Александр Петров - Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор

Наконец, кратко обсудим черные микродыры , их массы много меньше звездных, а минимальная величина ограничивается только квантовыми принципами. Их часто и называют квантовыми черными 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 черных дыр на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда плотность материи и ее флуктуации были чрезвычайно велики. Такие черные 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 черных 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 черными дырами. Что же это такое? Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределенности, 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 черной дыры (см. рис. 8.5). В итоге черная 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 черных дыр. Оказывается, что скорость испарения обратно пропорциональна массе черной 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 черных дыр – все они успели испариться. Большим же черным 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 черной дыры, когда испарение Хокинга компенсируется притоком массы извне – она приблизительно равна массе Меркурия.

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

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 черных дырах. Обратимся к мнению по этому вопросу самого Хогинга. Он долгое время считал теорему об «отсутствии волос» у черных дыр неким абсолютом, как и большинство его коллег. При этом придерживался той позиции, что излучение черных дыр чисто тепловое и потому не содержит информации о падающей в черную дыру материи. Однако в 2004 году Хокинг изменил свое мнение. Поскольку испарение черных 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 черной дыры и энтропией излучения, а значит, информация не может быть потеряна полностью .

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 путем 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.

А нельзя ли преотвратить сжатие? Оказывается, можно. Для этого необходимо пространство «моста» заполнить особым веществом, препятствующим сжатию. Такие «мосты» называют кротовыми норами, в англоязычном варианте – wormholes (червоточины).

Особое вещество кротовой норы и обычное отличаются тем, что по разному «продавливают» пространство-время. В случае обычной материи его кривизна (положительная), напоминает часть поверхности сферы, а в случае особой материи кривизна (отрицательная) соответствует форме поверхности седла. На рис. 8.6 схематически представлены 2-мерные пространства отрицательной, нулевой (плоские) и положительной кривизны. Поэтому для деформации пространства-времени, которая не позволит кротовой норе сжаться, необходима экзотическая материя, которая создает отталкивание. Классические (не квантовые) законы физики исключают такие состояния материи, а вот квантовые законы, более гибкие, допускают. Экзотическая материя препятствует формированию горизонта событий. А отсутствие горизонта означает, что можно не только попасть в кротовую нору, но и вернуться. Отсутствие горизонта событий также приводит к тому, что путешественник, любитель кротовых нор, всегда доступен телескопам внешних наблюдателей, с ним можно поддерживать радиосвязь.

Рис. 8.6. Двумерные поверхности разной кривизны

Если мы представляем, как образуются черные дыры, то как создаются «кротовые норы» в современную эпоху и создаются ли вообще, совершенно неясно. А с другой стороны, сейчас есть почти общепринятое мнение, что на ранней стадии развития Вселенной кротовых нор было очень много. Предполагается, что перед началом Большого взрыва (о котором мы будем говорить в следующей главе), перед расширением Вселенная представляла собой пространственно-временную пену с очень большими флуктуациями кривизны, перемешанную со скалярным полем. Ячейки пены между собой соединялись. А после Большого взрыва эти ячейки могли остаться соединенными, что и может быть кротовыми норами в нашу эпоху. Этого типа модели обсуждались в публикациях Уилера в середине 1950-х годов.