О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Украина | Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Болотное дело
Читайте нас:
Доступное в России зеркало Граней: http://mirror697.graniru.info/Society/Science/m.62251.html

статья Физики доказали, что рукописи не горят

<a href=mailto:borisov@grani.ru class=anons12>Максим Борисов</a>, 03.03.2004
Реклама
цитата Дословно

Самир Матур

Я думаю, что большинство физиков уже разочаровалось в теории, согласно которой информация может исчезать безвозвратно. Это разочарование - следствие громких успехов струнной теории, проявившихся к 1995 году. Однако до настоящего времени никто не был способен доказать, что информация выживает всегда.

Ohio State University Research

и даже в черной дыре бесследно не исчезают

Профессор физики из Университета штата Огайо Самир Матур. Фото с сайта researchnews.osu.edu Известный популяризатор науки и специалист по черным дырам Стивен Хокинг (Stephen Hawking) на пару с Кипом Торном (Kip Thorne), профессором теоретической физики из Калифорнийского технологического института (Caltech), по всей видимости, проспорил Джону Прескиллу (John Preskill), также профессору теоретической физики из Калифорнийского технологического, полное собрание томов Британской энциклопедии. В 1997 году эти три космолога заключили между собой ставшее вскоре широко известным пари относительно того, исчезает или нет информация, поглощаемая черными дырами вместе с материальными носителями, то есть меняется ли вообще внутреннее состояние черной дыры в зависимости от конкретных характеристик частиц, которые ею поглощены. Собственно, Британская энциклопедия фигурировала в этом пари совершенно не случайно, ведь "наивный" вопрос звучал в "переводе" на общедоступный язык примерно так: "Что изменится, если уронить в черную дыру не что-нибудь "полуслучайное", а какой-нибудь конкретный том Британской энциклопедии?"

Полная "Британника" сегодня стоит как минимум полторы тысячи долларов, так что сумма "на кону" оказывается вполне существенная, хоть и не критичная для миллионера Хокинга. А Торну "раскошеливаться" уже не впервой. Как-то он уже спорил с тем же Хокингом, есть ли у черной дыры "волосы" или нет. Торну, утверждавшему, что "волосы" есть, пришлось покупать Хокингу годовую подписку на Playboy или что-то в этом духе, тоже недешевое. Впрочем, возможно, Торн и поспешил с выплатой "контрибуции", если учитывать нижеизложенные новейшие исследования в этой области...

По всей видимости, с тем же успехом можно было бы поспорить по тому же самому поводу с самим Воландом из романа Булгакова, а с этим персонажем, как известно, спорить просто смертельно опасно, тут уж подпиской на "Плэйбой" или "Британику" точно не отделаешься.

Хокинг предположил, что какая-либо конкретика - т.е. какие именно частицы, энциклопедии или даже звезды сгинут в черной дыре, уйдя под "горизонт событий" - не имеет ровным счетом никакого значения. Черная дыра не только сожрет все это с аппетитом и не подавится, но и "сотрет" всю информацию о своем преступлении, будто его и не было, это своего рода "идеальный чистильщик". Но такая теория серьезно противоречила законам квантовой механики, возникал так называемый "информационный парадокс" (information paradox).

Теперь физики-теоретики из Университета штата Огайо (Ohio State University) во главе с профессором Самиром Матуром (Samir Mathur) предложили решение этого парадокса в рамках теории струн (то есть теории, которая рассматривает все частицы во Вселенной в качестве крошечных "вибрирующих" струн или "стрингов" (string)). Они вывели полную систему уравнений, из которой следует, что информация продолжает сохраняться в любом случае при любых коллизиях - даже в той немыслимой путанице "струн", которая заполняет черную дыру от ее сердцевины до "поверхности" - то есть горизонта событий. В результате получается, что взгляд на черные дыры как на "гладкие", лишенные индивидуальности объекты, имеющие только считанное число параметров (собственно, вес и момент вращения), как считалось ранее, по сути неверен. На самом деле черные дыры представляют собой своего рода "волокнистые пушистые шары" или "пушистые колобки из струн"... Впрочем, никто, наверно, не откажется при случае прикинуться белым и пушистым вместо того скользкого и черного, что есть на самом деле...

В классической модели черных дыр сверхмассивный объект-коллапсар вроде гигантской звезды или ее останков в результате выгорания ядерного топлива или звездного взрыва сжимается до такой степени, что формирует чрезвычайно компактный "шарик", обладающий в самом центре бесконечным гравитационным потенциалом, то есть образуется "прокол пространства-времени", "сингулярность". В результате образования такой сингулярности в пространстве возникает сферическая поверхность, при пересечении которой любой материальный объект или излучение безвозвратно исчезают для этого мира. Эта граница называется "горизонтом событий" и считается своего рода границей самой черной дыры, которая, понятное дело, не имеет иных границ.

Размеры этой "оболочки", то есть "горизонта событий", зависят как от массы объекта, который положил начало формированию черной дыры, так и от дальнейшей активности коллапсара (грубо говоря, от того, сколько материи он потом сможет еще сожрать). Например, если бы произошел коллапс Солнца, то его "горизонт событий" имел бы диаметр приблизительно 3 км. А если бы Земля выкинула бы вдруг подобный фортель, то ее "горизонт событий" ужался бы до 1 сантиметра. Но независимо от того, какой исходный материал послужил основой для формирования сингулярности (Земля, Солнце, другая какая-нибудь звезда), область "горизонта событий" считалась раньше лишенной каких-либо структурных особенностей или измеримых характеристик. То есть "горизонт событий" такой черной дыры абсолютно гладок, лишен структурных особенностей-"волос", по которым можно было бы догадаться, что тут было раньше, до катаклизма.

Конечно, существует феномен так называемого "испарения" черных дыр, предсказанный Хокингом и советскими теоретиками (иными словами, "хокинговская радиация"), непрерывное рождение пар виртуальных частиц вблизи "горизонта событий". Вылеты частиц из различных частей пространства вблизи горизонта черной дыры в таком случае должны быть коррелированными, но совершенно неясно, как такая корреляция может осуществляться. На самом деле это абсолютно бессмысленный шум, лишенный каких бы то ни было различительных признаков. Никакую исчезнувшую информацию по этому шуму восстановить невозможно, и что именно мы опустим внутрь: том "Британники" или пачку журналов Playboy точно такого же веса, - уже через мгновение различить будет принципиально невозможно. Хуже того, подобное непрерывное испарение может привести к тому, что черная дыра попросту исчезнет вместе со всей "скопившейся" информацией.

"Проблема с классической теорией состоит в том, - объясняет Матур, - что вы могли использовать любую комбинацию частиц, чтобы сделать черную дыру: протоны, электроны, звезды, планеты, - без разницы. Могли быть миллиарды способов получить черную дыру, и, согласно классической модели, конечное состояние системы будет всегда тем же самым". Однако этот вид однородности нарушает квантовомеханический закон обратимости. В физике всегда должна существовать теоретическая возможность проследить ход любого процесса от конца к начальному состоянию, включая тот процесс, за счет которого и образовалась черная дыра. Если же все черные дыры "на одно лицо" и имеют одну и ту же форму, то "жизнь" ни одной из них не может быть изучена "от конца к началу", то есть вся информация о частицах, которые создали ее, будет потеряна навсегда.

На вопрос, что будет, если уронить в такую дыру том Британской энциклопедии, предлагалось даже отвечать примерно так: содержащаяся в нем информация не исчезает, а переносится в другую вселенную, одну из множества тех самых "пузырьков" в общей "пене" пространства-времени, туннелем в который и является та или иная черная дыра. Другая гипотеза состояла в том, что черные дыры никогда не "испаряются" полностью, а съеживаются до размеров микрочастиц и в таком виде сохраняют всю содержащуюся в них информацию до конца существования нашей Вселенной. Для таких "информационных частиц" даже придумали подходящие названия - "информоны", "инфотоны", "библиотеконы".

В 2000 году вышеозначенный информационный парадокс под номером восемь был назван в числе десяти важнейших проблем физики, которые должны быть решены в течение следующего тысячелетия. Этот список включал проблемы вроде определения продолжительности жизни протона (собственно, прежде всего вопрос о его стабильности или нестабильности), а также объяснение происхождения Вселенной с помощью теории квантовой гравитации.

Матур начал работать над разрешением информационного парадокса, когда был еще доцентом в Массачусетском технологическом институте (MIT), но вплотную занялся им только с 2000 года в Огайо. Вместе с Олегом Луниным он сделал расчеты структуры объектов, которые находятся в промежутке между простыми струнными состояниями и большими классическими черными дырами. А недавно Матур, Ашиш Саксена (Ashish Saxena) и Иогеш Сривастава (Yogesh Srivastava) нашли, что та же самая картина "пушистых шаров" ("fuzzball") действительна и для объектов, приближающихся к классической черной дыре. Новые результаты публикуются в журнале Nuclear Physics B.

Согласно теории струн, все элементарные частицы во Вселенной: протоны, нейтроны и электроны, - состоят из различных комбинаций струн. Однако эти крошечные струны могут формировать также и крупные черные дыры за счет феномена, названного дробным растяжением (fractional tension). Струны-стринги - это нечто, поддающееся растягиванию, как и гитарная струна, однако каждый такой объект допускает только фиксированное число "растяжений". И точно так же, как длинную гитарную струну проще щипать, чем короткую, длинный "канат", сплетенный из квантовомеханических струн, легче растягивать, чем отдельный "стринг". Таким образом, когда очень много струн соединяются вместе для того, чтобы сформировать множество частиц, необходимых для очень массивного объекта вроде черной дыры, получившийся объединенный шар из струн оказывается очень эластичным и расширяется до большого диаметра.

Когда физики из Огайо получили свою формулу для диаметра "мягкой" или "ворсистой" черной дыры, сделанной из струн, выяснилось, что этот диаметр как раз и соответствует диаметру "горизонта событий" черной дыры, выведенному согласно классической модели. А так как, по мысли Матура, струны продолжают существовать и в черной дыре, и природа этих струн напрямую зависит от частиц, которые составляли первоначальный исходный материал коллапсара, то каждая черная дыра оказывается столь же уникальной, как и любая другая звезда, планета или галактика, которая и породила этот чудовищный квазизвездный объект. При этом "стринги" от любого вещества, поглощаемого черной дырой во время ее дальнейшего монструозного существования, точно также оставляют свой неповторимый след.

Это означает, что история черной дыры в принципе действительно может быть прослежена назад до ее первоначального состояния в виде обычного объекта Вселенной, то есть информация выживает в любом случае при любых коллизиях, а значит ни Британская энциклопедия, ни рукописи не сгинут совершенно бесследно даже в черной дыре.

Источники:
Information Paradox Solved? If So, Black Holes Are "Fuzzballs" - Ohio State University Research News
Black Holes: Fuzzy Tangles of Strings? - Space.com

Ссылки:
Черные дыры и "информационный парадокс" - "Знание - сила"
Музыкой движимы звезды - "Компьютерра"
Космический разум и черные дыры: от гипотезы к научной фантастике - "Земля и Вселенная"

НА ПРАВАХ РЕКЛАМЫ:
13 марта 2004 года состоится встреча выпускников 1994 года Физического факультета МГУ. Чтобы зарегистрироваться и узнать подробности, просьба зайти на сайт phys.web.ru/fizfak94/.

<a href=mailto:borisov@grani.ru class=anons12>Максим Борисов</a>, 03.03.2004


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама

Наши спонсоры
Выбор читателей