Квантовая теория черных дыр

Квантовая ткань пространства-времени: запутанные чёрные дыры

Квантовая теория черных дыр

Сто лет назад после разработки Эйнштейном общей теории относительности, физики всё ещё не могут разобраться с пожалуй, одной из наиболее сложных проблем несовместимости во вселенной.

Эйнштейн описал ландшафт пространства-времени похожим на картину Сальвадора Дали – плавный, бесшовный, без разрывов, геометрический. Но квантовые частицы, заполняющие пространство, больше похожи на творение Жорж-Пьера Сёра – точечное, дискретное, описываемое вероятностями.

Основы этих двух описаний противоречат друг другу. Однако новая идея предполагает, что квантовые корреляции разных точек картины импрессиониста создают не только ландшафты Дали, но и холст, на который они нанесены – а также и трёхмерное пространство вокруг них.

Эйнштейн, как это с ним часто бывает, находится в центре всего этого, всё ещё переворачивая наши теории с ног на голову.

Описание новой идеи, ER = EPR – будто инициалы, вырезанные на дереве. Это объединение двух идей, предложенных Эйнштейном в 1935 году.

Одна – парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (EPR), «пугающее дальнодействие» между двумя элементарными частицами (spooky action at a distance). Вторая – связь двух чёрных дыр через червоточины (мост Эйнштейна-Розена, ER). Во время рождения этих идей между ними не просматривалось никакой связи.

Парадокс EPR даже попал на страницы газет Но что, если принять, что эти две идеи – проявления одного и того же? Тогда эта связь окажется основой всего пространства-времени. Квантовая запутанность, которая так беспокоила Эйнштейна, будет проявлением пространственных связей, сшивающих пространство, как говорит Леонард Саскинд, физик Стэнфордского университета и один из авторов идеи. Без таких связей пространство распалось бы на «атомы», по мнению Хуана Малдасены, физика из Принстонского института перспективных исследований, соавтора идеи. «Иными словами, сплошная и надёжная структура пространства-времени возможна лишь благодаря незримым запутанностям»,- говорит он. Более того, гипотеза ER = EPR может пролить свет на связь гравитации и квантовой механики. Конечно, не всем эта идея нравится (а по мнению Саскинда и не должна – она ещё в зачаточном состоянии). Джо Полчински, исследователь из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, осторожен в своих оценках, но заинтересован: «Не знаю, куда это всё движется, но выглядит достаточно интересно».

Войны чёрных дыр

Дорога, приведшая к ER = EPR сама по себе похожа на лист Мёбиуса, переходя сама в себя и напоминая рисунки Эшера. Начать можно с квантовой запутанности. Если две частицы запутаны, они превращаются в две части одного целого. Что случается с одной, случается с другой, независимо от расстояния между ними.

Хуан Малдасена Малдасена объясняет это на примере пары перчаток: если вы нашли правую, вы сразу же знаете, что другая будет левой. В этом нет ничего пугающего. Но в квантовой механике обе перчатки сразу и левые, и правые (и все промежуточные варианты), пока вы не проведёте наблюдения над одной из них.

Что ещё страньше – левая перчатка не становится левой, пока вы не найдёте правую – и в этот момент они обе обретают свои свойства. Запутанность тесно связана с открытием Стивена Хокинга от 1974 года того факта, что чёрные дыры испаряются. В пространстве постоянно появляются пары виртуальных частиц материи и антиматерии.

Хокинг понял, что если одна частица упадёт в чёрную дыру, а другая сбежит от неё, то дыра будет испускать излучение. Через достаточное количество времени дыра исчезнет, что поднимает вопрос об информации, исчезающей вместе с ней. Но законы квантового мира запрещают уничтожение информации.

Поэтому возникает вопрос – будет ли информация, попавшая в чёрную дыру, просто зашифрованной, или же она действительно исчезнет? Споры по этому поводу привели к т.н. «войнам чёрных дыр». В конце концов Саскинд понял, что вся информация, упавшая в дыру, попадает в ловушку её двумерного горизонта событий. И всё хранится в нём, будто трёхмерное изображение в голограмме.

Это как если бы биты информации, необходимые для воссоздания вашего дома и всего его содержимого, могли бы разместиться на его стенах. Информация не теряется – она шифруется и хранится вне доступа.

Продолжив работу над идеей, Саскинд и Малдасена начали использовать голографический принцип не только для понимания чёрных дыр, но и любого участка пространства, который можно описать его границами. За последние десять лет безумная идея, что пространство – это голограмма, превратилась в обыденную, в инструмент физиков, используемый везде, от космологии до сверхплотной материи. «Одно из тех событий, случающихся с научными идеями, состоит в том, что они из безумной идеи переходят в хорошую идею, а затем – в рабочий инструмент,- говорит Саскинд. Это уже стало рутиной».

Леонард Саскинд Голографический принцип был связан с тем, что происходит на границах объектов, включая горизонт событий чёрной дыры. Остался вопрос – что же происходит внутри. Поскольку никакая информация не может покинуть внутренности горизонта событий, законы физики запрещают непосредственные проверки внутренностей чёрной дыры. Затем в 2012 году физики Алмхейри, Маролф, Полчински и Салли – все из Санта-Барбары, пришли к такому странному выводу, что можно было сказать – погодите-ка. Мы ничего не знаем. Т.н. работа AMPS (по инициалам авторов) говорит, что у чёрных дыр вообще может не быть внутренностей, поскольку «стена огня» на горизонте событий уничтожит всё, что попробует раскрыть их секреты.

Измеряя огненную стену

Суть работы в следующем: если горизонт событий чёрной дыры – плавное и обыкновенное место, как предсказывает ТО (авторы называют это условие «без драматизма»), частицы, вылетающие из чёрной дыры, должны быть запутаны с частицами, падающими в дыру.

Но для того, чтобы не потерять информацию, частицы, вылетающие из дыры, должны быть также запутаны с теми, что уже давно покинули дыру и теперь рассеяны где-то по всему излучению Хокинга. Получается, у нас есть слишком много запутанностей. Запутанность не может существовать между тремя частицами одновременно — только у каждой пары частиц.

«Полигамность» в квантовом мире невозможна, а значит, в «жерле» чёрной дыры не может существовать гладкое и протяжённое пространство-время. Поломка запутанности на горизонте означает наличие там некоей границы пространства – стены огня. Стивен Шенкер, физик из Стэнфорда, назвал работу AMPS «спусковым крючком».

Физики любят такие парадоксы – они представляют собой плодородную почву для открытий. Саскинд и Малдасена сразу ухватились за идею. Они работали над своими запутанностями и червоточинами, вдохновляясь работой Марка Ван Раамсдонка, физика из университета Британской Колумбии в Ванкувере.

Он совершил важный мысленный эксперимент, предполагающий, что запутанность и пространство-время сильно связаны между собой. «Как-то раз,- говорит Саскинд,- Хуан отправил мне загадочное сообщение, содержавшее уравнение ER = EPR. Я сразу понял, что он имеет в виду, и мы начали обсуждать идею».

Они представили свои мысли в работе 2013 года «Холодные горизонты запутанных чёрных дыр», описывая запутанность, которую проглядели авторы AMPS – ту, что связывает пространство вместе. AMPS предположили, что части пространства внутри и снаружи горизонта событий независимы.

Но Саскинд и Малдасена считают, что частицы с любой стороны границы могут быть соединены через червоточину, и это может разрешить парадокс. Картинку из работы некоторые шутя называют «осьминогом» – множество червоточин идут из внутренностей чёрной дыры к радиации Хокинга снаружи.

Иными словами, не нужно придумывать запутанность, создающую странности на гладкой поверхности жерла чёрной дыры. Частицы внутри неё будут непосредственно соединены с частицами снаружи, которые уже давно улетели вдаль. Не надо переходить через горизонт. Внутренние и наружные частицы составляют одно целое, как поясняет Малдасена. Осьминог объединяет внутренности чёрной дыры с частицами из облака радиации Хокинга.

Дырки в дыре

Пока нет уверенности в том, что ER = EPR разрешит проблему огненной стены. Джон Прескил, физик из Калифорнийского технологического института, напоминает, что иногда физики полагаются на свой нос, чтобы «вынюхивать» многообещающие теории.

И на первый «нюх» теория ER = EPR «может пахнуть свежо и приятно, но ей ещё надо дозреть на полочке». Тем не менее, Шенкер утверждает, что соответствие между запутанностью частиц и геометрией плавно изогнутого пространства-времени – это большое дело.

Это позволило ему с его коллегой из Института перспективных исследователей поработать со сложными задачами квантового хаоса таким образом, что, как говорит Шенкер, «эта простая геометрия была понятна даже мне». ER = EPR не описывает любую часть любого пространства или любую запутанность.

Она подходит к особой запутанности и особым червоточинам. Маролф, который недавно опубликовал работу, описывающую червоточины с более чем двумя концами, считает, что физикам известно об этих ограничениях. ER = EPR работает в особых случаях, но AMPS утверждает, что огненная стена представляет гораздо более широкую задачу.

Маролф и другие беспокоятся, что ER = EPR изменит стандартную квантовую механику. «Есть ощущение, что эту штуку понимают только Ленни и Хуан,- говорит Маролф. Но, всё равно, в интересное время для науки мы работаем».

Вторая часть

  • чёрные дыры
  • квантовая запутанность
  • теория относительности
  • Эйнштейн
  • 21 сентября 2018 в 13:38
  • 19 августа 2018 в 23:54
  • 7 апреля 2017 в 15:20

Источник: https://habr.com/post/374965/

Квантовая теория черных дыр

Квантовая теория черных дыр

Черные дыры в настоящее время рассматриваются в качестве самого привлекательного объекта для изучения во Вселенной. Они обладают уникальными свойствами и характеристиками, однако увидеть их невооруженным глазом не так и просто. До сих пор ученые только склоняются к изучению подобных космических тел, однако их реальное предназначение и функции еще доподлинно неизвестны.

Сегодня исследователи пытаются создать миниатюрную модель черной дыры в условиях лабораторий. Она должна выглядеть совсем не так как представляют ее многие обыватели, однако объект может обладать теми же специфическим свойствами, что и их собратья в открытом космосе.

Отличительные признаки черных дыр

Замечание 1

Астрофизики дают расплывчатое определение объектам, называемым «черные дыры». По мнению ученые, они являются остатками массивных звездных образований.

В какой-то момент бывшие звезды совершили коллапс под собственным весом, что привело к образованию нового объекта во Вселенной.

При попадании на них вещества, они преобразуют гравитационную потенциальную энергию, которое является единственным источником энергии, способным запомнить мощные потоки рентгеновского излучения.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Черные дыры микроскопических размеров, которые планируют воссоздать экспериментальным способом, могут иметь массу, сравнимую с крупным астероидом.

Такие образования могли появляться сразу после точки отсчета – Большого взрыва.

Поэтому ученым так важно сегодня достигнуть подобного состояния, чтобы объяснить многие процессы, происходящие на заре времени и пространства нашей объективной Вселенной.

Исследователи полагают, что пространство имеет иные скрытые измерения согласно квантовой теории струн. В этих условиях дыры могут рождаться в различных условиях и в настоящее время. Для этого необходимо лишь столкновение быстрых частиц. После взаимодействия частиц ученые намерены увидеть вместо поглощения вещества испускание энергии и быстрое затухание.

На современном этапе развития концепции черных дыр принято ориентироваться при построении квантовой теории черных дыр на общую теории относительности, которую сформулировал физик Альберт Эйнштейн около века назад.

Он полагал, что вещество можно сжать, тогда гравитация может стать настолько сильной, что очертит определенную область пространства. Из этой области ничего не сможет вырваться наружу и будет поглощено.

Подобную границу области называют горизонтом событий, и она располагается внутри черной дыры.

Считается, что любые объекты способны проникать внутрь этого пространства, однако наружу вновь выйти не способны. Чем меньше черная дыра по видимым размерам, тем больше ее масса и сжатие.

Ученые считают, что максимальная сжатость существовала перед Большим взрывом, энергия которой была сосредоточена в одной сверхмалой точке, а затем произошел ее коллапс с выбросом пока малоизученной энергии.

Однако некоторые ученые-теоретики считают, что коллапс – это не единственный путь зарождения черных дыр.

Несколько десятилетий назад была разработана еще одна концепция формирования черных дыр во Вселенной в ее ранний период существования. Специалисты называют их первичными черными дырами.

Установлено, что при расширении пространства средняя плотность вещества идет на уменьшение.

Таким образом, в первые моменты после Большого взрыва плотность была намного больше и могла достигать ядерного уровня.

В первые мгновения зарождения нашей Вселенной микроскопические черные дыры были необходимы для участия в процессе распространения материи, однако высокая плотность не гарантировала их появления.

Теперь исследователи космоса опираются на предыдущие теоретические знания и могут называть некоторые отличительные признаки различных черных дыр:

  • они имеют разнообразные размеры и могут существовать на уровне субатомных частиц;
  • после Большого взрыва могли остаться малые черные дыры, которые пытаются обнаружить ученые;
  • черные дыры могут возникать не только во Вселенной, но и в земных условиях.

Свойства черных дыр

Британский физик-теоретик Стивен Хокинг долгое время изучал свойства черных дыр. Он предположил, что подобные образования в космосе могут не только полностью поглощать вещество и пространство вокруг себя, но производить побочный продукт в виде тепла, однако измерить подобную величину пока не представляется возможным. Астрофизики определили примерную температуру черных звезд.

Несмотря на то, что в ней сконцентрирована огромная плотность и энергия, она имеет минимально возможную температуру, что очень мало для объекта Вселенной.

При этом масса дыры постепенно уменьшается, по мере того, как излучение уносит энергию. По этой причине существование черных дыр считается весьма нестабильным.

Сверхмалые черные дыры существуют непродолжительный срок и испаряются в зависимости от приобретенной массы.

Хокинг в своих работах смог объединить три основные теории: относительности, квантовую механику и термодинамику. Вскоре на основе его научных размышлений была создана квантовая теория гравитация, которая напрямую соответствовала современным представлениям о квантовой теории черных дыр.

Для того, чтобы произвести черную дыру в лабораторных условиях, необходимо соблюдения основных принципов и параметров:

  • создание первичной флуктуации плотности;
  • столкновение космических лучей;
  • применение ускорителя частиц.

Проблемы поиска и изучения черных дыр

Для понимания всех процессов в микроскопических черных дырах необходимо для начала понять, что из себя представляет сама черная дыра, находящаяся в естественных условиях Вселенной. Ученые пытаются найти области космического пространства, где фиксируется скопления этих интересных объектов.

Так как современные фоновые телескопы часто не могут справиться со своей задачей, то исследователи проводят собственные искусственные исследования в научных комплексах. Самым известным сооружением, при помощи которого планируют создать микроскопическую черную дыру, является Большой Адронный Коллайдер. Он установлен в Швейцарии.

Ускоритель БАК сможет столкнуть две частицы с огромной силой, а затем они коллапсируют в черную дыру. Датчики могли бы зарегистрировать последующий распад дыры.

Ученые намерены при помощи последующего анализа полученных данных скорректировать основные направление квантовых теорий гравитации и струн. Затем указанные данные могут ответить на вопрос о зарождении и развитии Вселенной, а также понять, сколько на самом деле существует измерений, и каким образом их можно найти и использовать.

Замечание 2

По одной из версий, черные дыры являются своеобразными порталами в иное измерение времени и пространства, входными дверями во Вселенную, что существует параллельно нашей.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/kvantovaya_teoriya/kvantovaya_teoriya_chernyh_dyr/

Теория струн на пальцах. Часть 3

Квантовая теория черных дыр

Предыдущая часть

Струнные дыры

Общепринятая сейчас теория чёрных дыр, выдвинутая сорок лет назад физиком Джоном Уилером, гласит, что после «выгорания» звезды, её останки сжимаются с такой силой, что сила притяжения превышает силу отталкивания, и в результате остаётся сингулярность: точка в пространстве, где материя находится в состоянии «бесконечной плотности». Сингулярность окружает так называемый «горизонт событий», гипотетическая граница, которую не способны преодолеть оказавшиеся внутри неё материя и энергия. Они «втягиваются» в чёрную дыру и навсегда остаются внутри.

Представление чёрной дыры

Это-то «навсегда» и вызывает вопросы.

В 1975 году крупнейший теоретик чёрных дыр Стивен Хокинг из Кембриджского университета установил (правда, лишь теоретически), что чёрные дыры медленно, но неизбежно испаряются. В соответствии с законами квантовой механики, пары «виртуальных» частиц и античастиц постоянно бурлят в пустом пространстве.

Хокинг показал, что гравитационная энергия чёрных дыр может передаваться «виртуальным» частицам у самого горизонта событий. В этом случае «виртуальные» частицы становятся реальными и выходят за пределы горизонта вместе с позитивной энергией в форме «излучения Хокинга».

Таким образом, со временем чёрная дыра испаряется.

Температура излучения Хокинга (излучение вблизи горизонта событий чёрной дыры, имеющее тепловой спектр):

Температура излучения чёрной дыры

где — постоянная Планка, c — скорость света в вакууме, k — постоянная Больцмана, G — гравитационная постоянная, и, наконец, M — масса чёрной дыры.

Например, несложно вычислить, что черная дыра массой 2*1030 кг (масса Солнца) будет иметь температуру излучения равную 6,135*10(-8) Кельвинов.

Это очень маленькая температура, даже по сравнения с фоновым излучением Вселенной с температурой 2,7 Кельвина.

Но температуры известных астрономам чёрных дыр слишком малы, чтобы излучение от них можно было бы зафиксировать — массы дыр слишком велики. Поэтому до сих пор эффект не подтверждён наблюдениями.

Однако такой взгляд приводит к «информационному парадоксу». Получается, что согласно теории относительности, информация о материи, попадающей в чёрную дыру, теряется, тогда как квантовая механика утверждает, что информация может в итоге вырваться наружу.

Хокинг на это отметил, что хаотичная натура «излучения Хокинга» означает, что энергия вырывается наружу, а информация нет. Однако в 2004-м году он изменил своё мнение — и это лишь один из пунктов пересмотра современной наукой всех своих взглядов на чёрные дыры.

Дело в том, что сейчас теоретики пытаются «примерить» на чёрные дыры (и все теоретические неувязки, связанные с ними) теорию струн. Теория струн сейчас — это лучшая попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, поскольку сами струны несут в себе гравитационную силу, а их вибрация является случайной, как и предсказывает квантовая механика.

В 1996 году Эндрю Стромингер и Камран Вафа из гарвардского университета решили подойти к проблеме информационного парадокса путём определения того, как чёрная дыра может быть устроена изнутри.

Выяснилось, что теория струн дозволяет выстраивание исключительно плотных и мелкомасштабных структур из самих струн и других описываемых теорией объектов, часть из которых имеют более трёх измерений. И эти структуры вели себя как раз как чёрные дыры: их гравитационная тяга не выпускает наружу свет.

Количество способов организации струн внутри чёрных дыр, — просто огромно. И, что особо интересно, эта величина полностью совпадает с величиной энтропии чёрной дыры, которую Хокинг и его коллега Бекенштейн рассчитали ещё в семидесятые годы.

Однако определение количества возможных вариантов сочетания струн — это ещё не всё.

В 2004-м году команда Самира Матура из Университета штата Огайо взялась за прояснение вопроса возможного расположения струн внутри чёрной дыры.

Выяснилось, что почти всегда струны соединяются так, что образуют единую — большую и очень гибкую — струну, но куда большего размера, нежели точечная сингулярность.

Группа Матура вычислила физические размеры нескольких «струнных» чёрных дыр, (которые участники группы предпочитают называть fuzzballs — «пуховыми шариками», или stringy stars — «струнными звёздами»). И с удивлением обнаружили, что размеры этих струнных образований совпадали с размерами «горизонта событий» в традиционной теории.

В связи с этим Матур предположил, что т.н. «горизонт событий» на самом деле представляет собой «пенящуюся массу струн», а не жёстко очерченную границу.

И что чёрная дыра на самом деле не уничтожает информацию по той причине, например, что никакой сингулярности в чёрных дырах просто нет. Масса струн распределяется по всему объёму до горизонта событий, и информация может храниться в струнах и отпечатываться на исходящем излучении Хокинга (а следовательно выходить за порог событий).

Впрочем, и Вафа, и Матур признают, что эта картина носит весьма предварительный характер. Матуру ещё предстоит проверить, как его модель подходит к крупным чёрным дырам, или понять, как чёрные дыры эволюционируют.

Ещё один вариант предложен Гэри Горовицем из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре и Хуаном Малдасеной из принстоновского Института передовых исследований.

По мнению этих исследователей, сингулярность в центре чёрной дыры всё-таки существует, однако информация в неё просто не попадает: материя уходит в сингулярность, а информация — путём квантовой телепортации — отпечатывается на излучении Хокинга.

 Многие физики оспаривают данную точку зрения, отвергая возможность мгновенного перехода информации.

Экстремальные черные дыры.

Многообразие (Евклидово пространство является самым простым примером многообразия. Более сложным примером может служить поверхность Земли.

Возможно сделать карту какой-либо области земной поверхности, например карту полушария, но невозможно составить единую (без разрывов) карту всей её поверхности) по которому может двигаться струна называется D-браной или Dp-браной (при использовании второго обозначения ‘p’ — целое число, характеризующее число пространственных измерений многообразия). Пример — две струны, у которых один или оба конца закреплены на 2-мерной D-бране или D2-бране:

D-браны могут иметь число пространственных измерений от -1 до числа пространственных измерений нашего пространства-времени. Само слово ‘брана’ произошло от слова ‘мембрана’, которая является двумерной поверхностью.

 Для чего я тут про это написал, а вот:

Браны сделали возможным описание некоторых специальных черных дыр в рамках теории струн (Это открытие сделали Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа в 1996 г. Выше.)

Взаимосвязь бран с черными дырами косвенная, но убедительная. Вот как это происходит: Вы начинаете с выключения гравитационной силы (вы делаете это, устанавливая струнную константу связи (число, означающее вероятность распада струны на две струны — одна из двух фундаментальных постоянных в теории струн. Первая — это «натяжение» струны) на нуле).

Это может показаться странным для описания черных дыр, которые есть ничто иное, как гравитация, однако, посмотрим, что происходит дальше. С отключенной гравитацией мы можем рассмотреть геометрии, в которых многие браны накручены вокруг дополнительных измерений. Теперь мы используем факт, что браны переносят электрические и магнитные заряды.

Оказывается, что имеется предел того, как много заряда может иметь брана, этот предел связан с массой браны. Конфигурации с максимально возможным зарядом очень специфичны и называются экстремальными. Они включают в себя одну из ситуаций, когда имеются дополнительные симметрии, которые позволяют проводить более точные вычисления.

В особенности, такие ситуации характеризуются наличием нескольких различных суперсимметрий, которые связывают фермионы и бозоны.

Имеется также максимальное количество электрического или магнитного заряда, которое может иметь черная дыра, и все еще быть стабильной. Они называются экстремальными черными дырами, и они многие годы изучались специалистами по ОТО.

Несмотря на тот факт, что гравитационная сила была выключена, экстремальная система бран делит некоторые свойства с экстремальными черными дырами. В особенности, идентичны термодинамические свойства двух систем. Таким образом, через изучение термодинамики экстремальных бран, накрученных на дополнительные измерения, можно воспроизвести термодинамические свойства экстремальных черных дыр.

Одной из проблем физики черных дыр было объяснение открытия Якоба Бекенштейна и Стивена Хокинга, что черные дыры имеют энтропию и температуру. Новая идея из теории струн такова (в случае экстремальных черных дыр) что вы можете продвинуться в изучении аналогичных систем экстремальных бран, свернутых вокруг дополнительных измерений.

Фактически, многие свойства двух систем в точности одинаковы. Это почти сверхъестественное совпадение возникает потому, что в обоих случаях имеется несколько различных суперсимметричных преобразований, связывающих фермионы и бозоны.

Оказывается, они позволяют сконструировать убедительную математическую аналогию, которая заставляет термодинамики* двух систем быть идентичными.

____________

* Термодинамика черной дыры (свойства):

  • Сила гравитации одинакова по всей поверхности горизонта событий
  • Площадь горизонта событий черной дыры не может уменьшаться со временем при любом классическом процессе.
  • В любых неравновесных процессах с участием чёрных дыр (например, при их столкновении) площадь поверхности увеличивается.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/592f3651e3cda8c8f17c656f/5de043a6b26206164872ecc4

Главы | Квантовые черные дыры — лонгриды от ПостНауки

Квантовая теория черных дыр

ЖУРНАЛ Совместно с издательским домом «Питер» мы публикуем главу из книги физика Карло Ровелли «Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле», посвященной петлевой квантовой теории гравитации и ее значению для науки.

Перевод с английского Александра Сергеева.

Черных дыр в нашей Вселенной очень много. Это области, в которых пространство настолько искривлено, что замыкается на себя, а время замирает.

Как уже говорилось, они образуются, когда звезда сжигает весь доступный ей водород и коллапсирует.

Часто сколлапсировавшая звезда входит в состав двойной звезды. В этом случае черная дыра и ее «живой» партнер будут обращаться друг вокруг друга; при этом черная дыра непрерывно затягивает вещество другой звезды (рис. 1).

Астрономы обнаружили множество черных дыр величиной (то есть массой) порядка нашего Солнца (на самом деле несколько массивнее). Но существуют также гигантские черные дыры. По крайней мере одна такая есть в центре почти каждой галактики, включая нашу собственную.

Нейтронные звезды и черные дыры
 // Рисунок 1. Пара из обычной звезды и черной дыры. Звезда теряет вещество, которое частично поглощается черной дырой, а частично выбрасывается в виде струй (джетов) в направлении ее полюсов

Черная дыра в центре нашей Галактики сейчас подробно изучается.

Ее масса в миллион раз больше солнечной. Всякий раз, когда какая-нибудь звезда подлетает слишком близко к этому монстру, гравитационные деформации разрушают ее, и циклопическая черная дыра проглатывает ее, как кит маленькую рыбку.

Представьте себе монстра размером в миллион солнц, который в мгновение ока проглатывает наше Солнце с его миниатюрными планетками…[1 ]По современным оценкам, масса центральной черной дыры в нашей Галактике немного превышает 4 миллиона масс Солнца.

При этом ее поперечник составляет около 25 миллионов километров, то есть она примерно в 20 раз больше Солнца по размерам. — Примеч. пер.

Сейчас реализуется замечательный проект по созданию сети радиоантенн, разбросанных по всей Земле от полюса до полюса, с помощью которых астрономы достигнут разрешения, достаточного, чтобы «увидеть» центральную черную дыру нашей Галактики. Мы надеемся разглядеть маленький черный диск, окруженный светом, испускаемым падающей на черную дыру материей.

То, что попадает в черную дыру, никогда не выходит обратно, по крайней мере, если мы игнорируем квантовую теорию. Поверхность черной дыры подобна настоящему моменту во времени — пройти ее можно только в одном направлении. Из будущего нет возврата. Для черной дыры прошлое — это внешняя область, а будущее — внутренняя.

Если смотреть снаружи, черная дыра подобна сфере, в которую можно погрузиться, но из которой ничто не выходит обратно. Ракета может зависнуть на фиксированном расстоянии от этой сферы, которую называют горизонтом черной дыры. Для этого двигателям придется очень интенсивно работать, сопротивляясь гравитационному притяжению дыры.

Мощная гравитация черной дыры приведет к замедлению времени на ракете. Если ракета зависнет в течение часа достаточно близко к горизонту, а затем вернется назад, окажется, что вовне тем временем прошли столетия. Чем ближе к горизонту останавливается ракета, тем медленнее по отношению к внешнему миру течет ее время.

Так что путешествовать в прошлое проблематично, а путешествовать в будущее легко: достаточно подлететь поближе к черной дыре, побыть некоторое время в ее окрестностях, а затем вернуться.

На самом горизонте время останавливается: если мы подлетим совсем близко к нему и всего через несколько минут по нашим часам улетим обратно, в остальной Вселенной может пройти миллион лет.

По-настоящему удивительно то, что свойства этих рутинно наблюдаемых сегодня странных объектов были предсказаны эйнштейновской теорией.

Сегодня астрономы изучают эти объекты в пространстве, но еще не так давно черные дыры рассматривались как малоправдоподобные и диковинные следствия экстравагантной теории.

Я помню, как мой университетский профессор говорил о них как о решениях уравнений Эйнштейна, которым «вряд ли соответствуют какие-то реальные объекты». Это пример поразительной способности теоретической физики открывать то, чего еще никто не наблюдал.

 // Рисунок 2. Поверхность черной дыры, пересекаемая петлями, то есть ребрами спиновой сети, которая описывает состояние гравитационного поля. Каждая петля соответствует кванту площади поверхности черной дыры. © Джон Баез

Черные дыры, которые мы наблюдаем, хорошо описываются теорией Эйнштейна, и для их понимания не требуется квантовая механика. Но есть две загадки черных дыр, для раскрытия которых необходима квантовая механика, и для каждой из них петлевая теория предлагает возможное решение. Одна из них также дает возможность проверки этой теории.

Перспективы радиоастрономии

Первое приложение квантовой гравитации к черным дырам связано с забавным фактом, открытым Стивеном Хокингом. В начале 1970-х годов он пришел к теоретическому выводу о том, что черные дыры «горячие».

Они ведут себя как нагретые тела — испускают излучение. При этом они теряют энергию, а значит и массу (поскольку энергия и масса — это одно и то же), постепенно становясь все меньше. Они испаряются.

Это испарение черных дыр — самое значительное открытие, сделанное Хокингом.

Предметы бывают горячими, поскольку их микроскопические составляющие движутся. В горячем куске железа, например, атомы железа очень быстро колеблются вокруг своих равновесных положений. Горячий воздух горяч потому, что молекулы в нем движутся быстрее, чем в холодном воздухе.

Что за элементарные «атомы» колеблются в черных дырах, делая их горячими? Хокинг оставил этот вопрос без ответа. Петлевая теория дает возможный ответ. Элементарные атомы, которые вибрируют в черной дыре и тем самым наделяют ее температурой, — это отдельные кванты пространства на ее поверхности.

Таким образом, с помощью петлевой теории удается понять странное тепло черных дыр, предсказанное Хокингом: это тепло — результат микроскопических колебаний отдельных атомов пространства. Они колеблются, поскольку в мире квантовой механики колеблется всё, ничто не остается неподвижным.

Самая суть квантовой механики состоит в невозможности заставить что-либо полностью замереть на продолжительное время. Тепло черных дыр напрямую связано с флуктуациями атомов пространства в петлевой квантовой гравитации. Точное положение горизонта черной дыры определяется с точностью до этих микроскопических флуктуаций гравитационного поля.

Поэтому, в некотором смысле, горизонт флуктуирует как нагретое тело.

Есть и другой способ понимания природы тепла черных дыр. Квантовые флуктуации порождают корреляции между внутренней и внешней областями дыры. (Я подробно остановлюсь на корреляциях и температуре в главе 12.

) Квантовая неопределенность на горизонте черной дыры порождает флуктуации геометрии горизонта. Однако флуктуации подразумевают вероятность, а вероятность влечет за собой термодинамику, и, как следствие, температуру.

Скрывая от нас часть Вселенной, черная дыра делает свои квантовые флуктуации воспринимаемыми в форме тепла.

Молодой итальянский ученый Евгенио Бианчи, ныне ставший профессором в Соединенных Штатах, выполнил элегантные вычисления, которые демонстрируют, что, отталкиваясь от этих идей и фундаментальных уравнений квантовой теории гравитации, можно вывести формулу для температуры черных дыр, которая впервые была предсказана Хокингом (рис. 3).

Второе приложение петлевой квантовой гравитации к физике черных дыр еще более впечатляющее. Сколлапсировавшая звезда исчезает для внешнего наблюдателя: она находится внутри черной дыры. Но что происходит с ней внутри дыры? Что вы увидите, если сами упадете в дыру?

 // Рисунок 3. Стивен Хокинг и Евгенио Бианчи. На доске — ключевые уравнения петлевой теории гравитации, которые описывают черные дыры

Поначалу ничего особенного: вы пересечете поверхность черной дыры без серьезного ущерба, а затем вас станет тянуть к центру со все большей скоростью. Что же дальше? Общая теория относительности предсказывает, что в центре всё сжимается в бесконечно малого размера точку с бесконечной плотностью. Но это, опять же, если игнорировать квантовую теорию.

Если же принять во внимание квантовую гравитацию, это предсказание перестает быть корректным, ведь существует квантовое отталкивание, такое же, как отталкивание, заставившее Вселенную отскочить в момент Большого взрыва.

Мы ожидаем, что с приближением к центру падающая материя станет замедляться этим квантовым давлением и достигнет очень высокой, но конечной плотности. Материя сдавливается, но не в бесконечно малую точку, поскольку есть предел того, насколько малы могут быть объекты.

Квантовая гравитация порождает огромное давление, которое заставляет материю отскакивать, в точности как коллапсирующая Вселенная может отскочить и стать расширяющейся.

Отскок коллапсирующей звезды может быть очень быстрым, если смотреть на него изнутри. Но, напоминаю, время там течет намного медленнее, чем снаружи. При наблюдении извне этот процесс отскока может занять миллиарды лет. По прошествии этого времени мы увидим, как черная дыра взрывается. В конечном счете черная дыра фактически оказывается коротким путем в отдаленное будущее.

Главы | Шварцшильдовская черная дыра

Итак, квантовая гравитация, возможно, предсказывает, что черные дыры — это вовсе не вечные стабильные объекты, как в классической общей теории относительности. В конечном счете они неустойчивы.

Наблюдение такого взрыва черной дыры стало бы впечатляющим подтверждением теории. Очень старые черные дыры, из тех, что образовались в ранней Вселенной, могут взрываться сегодня. Из некоторых недавних расчетов вытекает, что сигналы от их взрывов могут наблюдаться радиотелескопами.

Было даже высказано предположение, что некие загадочные радиоимпульсы, которые радиоастрономы уже регистрируют и называют быстрыми радиовсплесками, могут как раз и оказаться сигналами, возникающими при взрыве первичных черных дыр.

В случае подтверждения этого предположения мы получим поистине фантастический результат: прямое наблюдение квантового гравитационного явления. Остается только подождать…

Источник: https://postnauka.ru/longreads/101047

2. Черные дыры и квантовая механика • Библиотека

Квантовая теория черных дыр

  • Самое странное в современных теориях — это концепция пространства-времени (space-time). Данная концеция не укладывается в материальность нашего мира. Пространство и время не могут существовать отдельно от вещества (материи).

    Именно размеры и расположение материальных тел задают само пространство, а физические процессы (движения) задают время. Если мы рассматриваем пространство и время, да еще ищем их структуру, то мы выходим за рамки материальности нашего мира. Пример очень простой.

    Никакое пространство, никакое время не определяют физику распространения света и ограничения его скорости.

    Ответить

    • Ничего мы не выходим. Само пространство и само время есть свойства материального мира. К нематериальному миру я и отношу эти черные дыры, там ничего нет.

      Ответить

      • а если я смогу обьяснить, что такое пространство и время? что будет?

        Ответить

  • Вообще говоря, уравнения Эйнштейна говорят именно о том, что пространстно и время взаимосвязаны с материей …

    Ответить

    • Space-time:
      s2=(c.t)2-x2-y2-z2 — формула space-time. Где здесь вещество? Если Вы имеете другие формулы (Ньютона, Максвелла), то они не дают СОВМЕСТНОЙ связи с указанной невещественной категорией. Кроме постулата c=const, но каким образом?

      Ответить

      • это интервал. я же имед в виду уравнения ЭйнштейнаG_{\mu u} = 8\pi G/3 T_{\mu u}.

        Левая часть — тензор Эйнштейна — суть пространство-время. Правая — тензор энергии-импульса — суть вещество. Таким образом уравнения Эйнштейна и устанавливают взаимосвязь материи и пространства-времени.

        Ответить

        • Сергей. Любой тензор есть чистая математика, а энергия-импульс не есть вещество. Это вещество может иметь энергию движения и его импульс, а не наоборот. Наоборот = иделизму.

          Ответить

          • А как же быть с E=mc2? Масса, энергия, скорость света — это всё неотъемлемые части пространства (E,m) и времени (c)
            Пространство-вакуум полон энергии и Хиггсовским полем, волнения которого это масса. А вот свет (по моей собственной теории) на прямую связан с временем.

            Ответить

  • rykov, я с Вами не согласен. Малдасена не имеет в виду, что пространство-время может существовать отдельно от материи. Наоборот, он пишет, что пространство-время — не самое фундаментальное понятие. Оно порождается более фундаментальным понятием — взаимодействием обычных материальных частиц на границе мира анти — де Ситтера. Да, действительно, Малдасена говорит ,что «пограничные частицы (т.е. обычные материальные частицы!) являются «элементарными квантами» пространственно-временной геометрии». Но это, я думаю, просто неудачное выражение.Однако, нужно помнить, что в теории струн (в отличии от петлевой теории квантовой гравитации!) фоновое многомерное пространство-время не возникает динамически, а задано изначально.Когда мы ищем структуру пространства-времени, мы вовсе не выходим за рамки материальности нашего мира, как Вы пишете. Да, структура определяется «элементами», но в теории струн, например, структура пространства Калаби-Яу — это сувокупность его точек («элементов»)и взаимоотношений между ними, а не какие-то материальные кирпичи или атомы (это как раз осуществляется в петлевой теории квантовой гравитации).Кроме того, Малдасена — человек теории струн. А теория струн не допускает квантования или разложения на атомы (хоть и планковского размера!) пространства-времени (это делает конкурирующая теория — петлевая теория квантовой гравитации).В отношении Вашего примера с физикой распространения света. Да, действительно, преобразования Лоренца определяются постулатом о конечности и постоянстве скорости света, а не наоборот. Однако, это постулат СТО. Мы ведь можем выбрать другую аксиоматику, например, задать первичными преобразования Лоренца. В ОТО ситуация ещё интереснее (см. ниже). А, например, в петлевой теории квантовой гравитации дискретность пространства-время его «атомарность» как раз и определяет физику распространения света.Теперь, в отношении философии. Насколько я знаю, в философии существует два определения пространства-времени по отношению к материи.Первое: пространство-время есть другая, независимая от материи субстанция. Это — т.н. субстанциональное определение.Второе: пространство-время — форма существования материи. Это всем известное, т. н. реляционное (не путать с СТО!) определение. Но я нигде не читал, чтобы субстанциональность или реляционизм пространства-времени однозначно связывались с материализмом или идеализмом!Конечно, представить себе самостоятельное существование пространства-времени очень трудно. Однако некоторые физические модели допускают это. В материалистической модели Вселенной Ньютона пространство-время -независимая от материи субстанция («абсолютные» пространство и время — пустые вместилища, комнаты без мебели=материи). В этой модели материя не влияет на пространство-время, а пространство-время на материю. В Эйнштейновской СТО пространство-время зависит от способа существования материи — движения, т.е. является формой существования материи. Но уже ОТО не запрещает самостоятельного существования пространства-времени. Пример, хотя и идеализированный, — пространство де Ситтера с т. н. «голой» — т. е. без вакуума материальных полей космологической постоянной. ОТО также допускает самостоятельное существование изменений формы материи — гравитационные волны. Поскольку слабые грав. волны после квантования представляют собой гравитоны, т.е. материальные частицы, то изменения формы материи оказывается есть субстанцией. Уравнения гравитационного поля Эйнштейна связывают материю и пространство-время. Правая часть этих уравнений (с тензором энергии — импульса материальных полей) говорит как пространство-время должно искривляться, левая (тензор Эйнштейна) — как материя должна двигаться в пространстве-времени. Правая часть уравнений в случае калибровочных полей-переносчиков взаимодействия и суперсимметрии полей материи, которые допускают геометрическое описание, имеет чисто пространственно-временной «нематериальный» смысл. Выходит, что материя «исчезла», всё сводиться к пространству-времени?

    И, как я уже говорил, самостоятельное существование (заданность!) пространства-времени (фонового многомерного пространства-времени)допускает и теория струн.В петлевой теории квантовой гравитации пространство-время возникает динамически.

    Ответить

    • Дорогой Аматор!Прошу прощения — я дома и не могу подробно ответить на Ваш пост. Пока скажу кратко:Математика есть «служанка» в физике, а не хозяйка. Понятие пространство-время есть чисто математическое ( так мне кажется!). Вы ставите более философскую проблему, чем физическую. Я — физик и стихийный материалист. Возможно, позднее смогу Вам более поджробно аргументировать.

      С уважением.

      Ответить

      • Стихийный материализм — плохая философская база для физики, если не ограничиваться работой лаборанта. Стихийность приводит к недостаточной проясненности отношений между теорией и экспериментом. Реальные отношения подменяются неадекватными упрощенными представлениями.

        Отсюда и странные высказывания о математике и о нематериальности энергии-импульса (в другом посте). Современная философия науки ушла очень далеко от стихийного материализма XIX века. Без понимания этой философии говорить о путях развития современной физики совершенно невозможно.

        Устаревшая философия будет все время тянуть в прошлое, что мы и наблюдаем.

        Ответить

      Источник: https://elementy.ru/lib/25531/25537

  • Booksm
    Добавить комментарий