НЕЛЁГКАЯ СУДЬБА ТЕРМОДИНАМИКИ: ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ И ИХ ПАРАДОКСЫ

«Эйнштейн говорил, что “Бог не играет в кости”. Изучение чёрных дыр заставляет задуматься, что Бог не только играет в кости, но и прячет их от нас там, где мы никогда их не найдём», – Стивен Хокинг.

«Чёрную дыру можно наделить энтропией, которая является мерой информации о её содержимом, недоступной внешнему наблюдателю. Эта энтропия пропорциональна площади горизонта чёрной дыры, делённой на квадрат планковской длины», – Яков Бекенштейн.

«Мир, который мы воспринимаем, – это голограмма, проекция на двумерную поверхность», – Леонард Сасскинд.

Чёрные дыры – это настоящие рок-звёзды физики. Их окутывает не только невидимость, но и масса нерешённых вопросов. Вроде таких: куда девается информация при их испарении? Как чёрная дыра умудряется «сохранять» порядок законов природы, если всё указует на хаос? А вдобавок к этому: а не является ли наша Вселенная трёхмерной проекцией с большими амбициями? Головоломное переплетение квантовой механики и теории относительности ставит даже самых пытливых умов в тупик. Но если вас привлекают самые абсурдные и одновременно фундаментальные вопросы мироздания – чёрные дыры на связи.

Чёрные дыры казались просто теоретическими фантазиями до тех пор, пока их существование не начали подтверждать косвенные наблюдения. Именно тогда перед физиками встал один из самых любопытных вопросов: как термодинамика может работать с объектами, которые, на первый взгляд, вообще не подчиняются никаким привычным законам?

? Термодинамика и странности чёрных дыр

До 70-х годов прошлого века никто особенно всерьёз не считал чёрные дыры реальными космическими объектами. Причина проста: представить себе объект, поглощающий всё со скоростью ненасытного галактического пылесоса, но при этом уходящий в «минус» по термодинамике, сильно било по нервам теоретиков. Этот антипорядок казался угрожающим второму закону термодинамики, который, покажем пальцем в чашку чая, подсказывает: энтропия (то есть мера хаоса) всегда растёт. А если её уменьшают чёрные дыры – это же прямое нарушение!

Прорыв настал в 70-х благодаря Якову Бекенштейну. Он предположил, что у чёрных дыр тоже есть что-то вроде «внутреннего бардака» – энтропии, пропорциональной площади их горизонта событий. Суть идеи: всё, что попадает внутрь чёрной дыры, увеличивает её площадь – словно она методично накапливает информацию об этом, закодировывая её в своей поверхности.

Искушённые идеей, учёные стали замечать одно занятное сходство: законы механики чёрных дыр напоминали знакомые законы термодинамики. Например, площадь горизонта событий росла, как вторая производная от энтропии. Грубо говоря, всё выглядело так, будто чёрные дыры играли в термодинамику, но на свой лад.

? Бекенштейн, Хокинг и… дырявый космос?

Яков Бекенштейн не остановился на «дерзкой» идее об энтропии чёрных дыр. Привнеся в свои расчёты немного статистической физики и теории информации, он вычислил, что энтропия чёрной дыры невероятно велика. Представьте себе миллиарды галактик с их звёздами, всё это вместе – ничто по сравнению с энтропией малюсенькой чёрной дыры. Например, у чёрной дыры солнечной массы значение её энтропии превышает энтропию всех звёзд нашей Галактики.

Но вот загвоздка: по всем правилам… температура должна была у неё быть выше нуля. Ведь объект с энтропией никак не может быть на нуле – законы природы против! А чёрная дыра, как считали раньше, вообще ничего не излучает. Или всё-таки излучает? Эта гипотеза Бекенштейна стала вызовом для Стивена Хокинга. Великий физик отправился доказывать обратное – и внезапно нашёл подтверждение.

Хокинг предсказал, что из-за квантовых эффектов у горизонта событий чёрные дыры слегка «подтекают» – излучают частицы, теряя массу. Этот процесс получил гордое имя «излучение Хокинга» и добавил ещё одну порцию парадоксов. Чёрные дыры оказались не вечны, они испаряются. Кому после этого доверять? Оказалось, законы физики всё равно работают, но изящным извращённым способом.

? Где хранить информацию чёрной дыре?

А теперь главный «триллер» о чёрных дырах – проблема исчезновения информации. Ведь с одной стороны, вся информация о том, что поглощает чёрная дыра, теряется за горизонтом. С другой, квантовая механика гарантирует, что информация никогда не исчезает без следа.

И вот тут началась настоящая драма. Представьте термоядерный спор: на одной стороне баррикад – квантовые физики во главе с Леонардом Сасскиндом, на другой – самые серьёзные специалисты по теории относительности, ведомые самим Стивеном Хокингом. Итог: долгие годы баталий завершились почти примирением сторон. Хокинг в итоге признал поражение и согласился: информация, вероятно, всё же сохраняется… но каким-то непостижимым образом.

Или постижимым? Голографический принцип – идея Леонарда Сасскинда – гласит, что информация, поглощённая чёрной дырой, словно закодирована на её двумерной границе. Но вот проблема: если граница двумерная, а чёрная дыра объёмная, то не значит ли это, что весь наш объёмный мир – великая проекция?

? Вселенная как идеальная голограмма

Голографический принцип показывает, что наша Вселенная, возможно, всего лишь трёхмерная проекция информации, закодированной на её условной двумерной границе. Звучит как сюжет для фантастики! Но эта идея внезапно оказалась полезной для решения парадокса чёрных дыр. Утверждение о том, что информация может быть записана не внутри объёма, а на поверхности – своего рода хакерский способ обхитрить пространство-время.

Эта концепция получила математическое подтверждение в AdS/CFT-соответствии, предложенном физиком Хуаном Малдасеной. Некто умный догадался: наш мир, который мы воспринимаем как объёмный, может быть исчерпывающе описан на границе его анти-де Ситтеровской версии (одного нелепого мистического пространства из теории струн).

? Не всё так просто (но это нормально)

Хотя многие уголки головоломки кажутся сложными и заумными, прогресс идёт. Мы уже знаем, что чёрные дыры не нарушают главный закон физики – принцип сохранения информации. Но остаются вопросы: как именно эта информация сохраняется? Где она хранится? И неужели наш мир – всего лишь кино на плёнке поверхности?

Чёрные дыры постоянны в одном: они заставляют нас переосмысливать законы природы. И если за горизонт событий заглянуть нельзя, то наделать новых вопросов вполне можно. А вдруг однажды откроют, что чёрные дыры – это не конец пути, а просто резервуары знаний? Или они всё-таки из тех хранилищ, где так и не найти нужную коробку?

Но обо всём этом мы поговорим в следующий раз. А пока остаётся одно: заварить чай и не ронять его кружку в ближайшую дыру – она всё равно «забудет», что это был чай.

Источник: vk.com

Комментарии: