В черной дыре: В черной дыре (2000) — Фильм.ру

Интересные факты о черных дырах

Весной 2019-го интернет облетела фотография черной дыры (точнее, ее «силуэта»). Пресс-конференцию, где были представлены результаты научного открытия, провели сразу в шести городах — от Вашингтона до Брюсселя и Токио. Давайте разберемся, что такое черная дыра, что произойдет с человеком внутри нее, откуда они вообще берутся и почему вот уже десятки лет они будоражат наше сознание своей таинственностью.

«Космический тупик»

Черная дыра — это область пространства-времени, обладающая настолько сильным гравитационным притяжением, что никакие частицы либо электромагнитное излучение не могут ее покинуть. Граница этой области называется горизонтом событий.

Анимация компьютерной визуализации черной дыры с аккреционным диском, созданная специалистами NASA. Источник: NASA

С точки зрения астрофизики, черные дыры — это финальная стадия эволюции звезд. Астрофизические черные дыры представляют собой небольшие по размерам, но очень массивные космические объекты, совсем не излучающие света и других электромагнитных волн. Например, черная дыра в далекой галактике M87, которую удалось запечатлеть ученым, имеет размер, сравнимый с нашей Солнечной системой. По массе она превосходит Солнце в 6,5 млрд раз. По этому показателю ученые выделяют черные дыры звездной массы, промежуточной массы и сверхмассивные черные дыры.

Как образуются и исчезают черные дыры?

Черные дыры звездных масс представляют собой конечную стадию эволюции массивных звезд. После исчерпания водородно-гелиевого «топлива» в центре такого светила оно начинает сжиматься, поскольку внутреннее давление, создаваемое за счет выделения энергии в ходе реакций термоядерного синтеза, уже не может поддерживать стабильное состояние звезды, и под действием собственной гравитации она стремительно коллапсирует в массивный неизлучающий объект, который мы можем наблюдать, например, в тесной двойной системе благодаря аккреционному диску, образуемому при «перетекании» на него вещества звезды-компаньона.

Изображение черной дыры в центре галактики M87 в поляризованном свете. Источник: EHT Collaboration

Сверхмассивные черные дыры образуются при слиянии менее массивных черных дыр, расположенных в центрах галактик. Этот процесс предполагает, что масса возникшего объекта будет приблизительно равна сумме масс его «предшественников». Такие объекты также могут формироваться за счет слияния массивных звезд в звездных скоплениях.

Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам на нем возникают потоки частиц, испускаемых в окружающее пространство. Это явление называется «излучением Хокинга» — в честь описавшего его британского физика-теоретика Стивена Хокинга. Несмотря на то, что материя не может вырваться за пределы горизонта событий, за счет этого излучения черная дыра, тем не менее, постепенно «испаряется». Со временем она окончательно потеряет свою массу и исчезнет.

Внутри черной дыры

Ученым неизвестно, что ждет человека, попавшего под горизонт событий. Поглотит ли его черная дыра или разорвут приливные силы? Или он обнаружит там заднюю стенку книжного шкафа, как в американском научно-фантастическом фильме «Интерстеллар»?

Корреспондент ВВС Earth Аманда Гефтер (Amanda Gefter) в статье, которая стала самой читаемой в 2015 году, предполагает, что в тот момент, когда человек достигнет горизонта событий, реальность разделится надвое. В одной реальности его мгновенно испепелит, в другой же — он нырнет вглубь черной дыры живым и невредимым.

Дело в том, что, в соответствии с физическими принципами, никакой носитель информации (то есть любое физическое тело, включая человеческое) не может пересечь горизонт событий и обязан остаться с внешней его стороны, иначе вся содержащаяся в нем информация окажется потерянной для нашего мира. С другой стороны, законы физики также требуют, чтобы человек — или любое другое тело — пролетел сквозь горизонт живым и невредимым, не повстречав на своем пути никаких необычных опасных явлений. В противном случае будет нарушена Общая теория относительности.

Такое парадоксальное сочетание ученые называют термином «парадокс исчезновения информации в черной дыре». Американский физик Леонард Зюскинд (Leonard Susskind) понял, что никакого парадокса на самом деле нет — просто два состояния человека объясняются с точки зрения ощущений того, кто попал в черную дыру, и того, кто наблюдает за процессом. Эти два человека никогда больше не встретятся и не смогут сравнить свои наблюдения. Таким образом, физические законы не нарушаются.

Бесконечно искривленное время и пространство

По мере продвижения вглубь черной дыры пространство-время продолжает искривляться и в ее центре становится бесконечно искривленным. Эта точка известна как гравитационная сингулярность. Строго говоря, сами понятия «пространство» и «время» в ней перестают иметь какое-либо значение, а все известные нам законы физики, для описания которых необходимы эти два понятия, больше не действуют.

Сверхмассивная черная дыра из фильма «Интерстеллар»

Кип Торн (Kip Thorne), научный консультант известной кинокартины Кристофера Нолана и автор книги «Интерстеллар. Наука за кадром», сравнивает искривление пространства с муравьем на батуте. Представьте себе муравья (человек), живущего на детском батуте (Вселенная), в середине которого лежит очень тяжелый камень. Так же, как прогибается поверхность батута под весом этого камня, искривляется и пространство нашей Вселенной в окрестностях массивного объекта. Искривляется и время, взаимосвязь которого с пространством описывают формулы Теории относительности.

Не такая уж и черная

Согласно теории Стивена Хокинга, черные дыры не являются полностью «черными» — фактически они испускают частицы. На самом деле у черной дыры нет никакого цвета: это условное выражение лишь подразумевает, что все падающее в нее не выходит обратно. Мы можем наблюдать ее только в том случае, когда вокруг нее имеется какая-то светящаяся материя (газ или соседняя звезда, вещество которой «перетягивает» сверхмассивный объект). Благодаря гравитационным волнам мы можем «увидеть» две сливающихся черных дыры.

Историческое изображение «тени» черной дыры в галактике M87. Источник: EHT Collaboration

Первый снимок черной дыры, который удалось получить в ходе проекта Event Horizon Telescope, стал результатом нескольких лет обработки данных, собранных радиотелескопами по всей планете. Цвета на изображении — условные, поскольку съемка велась в радиодиапазоне, недоступном человеческому глазу.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!

Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine

Черной дыре нашли достойную пару / Наука / Независимая газета

Предлагаемое использование черной дыры в качестве гравитационной линзы, увеличивающей сияние сверхновой (Supernova).

В 1865 году французский астроном Шарль Месье увидел в ночном небе некий туманный объект, присутствие которого мешало охотникам за кометами. Со временем туманности подобного рода стали обозначать буквой М, а ту, что француз увидел в созвездии Девы, обозначили в небесном каталоге к М87.

Галактика М87 прославилась в 2019 году, когда ученые разных стран смогли впервые получить изображение радиотени черной дыры (ЧД), располагающейся в центре этой галактики. Речь, конечно же, шла не о самой дыре, а о так называемом горизонте событий – Event Horizon, – представляющем собой последний рубеж наблюдаемости падающей в дыру материи. Эта исчезающая (буквально – в черной дыре!) материя формирует так называемый аккреционный диск пыли и газа в поле гравитационного притяжения дыры.

Слои аккреционного диска вращаются со все возрастающей скоростью по мере приближения к дыре. Это приводит к их разогреву в результате трения до миллионов градусов. Основная масса внутреннего слоя «падает» в черную дыру. Однако часть его срывается с полюсов дыры в виде струй (джетов). Они видимы для земных наблюдателей в том случае, если джеты направлены вдоль оси, идущей в направлении Земли.

В 2020 году три астрофизика получили Нобелевскую премию, часть которой была присуждена за выявление необычного вращения около полусотни звезд вокруг невидимого центра, оказавшегося черной дырой. Наблюдения за черными дырами осложняются тем, что они невидимы в принципе – свет не может вырваться из гравитационного поля дыры.

И вот в середине мая астрофизики Европейской южной обсерватории провели пресс-конференцию, на которой объявили об открытии в нашей галактике Млечного Пути, сделанном при помощи «Телескопа горизонта событий» (Event Horizon Telescope). Ученые представили первый снимок тени сверхмассивной черной дыры Стрелец A в центре Млечного Пути. Расстояние до нее – 27 тыс. световых лет, масса – 4,29 млн масс Солнца.

Таким образом, черная дыра в центре Млечного Пути стала второй, изображение тени которой смог получить «Телескоп горизонта событий». Это открытие позволило астрономам окончательно доказать существование черной дыры в центре нашей галактики.

По ходу работы было накоплено четыре петабайта (1015) информации, которую пришлось из-за «узости» каналов интернета пересылать на жестких дисках самолетом. Объектом исследования были две черные дыры (в том числе и М87), которые на небе имеют кажущиеся сходными размеры. Но на самом деле М87 в 2000 раз дальше от Земли и в 1600 раз больше. В силу этого ее изображение и было опубликовано первым.

Много важной информации принесет также сравнение двух черных дыр в центрах галактик М87 и нашей – Млечного Пути. Галактика М87 удалена от нас на 55 млн световых лет и имеет массу 6,5 млрд солнечных. Сравнение обычно приносит новые данные исследователям, позволяющие делать выводы о характерном «почерке» черных дыр. Их на сегодняшний день известно много, но вот увидеть воочию довелось пока лишь две, так что говорить об их почерке пока не приходится.

Что происходит в центре черной дыры?

Художественная иллюстрация черной дыры.
(Изображение предоставлено Shutterstock)

Пол М. Саттер — астрофизик по телефону SUNY Стоуни Брук и Флэтрон Институт, ведущий Спросите космического корабля и Космическое радио и автора Как умирать. в космосе . Саттер написал эту статью в журнале Expert Voices: Op-Ed & Insights на Space. com.

Сингулярность в центре черной дыры — это крайняя ничейная территория: место, где материя сжата до бесконечно крошечной точки, и все представления о времени и пространстве полностью разрушены. И его на самом деле не существует. Что-то должно заменить сингулярность, но мы точно не знаем, что.

Давайте рассмотрим некоторые возможности.

Связанные: Черные дыры Вселенной (изображения)

Планковские звезды

Возможно, глубоко внутри черной дыры материя не сжимается в бесконечно маленькую точку. Вместо этого может существовать наименьшая возможная конфигурация материи, наименьший возможный карман объема.

Это называется Планковская звезда , и это теоретическая возможность, предусмотренная петлевой квантовой гравитацией, которая сама по себе является весьма гипотетическим предложением о создании квантовой версии гравитации. В мире петлевой квантовой гравитации пространство и время квантованы — вселенная вокруг нас состоит из крошечных дискретных кусочков, но в таком невероятно маленьком масштабе, что наши движения кажутся плавными и непрерывными. -35 метров). Весь материал, когда-либо попадавший в черную дыру, сжимается в шар ненамного больше этого. Совершенно микроскопический, но определенно не бесконечно крошечный.

Это сопротивление продолжающемуся сжатию в конечном итоге вынуждает материал не разрушаться (т. е. взрываться), делая черные дыры лишь временными объектами. Но из-за экстремальных эффектов замедления времени вокруг черных дыр, с нашей точки зрения, во внешней вселенной требуются миллиарды, даже триллионы лет, прежде чем они взорвутся. Итак, у нас все готово.

Связанный: Что такое гравитация?

Gravastars

Еще одна попытка уничтожить сингулярность — та, которая не опирается на непроверенные теории квантовой гравитации — известна как гравастар. Это настолько теоретическое понятие, что моя программа проверки орфографии даже не распознала это слово.

Разница между черной дырой и гравастаром в том, что вместо сингулярности гравастар заполнен темной энергией . Темная энергия — это вещество, которое пронизывает пространство-время, заставляя его расширяться наружу. Это звучит как научная фантастика, но это реальность: темная энергия в настоящее время действует в большом космосе, заставляя всю нашу вселенную расширяться с ускорением.

Когда материя падает на гравазвезду, она не может фактически проникнуть за горизонт событий (из-за всей этой темной энергии внутри) и поэтому просто болтается на поверхности. Но за пределами этой поверхности гравазвезды выглядят и ведут себя как обычные черные дыры. (Горизонт событий черной дыры — это ее точка невозврата — граница, за которую ничто, даже свет, не может выйти.)

Однако недавние наблюдения слияния черных дыр с помощью детекторов гравитационных волн потенциально исключили существование гравазвезд, поскольку слияние гравазвезд будет давать другой сигнал, чем слияние черных дыр, и такие устройства, как LIGO ( Лазерный интерферометр Гравитационно-волновая обсерватория ) и Дева получает все больше и больше примеров с каждым днем. Хотя гравазвезды не совсем бесполезны в нашей вселенной, они определенно находятся на тонком льду.

Вселенная: от Большого взрыва до сегодняшнего дня за 10 простых шагов

Истории по теме:

Давайте проверим

Планковские звезды и гравазвезды могут иметь удивительные имена, но реальность их существования вызывает сомнения. Так что, возможно, есть более приземленное объяснение сингулярностей, основанное на более подробном и реалистичном взгляде на черные дыры в нашей вселенной .

Идея единой точки бесконечной плотности исходит из нашей концепции стационарных, невращающихся, незаряженных, довольно скучных черных дыр. Настоящие черные дыры имеют гораздо более интересные характеры, особенно когда они вращаются.

Вращение вращающейся черной дыры растягивает сингулярность в кольцо. И согласно математике общей теории относительности Эйнштейна (это единственная математика, которая у нас есть), как только вы проходите через кольцевую сингулярность, вы входите в червоточину и выскакиваете через белую дыру (полярная противоположность черная дыра, куда ничто не может проникнуть, а материя устремляется наружу со скоростью света) в совершенно новый и захватывающий участок Вселенной.

Одна проблема: внутренности вращающихся черных дыр катастрофически нестабильны. И это согласно той же самой математике, которая приводит к предсказанию путешествия в новую вселенную.

Проблема с вращающимися черными дырами в том, что они вращаются. Сингулярность, вытянутая в кольцо, вращается с такой фантастической скоростью, что обладает невероятной центробежной силой. А в ОТО достаточно сильные центробежные силы действуют как антигравитация: толкают, а не тянут.

Это создает границу внутри черной дыры, называемую внутренним горизонтом. За пределами этой области излучение падает внутрь к сингулярности, вызванное сильным гравитационным притяжением. Но излучение выталкивается антигравитацией вблизи кольцевой сингулярности, а точка поворота — внутренний горизонт. Если бы вы столкнулись с внутренним горизонтом, вы столкнулись бы со стеной бесконечно энергичного излучения — вся прошлая история Вселенной, выплеснутая вам в лицо менее чем за мгновение ока.

Формирование внутреннего горизонта сеет семена разрушения черной дыры. Но вращающиеся черные дыры определенно существуют в нашей Вселенной, так что это говорит нам о том, что наша математика неверна и происходит что-то странное.

Что на самом деле происходит внутри черной дыры? Мы не знаем, и самое страшное в том, что мы можем никогда не узнать.

Дополнительные ресурсы

Вы можете узнать больше о черных дырах на этой странице объяснения НАСА (откроется в новой вкладке). В этом материале BBC Earth также содержится хорошая базовая информация о черных дырах, а также описывается, что произойдет с вами, если вы попадете в одного из этих пожирающих свет монстров. А в Стэнфордской энциклопедии философии есть хороший подробный анализ черных дыр и сингулярностей.

• Ровелли, К. и Видотто, Ф., 2014. «Планковские звезды», Международный журнал современной физики D, Vol. 23, № 12. https://doi.org/10.1142/S0218271814420267
• Сакаи, Н. и др., 2014. «Тени Gravastar», Physical Review D, Vol. 90. https://journals.aps.org/prd/abstract/10. 1103/PhysRevD.90.104013
• Тейлор Э. и Уилер Дж. «Исследование черных дыр: введение в общую теорию относительности». Эддисон Уэсли Лонгман, 2000 г. https://www.amazon.com/Exploring-Black-Holes-Introduction-Relativity/dp/020138423X (открывается в новой вкладке)

Примечание редактора: Впервые эта история была опубликована 27 октября 2020 года. Она была обновлена ​​и переиздана 8 февраля 2022 года. Что на самом деле происходит в центре черной дыры? askaspaceman.com (открывается в новой вкладке) . Спасибо Энди П., Бриттани, Джеффу Дж., Роберту С., Владимиру Б., Джеку С., @Grobillard и Джеймсу Л. за вопросы, которые привели к написанию этой статьи! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя хэштег #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter (открывается в новой вкладке) и facebook.com/PaulMattSutter (открывается в новой вкладке) .

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Пол М. Саттер — астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего получил стажировку в Триесте, Италия. регионов Вселенной до самых ранних моментов Большого Взрыва до охоты за первыми звездами. В качестве «звездного агента» Пол уже несколько лет страстно вовлекает общественность в популяризацию науки. Он ведущий популярной программы «Спроси космонавта!» подкаста, автор книг «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», часто появляется на телевидении, в том числе на канале «Погода», где он является официальным специалистом по космосу.

Как внутри черной дыры скрывается снаружи

Теоретическая физика находится в кризисном режиме с 1974 года, когда Стивен Хокинг заявил, что черные дыры уничтожают информацию. Хокинг показал, что черная дыра может испаряться, постепенно превращая себя и все, что она поглощает, в безликое облако излучения. В процессе информация о том, что попало в черную дыру, по-видимому, теряется, что нарушает священный принцип физики.

Эта проблема оставалась открытой более 45 лет, но в 2019 году ее части начали вставать на свои места.благодаря исследованиям, в которых я участвовал. Решение основано на новом понимании пространства-времени и того, как его можно перепрограммировать с помощью квантовой запутанности, что приводит к идее о том, что часть внутренней части черной дыры, так называемый остров, тайно снаружи.

Чтобы понять, как мы пришли к этим новым идеям, мы должны начать с неизбежной природы черных дыр.

Улица с односторонним движением

Ничто не кажется более безнадежным, чем попытка выбраться из черной дыры — на самом деле, эта невозможность и определяет ее. Черные дыры образуются, когда достаточное количество материи заключено в достаточно небольшой области, так что пространство-время сжимается само по себе в яростной обратной связи сжатия и растяжения, которая подпитывает еще большее сжатие и растяжение. Эти приливные силы достигают бесконечности за конечное время, отмечая резкий конец целой области пространства-времени в так называемой сингулярности черной дыры — месте, где время останавливается, а пространство теряет смысл.

В области обрушения есть тонкая линия, отделяющая область, где возможен побег из точки невозврата. Эта линия называется горизонтом событий. Это самая удаленная точка, из которой свет едва избегает попадания в сингулярность. Если не считать перемещения со скоростью, превышающей скорость света, что физически невозможно, ничто не может ускользнуть из-за горизонта событий; он безвозвратно поселился внутри черной дыры.

Односторонний характер этой границы не сразу проблематичен. Фактически, это надежное предсказание общей теории относительности. Опасность начинается, когда эта теория взаимодействует с диким миром квантовой механики.

Что-то из ничего

Квантовая теория спасает черные дыры от жадных монстров, которыми они созданы. Каждую калорию потребляемой ими энергии они в конечном итоге возвращают в виде излучения Хокинга — энергии, выжатой из вакуума вблизи горизонта событий.

Идея получения чего-то из ничего может показаться абсурдной, но абсурдность — не самое худшее обвинение в адрес квантовой механики. Пустота вакуума в квантовой теории противоречит морю частиц — фотонов, электронов, гравитонов и т. д. — которые сговорились сделать пустое пространство пустым. Эти частицы собраны в тщательно подобранные пары и действуют рука об руку как клей, скрепляющий пространство-время.

Однако пары частиц, которые пересекают горизонт событий черной дыры, навсегда отделяются друг от друга. Только что разведенные частицы отлетают от горизонта в противоположных направлениях, при этом один член врезается в сингулярность, а другой избегает гравитационного притяжения черной дыры в виде излучения Хокинга. Этот процесс истощает черную дыру, заставляя ее становиться легче и меньше по мере того, как она излучает энергию в виде исходящих частиц. Из-за закона сохранения энергии частицы, захваченные внутри, должны нести отрицательную энергию, чтобы объяснить уменьшение полной энергии черной дыры.

Со стороны кажется, что черная дыра сгорает (хотя это происходит так медленно, что вы не можете увидеть, как это происходит в реальной жизни). Когда вы сжигаете книгу, слова на ее страницах отпечатываются на узоре исходящего света и оставшегося пепла. Таким образом, эта информация сохраняется, по крайней мере, в принципе. Если бы испаряющаяся черная дыра была обычной системой вроде горящей книги, то информация о том, что в нее попадает, была бы закодирована в возникающем излучении Хокинга. К сожалению, это осложняется квантово-механической связью между частицами на горизонте.

Враг Эйнштейна

Выпуск начинается с конца союза двух частиц, пересекающих горизонт событий. Несмотря на то, что они разделены, они поддерживают квантовый союз, выходящий за пределы пространства и времени — они связаны запутанностью. Предсказавшие ее физики отвергли как абсурд квантовую запутанность, возможно, один из самых странных аспектов нашей вселенной и, возможно, один из самых важных. Концепция была впервые придумана Альбертом Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном как опровержение зарождавшейся тогда теории квантовой механики. Они ссылались на запутанность как на причину, по которой теория должна быть неполной — «жуткий», как назвал это явление Эйнштейн.

Простым примером запутанности является рассмотрение двух монет в суперпозиции — квантовый феномен пребывания в нескольких состояниях до тех пор, пока не будет произведено измерение — обе монеты могут быть либо орлом, либо решкой. Монеты не обращены орлом и решкой одновременно — это физически невозможно, — но суперпозиция означает, что вероятность увидеть пару монет в любой ориентации, оба орла или обе решки, составляет половину вероятности. Нет никаких шансов когда-либо найти монеты в противоположных ориентациях. Следовательно, две монеты запутались; результат измерения одного предсказывает результат другого с полной уверенностью. Любая монета сама по себе совершенно случайна, лишена информации, но случайность пары прекрасно коррелирует.

Ученые были обеспокоены тем, как эти две монеты могли влиять друг на друга, не вступая в физический контакт. Монеты могут находиться в разных галактиках, сохраняя при этом ту же степень запутанности между ними. Эйнштейна обеспокоило очевидное «призрачное действие на расстоянии», связывающее результаты двух отдельных случайных измерений.

Ирония в том, что сам Эйнштейн находится в суперпозиции того, что он одновременно неправ и прав. Он был прав, признавая важность запутанности для отличия квантовой механики от классической физики. То, что он ошибся, можно резюмировать трюизмом «корреляция не подразумевает причинно-следственную связь». Хотя судьбы частиц неразрывно связаны между собой, результат измерения одной из них не причина результат другого. Оказывается, квантовая механика просто допускает новую, более высокую степень корреляции, чем мы привыкли.

Информация утеряна

Поскольку излучение Хокинга состоит из половины набора запутанных пар, оно выходит из черной дыры в совершенно случайном состоянии — если бы это были монеты, то с равной вероятностью они были бы орлом или решкой . Следовательно, мы не можем сделать никаких полезных выводов о содержимом черной дыры из случайных измерений излучения. Это означает, что испаряющаяся черная дыра — это, по сути, прославленный измельчитель информации, за исключением того, что, в отличие от механического типа, она тщательно выполняет свою работу.

Мы можем измерить недостаток информации — или случайность — в излучении Хокинга, подумав о степени запутанности между излучением и черной дырой. Это связано с тем, что один член запутанной пары всегда является случайным, а внешние члены — это все, что остается к концу испарения. Вычисление случайности имеет много названий, включая энтропию запутанности, и она растет с каждой возникающей частицей Хокинга, достигая высокого значения после полного исчезновения черной дыры.

Этот паттерн отличается от того, что происходит при сохранении информации, как в примере с горящей книгой. В таком случае энтропия может вначале возрастать, но к концу процесса она должна достичь максимума и упасть до нуля. Интуиция, стоящая за этим правилом, ясна, когда вы думаете о стандартной колоде карт: предположим, вам раздают карты из колоды из 52 карт, одну за другой лицом вниз. Энтропия имеющихся у вас карт — это просто мера вашего невежества в отношении того, что находится на другой стороне карт, в частности, количества возможностей того, чем они могут быть. Если вам сдали только одну карту, энтропия равна 52, потому что существует 52 возможности. Но по мере того, как вам сдают больше, энтропия растет, достигая пика в 500 триллионов для 26 карт, которые могут быть любой из 500 триллионов различных комбинаций. Однако после этого возможные комбинации карт и, следовательно, энтропия снова уменьшаются, снова достигая 52, когда у вас есть 51 карта. Когда у вас есть все карты, вы точно знаете, что у вас есть — вся колода — и энтропия равна нулю. Эта модель роста и падения энтропии, известная как кривая Пейджа, применима ко всем нормальным квантово-механическим системам. Время, когда энтропия достигает пика и начинает уменьшаться, называется временем страницы.

Уничтожение информации внутри черных дыр означает катастрофу для физики, поскольку законы квантовой механики гласят, что информация не может быть уничтожена. Это знаменитый информационный парадокс: добавление квантовой механики к описанию черных дыр приводит к кажущемуся непреодолимым противоречиям. Физики знали, что нам нужно более полное понимание физики квантовой гравитации, чтобы построить кривую Пейджа для излучения Хокинга. Неудивительно, что эта задача оказалась сложной.

Насыщенный событиями горизонт

Частично проблема заключалась в том, что никакой незначительной настройки процесса испарения было достаточно, чтобы создать кривую Пейджа и вернуть энтропию к нулю. Нам нужно было радикально переосмыслить структуру черной дыры.

В статье, которую я опубликовал в 2013 году вместе с Дональдом Марольфом, Джозефом Полчински и Джейми Салли (известными под общим названием AMPS), мы опробовали несколько способов изменить картину испарения черных дыр, используя серию из Gedanken Experiments — немецкое название тех мысленных экспериментов, которые популяризировал Эйнштейн. В ходе наших испытаний мы пришли к выводу, что для сохранения неприкосновенности информации необходимо одно из двух: либо физика должна быть нелокальной, позволяя информации мгновенно исчезать изнутри и появляться за горизонтом событий, либо должен начаться новый процесс. во время страницы. Чтобы предотвратить рост энтропии, этот процесс должен разорвать запутанность между парами частиц на горизонте событий. Первый вариант — сделать физику нелокальной — был слишком радикальным, поэтому мы решили выбрать второй.

Эта модификация помогает сохранить информацию, но таит в себе еще один парадокс. Вспомните, что запутанность на горизонте была результатом наличия там пустого пространства — так вакуум поддерживается морем запутанных пар частиц. Запутанность является ключевым моментом; ее разрушение происходит за счет создания стены из частиц чрезвычайно высокой энергии, которую наша группа назвала брандмауэром. Наличие такого брандмауэра на горизонте запретило бы проникновение чего бы то ни было в черную дыру. Вместо этого падающая материя испарялась бы при контакте. Черная дыра во времена Пейджа внезапно потеряет свою внутреннюю часть, и пространство-время подойдет к концу, но не в сингулярности глубоко внутри черной дыры, а прямо там, на горизонте событий. Этот вывод известен как парадокс брандмауэра, уловка-22, означающая, что любое решение информационного парадокса должно быть получено за счет уничтожения того, что мы знаем о черных дырах. Если когда-либо и существовала трясина, то это была бы она.

Флуктуирующие червоточины

В конце концов мои коллеги и я поняли, что и информационный парадокс, и более новый парадокс брандмауэра возникли из-за того, что наши попытки объединить квантовую механику и физику черных дыр были слишком робкими. Было недостаточно применить квантовую механику только к материи, присутствующей в черных дырах, — нам нужно было также разработать квантовую трактовку пространства-времени черных дыр. Хотя квантовые эффекты в пространстве-времени обычно очень малы, они могут быть усилены большой запутанностью, вызванной испарением. Такой эффект может быть тонким, но его последствия будут огромными.

Чтобы рассмотреть квантовую природу пространства-времени, мы полагались на метод, разработанный Ричардом Фейнманом, который называется интегралом по путям в квантовой механике. Идея основана на странной истине, согласно которой, согласно квантовой теории, частицы не просто путешествуют по единственному пути из точки А в точку Б — они проходят по всем различным путям, соединяющим две точки. Интеграл по путям — это способ описания движения частицы в терминах квантовой суперпозиции всех возможных маршрутов. Точно так же квантовое пространство-время может находиться в суперпозиции различных сложных форм, эволюционирующих по-разному. Например, если мы начинаем и заканчиваем двумя обычными черными дырами, квантовое пространство-время внутри них имеет ненулевую вероятность создания короткоживущей червоточины, временно соединяющей их внутренности.

Обычно вероятность этого исчезающе мала. Однако, когда мы проводим интеграл по путям в присутствии излучения Хокинга нескольких черных дыр, большая запутанность между излучением Хокинга и внутренней частью черной дыры увеличивает вероятность таких червоточин. Это осознание пришло ко мне благодаря работе, которую я проделал в 2019 году с Томасом Хартманом, Хуаном Малдасеной, Эдгаром Шагуляном и Амирхоссейном Тайдини, а также в результате независимого сотрудничества между Джеффри Пенингтоном, Стивеном Шенкером, Дугласом Стэнфордом и Женбином Янгом.

Острова за горизонтом

Какая разница, если некоторые черные дыры соединены червоточинами? Оказывается, они изменяют ответ о том, сколько энтропии запутанности существует между черной дырой и ее излучением Хокинга. Ключ в том, чтобы измерить эту энтропию запутанности в присутствии нескольких копий системы. Это известно как трюк с репликами.

Релевантный физический эффект этих временных червоточин заключается в том, что внутренности различных черных дыр меняются местами. Это происходит буквально — то, что было в одной черной дыре, запихивается в одну из других копий, находящихся далеко, и принимает новую пространственно-временную внутренность из другой черной дыры. Поменявшаяся область внутренней части черной дыры называется островом и охватывает почти всю внутреннюю часть вплоть до горизонта событий.

Обмен — это именно то, что доктор прописал! Сосредоточение внимания на одной из черных дыр и ее излучении Хокинга, замена острова забирает с собой все частицы-партнеры, запутавшиеся с исходящим излучением Хокинга, и, следовательно, технически между черной дырой и ее излучением нет никакой запутанности.

Включение этого потенциального эффекта червоточин дает новую формулу для энтропии запутанности излучения применительно к одной копии системы. Вместо первоначального расчета Хокинга, который просто подсчитывал количество частиц Хокинга за пределами черной дыры, новая формула любопытным образом рассматривает остров так, как будто он находится снаружи и является частью внешнего излучения Хокинга. Поэтому запутанность между островом и экстерьером не следует учитывать в энтропии. Вместо этого энтропия, которую он предсказывает, почти полностью исходит из вероятности фактического обмена, которая равна площади границы острова — примерно площади горизонта событий — деленной на ньютоновскую гравитационную постоянную. По мере сжатия черной дыры этот вклад в энтропию уменьшается. Это формула острова для энтропии запутанности излучения Хокинга.

Последним шагом в вычислении энтропии является нахождение минимума между формулой острова и первоначальным расчетом Хокинга. Это дает нам кривую Пейджа, которую мы искали. Сначала мы рассчитываем энтропию запутанности излучения по исходной формуле Хокинга, потому что ответ начинается меньше, чем площадь горизонта событий черной дыры. Но по мере того, как черная дыра испаряется, площадь сжимается, и новая формула принимает эстафету как истинный представитель энтропии запутанности излучения.

Что примечательно в этом результате, так это то, что он решает два парадокса с помощью одной формулы. Похоже, что парадокс брандмауэра решается за счет поддержки варианта нелокальности, от которого изначально отказалась моя группа AMPS. Вместо того, чтобы разорвать запутанность на горизонте, нас учат рассматривать внутреннюю часть — остров — как часть внешней. Сам остров становится нелокально отображенным наружу. И формула решает информационный парадокс, показывая, как черные дыры создают кривую Пейджа и сохраняют информацию.

Давайте сделаем шаг назад и подумаем, как мы сюда попали. Истоки информационного парадокса можно проследить до несовместимости между изоляцией информации горизонтом событий и квантово-механическим требованием потока информации за пределами черной дыры. Наивное разрешение этого напряжения приводит к резким изменениям структуры черных дыр; однако тонкие, но драматические эффекты флуктуирующих червоточин меняют все. Возникает непротиворечивая картина, позволяющая черной дыре сохранять свою регулярную структуру, предсказанную общей теорией относительности, хотя и с присутствием неявной, хотя и мощной нелокальности. Эта нелокальность кричит о том, что мы должны рассматривать часть внутренней части черной дыры — остров — как часть внешности, как единое целое с внешним излучением. Таким образом, информация может покинуть черную дыру, не преодолев непреодолимый горизонт событий, а просто провалившись вглубь острова.