Гравитация От хрустальных сфер до кротовых нор

Наконец, кратко обсудим чёрные микродыры, их массы много меньше звёздных, а минимальная величина ограничивается только квантовыми принципами. Их часто и называют квантовыми чёрными дырами, поскольку они (возможно) должны подчиняться законам квантовой механики. Такие дыры, мы уже понимаем, не могут образоваться обычным образом в результате коллапса. Но тогда как? Одним из наиболее вероятных механизмов является генерация чёрных дыр на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда плотность материи и её флуктуации были чрезвычайно велики. Такие чёрные дыры называют первичными. Некоторые варианты теории квантовой гравитации не исключают рождение микродыр при высокоэнергичных взаимодействиях в современную эпоху. Предполагается, что это могут быть взаимодействия космических лучей с атмосферой, либо взаимодействия частиц в ускорителях типа Большого адронного коллайдера. Но все эти предсказания пока остаются гипотетическими Упомянув о чёрных микродырах, нельзя не сказать несколько слов об излучении, теоретически предсказанном Стивеном Хокингом, известным английским теоретиком. Это излучение, правда, имеет больше отношения к квантовой теории поля и термодинамике, чем к чисто гравитационным явлениям, но прямо связано с чёрными дырами. Что же это такое? Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Гравитационное поле рядом с горизонтом увеличивает энергию виртуальных (короткоживущих) пар в вакууме, превращая их в реальные (долгоживущие), Один из компонентов пары становится реальной частицей снаружи (и вблизи) горизонта событий и, имея положительную энергию, может уйти в бесконечность; другой появляется внутри (и вблизи) горизонта и падает с отрицательной энергией внутрь чёрной дыры (см. рис. 8.5). В итоге чёрная дыра становится источником непрерывного потока частиц, уходящего в бесконечность. При формировании такого излучения никакая частица не пересекает горизонта событий, который тем самым по- прежнему обладает свойствами клапана.

Этот эффект и называется излучением Хокинга или испарением чёрных дыр. Оказывается, что скорость испарения обратно пропорциональна массе чёрной дыры. То есть, чем дыра меньше, тем быстрее испаряется, а на конечной стадии, буквально, происходит вспышка. Большинство исследователей сходятся в том, что в современную эпоху уже нет первичных чёрных дыр — все они успели испариться. Большим же чёрным дырам такая участь не грозит, поскольку они испаряются медленно, а из окружающего пространства, так или иначе, получают дополнительную энергию. Одним из постоянных источников пополнения массы является реликтовое электромагнитное излучение. Оно является результатом ранних стадий эволюции Вселенной, имеет микроволновой диапазон и температуру 2,73 К, Исходя из этих данных, определяется граничная масса чёрной дыры, когда испарение Хокинга компенсируется притоком массы извне — она приблизительно равна массе Меркурия.

Сказавши «А», нельзя не сказать «Б». Одно цепляется за другое. Если уж мы упомянули об испарении Хокинга, нужно ненадолго вернуться к проблеме исчезновения информации в чёрных дырах. Обратимся к мнению по этому вопросу самого Хогинга. Он долгое время считал

Рис. 8.5. Рождение пар частиц у горизонта событий чёрной дыры

теорему об «отсутствии волос» у чёрных дыр неким абсолютом, как и большинство его коллег. При этом придерживался той позиции, что излучение чёрных дыр чисто тепловое и потому не содержит информации о падающей в чёрную дыру материи. Однако в 2004 году Хокинг изменил своё мнение. Поскольку испарение чёрных дыр уменьшает массу, то уменьшается площадь горизонта. А с площадью горизонта прямо связана энтропия. То есть излучение должно уносить энтропию, а с ней уже можно связать и информацию. В таком случае должна быть точная связь между начальной энтропией чёрной дыры и энтропией излучения, а значит, информация не может быть потеряна полностью.

Кротовые норы

Крот недавно прорыл под землёй новую длинную галерею от своего жилья к дверям полевой мыши и позволил мыши и девочке гулять по этой галерее сколько угодно.

Ганс Христиан Андерсен «Дюймовочка»

Идея кротовых нор принадлежит Альберту Эйнштейну и Натану Розену (1909–1995). В 1935 году они показали, что ОТО допускает, так называемые, «мосты» — проходы в пространстве, через которые можно, казалось бы, значительно быстрее, чем обычным путём попасть из одной части пространства в другую, или из одной вселенной в другую. Но «мост» Эйнштейна–Розена — динамичный объект, после проникновения в него наблюдателя выходы сжимаются.