Диалоги (март 2003 г.) - Александр Гордон

Но вообще-то такие термодинамические события при столкновении частиц высоких энергий наблюдались и раньше, но они никак не имели никакого отношения к гравитации, к эффекту Хокинга. Это просто за счёт действительно большой концентрации энергии в малом объёме начинают уже проявляться статистические закономерности. Здесь несколько другое. Но вот что любопытно. Как это может быть наблюдено? Одно из предсказаний, недавно сделанных известным специалистом по чёрным дырам Фроловым, состоит в том, что при испарении такой чёрной дыры она будет испаряться, в частности, и в дополнительное измерение, вот в это пятое измерение, и может быть эффект отдачи. Вот, скажем, есть какая-то достаточно энергичная частица, которую испускает чёрная дыра, возникает эффект отдачи, и чёрная дыра может уйти в противоположную сторону, в это самое пятое измерение; тогда она исчезает из нашего мира и таким образом теряется часть энергии, которую она не успела испарить…

А.Ч. Нарушается формальный закон сохранения энергии в нашем, четырехмерном пространстве.

Д.Г. Вот такого рода события, действительно, предлагается искать на ускорителях, и эти опыты будут проведены в ближайшие годы. Конечно, мало кто верит, что это действительно будет наблюдено, потому что всё же модель выглядит слишком фантастично даже с точки зрения той теории чёрных дыр, о которой мы говорим и её астрофизических предсказаниях, которые теперь уже вроде бы всеми воспринимаются как вполне реальные. Здесь, конечно, всё гораздо более гипотетично.

А.Г. У меня вот какой вопрос. Я понимаю, что, будучи сторонним наблюдателем и пытаясь проследить эволюционный процесс, происходящий внутри чёрной дыры, самой чёрной дыры, мы до многого недосмотримся, потому что время для нас будет тянуться бесконечно. Но если мы окажемся за горизонтом событий, чем заканчивается жизнь чёрной дыры, во что она эволюционирует потом, если можно задавать такой вопрос?

Д.Г. Да, это то, что называют в теории относительности проблемой сингулярности, и надо сказать, что она не решена. Предполагают, что в будущей теории квантовой гравитации её проблема будет разрешена. Но, действительно, проблема существует. С одной стороны, действительно, наблюдаемые свойства чёрных дыр не имеют к этому никакого отношения. За наше время наблюдений образовалось во вселенной чёрная дыра по нашим часам она ведь так и не сколлапсировала в эту сингулярность, тело колапсирует до гравитационного радиуса, поэтому для нас никаких проблем нет.

А.Ч. То есть действует принцип космической цензуры. Сингулярность от нас скрывается.

Д.Г. Это одна из тех парадоксальных вещей, которые до сих пор вызывают большое сопротивление у многих учёных.

А.Ч. Многие не верят в существование чёрных дыр, приходится доказывать наблюдения свидетельствуют, что чёрные дыры скорее всего есть.

Д.Г. С другой стороны, есть тот наблюдатель, который находится на поверхности это тоже физика, это не какой-нибудь мысленный эксперимент. Пожалуйста, нужно уметь объяснить и что с ним будет происходить. Ясности в этом вопросе нет. Есть некоторые модели в теории суперструн, когда сингулярность сглаживается, но они, как правило, относятся к таким малым масштабам и к таким расстояниям, что применить их к реальным астрофизическим чёрным дырам пока никто не пытался. Так что, наверное, здесь мы вряд ли сможем дать какую-то наглядную картину, что же там происходит.

Есть точка зрения, что и в будущей квантовой теории сингулярности тоже должны остаться, потому что их полное отсутствие, сглаживание таких вот особенностей, оно порождает другие проблемы. Ну, например, есть проблема квантовой когерентности. В квантовой механике всё предсказывается вероятностным образом, но вот сама эта вероятность, она в некотором смысле полна, то есть всегда полная вероятность всех событий должна быть сто процентов. Так вот, если есть чёрная дыра и если она такой вполне регулярный объект и никакой там сингулярности нет…

А.Ч. В центре чёрной дыры…

Д.Г. Да. И всё равно будут нарушения из-за горизонта событий, и чёрная дыра – она образуется в результате колапса, потом испаряется она нарушает этот процесс квантовой когерентности. Поэтому здесь пока не всё понятно, может быть, сингулярности как раз здесь и играют определённую положительную роль.

Другая квантовая проблема с чёрными дырами связана с тем, что энтропия, мы знаем, имеет геометрическое происхождение, но вместе с тем она должна иметь и какое-то микроскопическое происхождение. Проблема в этих состояниях, когда почему-то энтропия равна площади поверхности горизонта события, то есть является поверхностным эффектом, а не объёмным. Если бы мы исходили из обычной физики, то мы как раз бы ожидали, что будет что-то пропорциональное объёму чёрной дыры, а не её поверхности. Вот это породило ещё некоторые гипотезы, называемые принципом квантовой голографии: может быть, гравитация действительно такова, что она существует в пространстве большего числа измерений, чем другая квантовая теория какая-то квантовая теория, которая есть на поверхности чёрной дыры, а гравитация трехмерна. Таких соответствий сейчас уже обнаружено много не только в чёрных дырах, но и в космологических пространствах с горизонтами, в пространствах антидеситтра.

Короче говоря, физика чёрных дыр послужила мощным стимулом развития квантовой физики, и развития представлений в квантовой гравитации, и вообще в объединённых моделях всего.

А.Г. Вы сказали, что приходится доказывать существование чёрных дыр, то есть скептики есть. А как эти скептики объясняют эти видимые эффекты в парных системах, если с их точки зрения это не чёрная дыра?

А.Ч. Это могут быть какие-то объекты, имеющие поверхность, но не имеющие магнитного поля, не имеющие быстрого вращения, которые не дают нам наблюдательных признаков поверхности.

А.Г. А что это за объекты?

А.Ч. Есть теория гравитации, которая предсказывает существование объектов, которые могут иметь наблюдаемую поверхность, будучи компактными. Такие теории критикуются физиками с точки зрения основных принципов, но, тем не менее, они имеют право на существование. Для нас, наблюдателей, наличие таких теорий являются дополнительным стимулом; нам интереснее искать чёрные дыры, потому что есть разнообразие возможностей.

Но я хотел бы ещё два слова сказать о сверхмассивных чёрных дырах, которые ещё более убеждают нас в том, что чёрные дыры существуют. Я уже говорил, что наблюдаются два десятка чёрных дыр звёздной массы, все наблюдательные свойства которых согласуются с общей теорией относительности; и есть уже около сотни сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик. Масса их меряются по движению звёзд вблизи ядра. Например, у нашей галактики с помощью специальных методов в инфракрасном диапазоне удалось померить движение отдельных звёзд. Орбиту построить, орбиту звезды. Три миллиона солнечных масс – это ядро нашей галактики, и звезда (десять масс Солнца), которая на эллиптической орбите вокруг этой чёрной дыры ходит, двигается. И можно точно измерить массу ядра нашей галактики это три миллиона солнечных масс. А радиус меньше двадцати гравитационных радиусов, и доказано, что это не может быть скоплением тел, а это единое тело радиусом меньше 20 гравитационных радиусов. Если это не чёрная дыра, то что это такое? Вот. Конечно, эта чёрная дыра в нашей галактике, несмотря на то, что она чёрная дыра, она не влияет на нас, потому что расстояние до неё очень велико, восемь килопарсек, то есть примерно 24 тысячи световых лет, свет идёт 24 тысячи лет от этой чёрной дыры. И на таких больших расстояниях влияние чёрной дыры эквивалентно нормальной массе; и не надо опасаться, что наша чёрная дыра поглотит нас и так далее. Так что наша галактика имеет чёрную дыру. И есть чёткая коррелляция: чем больше масса так называемого балджа галактики… Это старое звёздное население галактики, которое сохранилось ещё со времён образования галактики: у галактики есть спирали, молодые звёзды, с возрастом десятки, сотни миллионов лет, и балдж галактики это старые звёзды с большими скоростями, возраст которых многие миллиарды лет. Так вот, чем больше масса наблюдаемого балджа галактики, тем больше масса центральной чёрной дыры. Сейчас просто по виду галактики можно сразу сказать, какая масса центральной чёрной дыры. И люди приходят к выводу, что практически каждая галактика имеет в своём центре сверхмассивную чёрную дыру. И вот когда мы наблюдаем снимок с космического телескопа «Хаббл» это много-много галактик, то фактически мы видим чёрные дыры. Только масса чёрной дыры составляет от одной десятой процента до примерно одной тысячной процента от всей массы звёздного населения галактики.

А.Г. Эта сверхмассивная чёрная дыра, которая находится в центре нашей галактики, это ближайшая к нам чёрная дыра?