тщательные измерения звёзд вблизи гигантской чёрной дыры Млечного Пути, Стрельца А*, и последующие миссии телескопа Event Horizon Telescope могут оказаться достаточно точными, чтобы обнаружить эти различия.
Эти исследователи — не единственные, кто предположил, что чёрные дыры могут хотя бы частично функционировать как колоссальные квантовые объекты. Другая группа физиков из Австралии и Канады обратилась к квантовой концепции суперпозиции, в которой частицы связаны друг с другом независимо от расстояния между ними. Перенеся эту концепцию в макроскопический мир, они обнаружили, что могут воссоздать знакомые свойства чёрных дыр.
И чёрные дыры могут быть не единственными гигантскими квантовыми объектами нашей Вселенной. В одном из предложений группа индийских физиков предполагает, что космологический горизонт событий — фактическая граница нашей видимой Вселенной — также может быть квантовым артефактом. Их работа следует той же логике, что и у Лобоса и Пантига, только в (гораздо) больших масштабах: фундаментальная неопределённость в квантовых взаимодействиях отражается в макроскопическом мире, и может объяснить то, что традиционно находится в сфере чистой гравитации. Но, по мнению группы иранских физиков, чтобы найти связь квантового и классического мира, не обязательно впадать в такие крайности. Они предлагают способ применить расширенное квантовое мышление даже к изучению чрезвычайно горячих газов — распространённых объектов нашей Вселенной, простирающихся через всю нашу огромную космическую паутину.
Как астрофизик, я знаю, что эти идеи живут на самом краю нашей научной области, и зачастую ими больше всего занимаются учёные за пределами привычных институтов, расположенных в США и Европе, которые доминируют в заголовках научных новостей. Многие физики скажут, что у квантовой расплывчатости нет причин для существования на таких больших масштабах. Эксперименты и физическая теория никого не побуждают расширять принцип неопределённости Гейзенберга так, как это делают некоторые теоретики. И до сих пор всё, что мы наблюдали в связи с чёрными дырами, соответствовало нашему пониманию общей теории относительности. Пока эксперименты не покажут что-то другое, нет необходимости усложнять картину.
Но то, что работа удивительна и находится за пределами плотной толчеи в центре «Нобелевского промышленного комплекса», не означает, что она неверна или даже бесплодна. Наука — это и дикие идеи тоже. Это исследование и смелость. Это прыжки в темноту и поиски свободы удивляться окружающему нас миру.
