sly2m | Как Стивен Хокинг черные дыры отменял на пальцах™

Если вы хоть чуть–чуть интересуетесь новостями науки, то наверняка краем уха зацепили сегодняшнюю новостную бомбу, про то, "как британские ученые отменили черные дыры". Вот эта информация на ленте.ру, вот на моем любимом d3.ru Если еще не читали, почитайте, это интересно. Научное сообщество жужжит, обсуждает, возмущается, переваривает.

1390593667-880986fe4066c0ef983d672a24f43d55

Данным постом я бы хотел прояснить ситуацию и немного приглушить накал нездоровой информационной сенсации. Повествование, как повелось, будет вестись на пальцах™, а значит никаких формул, зато множество туманных аналогий, которые, не устану повторять, лишь аналогии — упрощенное, и от чего не совсем точное переложение сложных научных понятий на простой человеческий язык.

Автор ни в коей мере не собирается противоречить или каким–то образом оппонировать Стивену Хокингу, весовые категории слишком разные, моя задача всего лишь попытаться рассказать, о чем же в принципе идет речь, какова история вопроса, и что на самом деле отменили британские ученые. Но сначала все же посоветую пробежать глазами по новости, чтобы было понятно, о чем идет речь в принципе, а я расскажу уже в деталях, что же такое вы только что прочитали.

Два столпа физики, на которых стояло, стоит и еще некоторое время стоять будет все здание современной науки называются так: Квантовая Механика (КМ) и Общая Теория Относительности (ОТО).

Причем это две совершенно разные теории. Одна удивительно точно описывает процессы, происходящие на микроуровне (электроны, протоны, вот это все), другая весьма хорошо объясняет эффекты, творящиеся на макроуровне, там где присутствуют огромные массы — метагалактики, Большой Взрыв, нейтронные звезды и т.д.

Предсказания обоих теорий настолько хорошо сходятся с результатами экспериментов, что можно считать их верными. Это уже больше чем просто "какие–то теории", это действительно основа всей современной науки, именно опираясь на этот фундамент мы имеем возможность запускать ракеты к Марсу и паять айфоны.

Но там где есть сразу и микроуровень и большая масса (черные дыры, например) получается какая–то ерунда. Одна теория говорит, что должно получаться одно, другая, что другое.

Причем не примерно, не туда–сюда, в пределах погрешности измерения, а прямо противоположные результаты по формулам выходят. Значит какая–то из них явно не верна. Или даже обе не верны. Это мы знаем точно, поэтому можно смело говорить — ни ОТО, ни КМ не являются конечными и абсолютно верными теориями, за ними должна стоять более глобальная и общая.

Чуть–чуть ныряя в детали, у обоих теорий есть коренные расхождения по многим направлениям. Если на пальцах™, то можно упомянуть одно, самое значимое.

Квантовая механика называется квантовой, потому что там все квантованное. Т.е. скачкообразное, прерывистое, все в квантовой механике измеряется и изменяется порциями, квантами соответственно. Причем буквально все — энергия, импульс, спин, фактически все свойства частиц "бегают только с качками".

В ОТО наоборот, все непрерывно и гладко. Ты можешь гнуть пространство–время, но происходит это все равно такими плавными переливами. Словно мнешь шелковый платок, а не бумагу. Никогда ты на смятом шелковом платке не найдешь острого угла, о который можно порезаться, он всегда будет плавно перетекать из одной складки в другую.

Это основная причина, почему в КМ одни формулы, а в ОТО другие, и они друг с другом не работают. Остальное или вытекает из этого факта, или настолько заморочено, что на пальцах не очень просто объяснить.

И все бы хорошо, и все славно — марсоходы ездят, айфоны инстаграмят, но на стыке данных столпов, как я уже говорил, происходит полная чепуха.
Как всегда — две ноги прочно стоят на земле, а между ними посреди болтается что–то непонятное и даже сказать неприличное.

Основная проблема, конечно же, кроется в сингулярности, в самом центре черной дыры. Это отдельная тема, там наука просто поднимает руки и говорит — мы понятия не имеем, что происходит в этой самой сингулярности, лучше даже и не спрашивайте, если не хотите нарваться на грубость.

Ну, и пес с ней, с сингулярностью, сегодня не об этом. КМ и ОТО имеют еще несколько точек преткновения, горизонт событий как раз одна, точнее плоское множество из этих точек.

Спор о том, что же происходит на горизонте событий черной дыры — эпическая научная битва конца 20го века. По масштабам и эпичности она очень похожа на события столетней давности, на великое противостояние двух умнейших людей своего времени Бора и Эйнштейна, о котором, кстати, можно почитать тут недалеко, в соседнем посте из серии.

Противоборствующими сторонами в современном ремейке битвы сил добра с силами разума выступают (точнее возглавляют соответствующие войска) умнейшие ученые наших дней Стивен Хокинг и Леонард Сасскинд.

Первого все итак знают и часто называют Эйнштейном наших дней (которого называли Ньютоном дней тогдашних), а второй тоже большая шишка в науке.

Леонард Сасскинд один из создателей Теории Струн, автор концепции голографической Вселенной и многих других сильно замороченных вещей расширенного сознания. Человек, безусловно умнейший и заслуживающий Нобелевскую Премию за свои труды, вот только беда — нобелевку дают за экспериментально подтвержденные научные открытия. А за красивые и сложные теоретические изыскания, пусть и продвинувшие науку вперед — не дают. И Сасскинд это сам прекрасно понимает, от чего научная судьба его немного трагична. Но сильно грустить не стоит, сейчас нобелевский комитет совсем сдулся, дают премии непонятно кому и за что попало, и я даже не говорю про смехотворную политически ангажированную премию мира. В стройной и строгой физической номинации тоже начались награждения "за выслугу лет", так и до Сасскинда очередь скоро дойдет.

Так вот, что удивительно, при всем при этом, в текущей инкарнации битвы бобра с ослом именно Сасскинд выступает на стороне разума и консерватизма, то и дело осаждая и одергивая чересчур воспарившего в облака научных фантазий Хокинга.

Об данном противостоянии можно писать целые книги (и они таки написаны, например та же "Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики" самого Сасскинда), а вкратце и на пальцах™ суть такова.

Сегодня черные дыры — реальные объекты нашей Вселенной. Это уже не теоретическая математическая абстракция, забавный казус Общей Теории Относительности, как считалось раньше, сегодня факт существования черных дыр признается именно фактом. Мы их наблюдаем, вернее наблюдаем их воздействие на окружающие объекты и пространство, мы их фотографируем, мы их каталогизируем и строим дальнейшие теории и догадки, опираясь на черные дыры как на неоспоримо присутствующую в космосе сущность.

Но мы так и не понимаем, как они устроены, и что же происходит "на поверхности" черной дыры, на горизонте ее событий. Давайте вернемся на 40 лет назад, к началу спора и окунемся в 70е. Диско, бэйби...

В научном мире 70х существование черных дыр еще не считается неоспоримым фактом, но уже допускается и даже приветствуется. Есть с ними, конечно же, кое–какие непонятки, черные дыры (прямо вытекающие из постулатов ОТО), казалось, нарушают один из постулатов КМ — постулат неуничтожимости информации.

Любой присутствующий в нашей Вселенной предмет несет в себе какую–то информацию, просто фактом своего существования. Это информация о том, как расположены атомы внутри этого предмета, сколько он весит (какую имеет массу), какова его плотность и т.д. и т.п.

Предмет можно уничтожить, но информация никуда не денется. Если разбить предмет на тысячи мелких кусочков, получим тысячу мелких деталей изначальной информации, сложив которую в уме, можно теоретически восстановить если не первоначальный предмет, то хотя бы информацию о нем.

Однако если бросить этот предмет в черную дыру, он уже никогда не вернется оттуда назад (повторяю, мы все еще в 70х годах!). Получается, как будто–бы информация провалилась из нашей Вселенной в черную дыру и оттуда ей уже не выбраться. Но ученые смотрели тогда на это кажущееся противоречие скорее как на логический курьез. Информация, же, вроде бы никуда не делась. Мы ее достать не можем, да, но кто сказал, что кого–то волнует, что мы можем, а чего нет? Считалось, что информация об упавшем в черную дыру предмете никуда не девается, а остается надежно спрятанной "в сейфе" черной дыры, и все вроде бы тип–топ.

Первый наброс своим излучением Хокинг произвел в 1975м году. Кстати, подробнее про излучение Хокинга на пальцах™ лучше прочитать соответствующий пост. Существование этого излучения казалось логичным и обоснованным, только породило конкретную бурю, положив начало тому самому противостоянию, про которое вы сейчас читаете.

По выкладкам Хокинга (а выкладки весьма дельные, сегодня никто из ученых не может их опровергнуть) выходит, что черная дыра должна излучать это самое излучение Хокинга. Точнее не сама черная дыра излучает, там хитрый процесс (я вам советовал почитать про это на пальцах™? Нет, вы почитайте, почитайте!), но получается, что черная дыра постоянно и неуклонно теряет массу.

Значит кинули мы предмет с его информацией в черную дыру, масса черной дыры увеличилась. Потом прошли миллионы (или миллиарды, кто там считает) лет, черная дыра излучала, излучала и всю добавочную массу излучила, вернувшись к первоначальным условиям. Получается информация, содержащаяся в предмете больше не находится в черной дыре, а вся излучилась обратно. Только вот загвоздка — излучение Хокинга по определению истинно случайное (ибо по сути своей квантовое, там в квантовой механике почти все совершенно случайное, подробней об этом читайте про яблоки и сапоги), а следовательно мы взяли информацию о предмете и грубо ее уничтожили, превратив стройные наборы данных в случайный белый шум. А это, ну, вообще никак не состыкуется с постулатами квантовой механики, на что тут же и указал Хокингу товарищ Саскинд.

Хокинг начал юлить и оправдываться, мол излучение мое не прям чтобы совсем такое случайное. Оно, мол, каким–то хитрым образом закодированное. Каким? Да, фиг его знает. Давайте вместе подумаем. И общими усилиями напридумывали кучу всяких идей и фантазий, периодически поливая друг–друга помоями и докладами на научных конференциях. Причем, как и в предыдущем похожем споре Эйнштейна и Бора, одна сторона, выступавшая на стороне новаторов (Хокинг и товарищи) сочиняла все новые и новые теории и варианты, а вторая, эдакие консерваторы от науки (Сасскинд и его войско) их парировала, и макала новаторов головой в ведро холодной реальности.

Но, не забываем, это вам не драка в подворотне, а высокоинтеллектуальный научный спор! Ученые не такие дураки, %username!% Они не просто пустопорожне ругаются, они при этом умудряются продвигать научную мысль. Каждый новый тезис и его опровержение позволяют либо усовершенствовать теоретические выкладки, либо заставляют задуматься о возможности экспериментальной проверки, а значит дают идеи развития технического аппарата и прикладной науки в целом.

Долго ли коротко ли, спор продолжался 30 лет, с каждым новым научным докладом все усложняясь и заморачиваясь, дошло до того, что сегодня "поверхность" черной дыры (ее горизонт событий) считается местом, где хранится или как минимум дублируется, та самая информация, об упавшем в нее предмете. И излучение Хокинга, вроде как, идет не с чистого листа, не с абсолютно гладкой поверхности, а с хитро замороченной, покрытой узорами "пленки" с необычными свойствами. Для того, чтобы помирить ежа с ужом (КМ с ОТО) у этой пленки обнаруживаются совсем уж запредельные и к тому же двойственные, противоположные самому себе характеристики.

С одной стороны она должна быть (как требует КМ) бешено горячей. В миллиарды градусов. Ибо поверхность ограниченная, а информации на себе должна хранить довольно много, от чего там постоянно происходят какие–то движения, движение это температура, температура это смерть. Получается, что любой предмет, упавший в черную дыру, должен тут же сгореть заживо, буквально испариться, оставив тем самым информацию о себе на горизонте событий. Сам горизонт событий при этом является аналогом горячей лавы, испепеляющей все, что пролетает сквозь него, ему даже специальное название дали — firewall, "стена огня".

С другой стороны (как требует ОТО), находящийся в состоянии свободного падения на черную дыру объект (или субъект) не должен никаким образом обнаружить факт прохождения через горизонт событий, он как падал, так и падает дальше, и не испытывает никаких запредельных нагрузок и температур. Падение–то свободное, в невесомости! (спагетификацию тут не рассматриваем, это несколько иное, чтобы она не мешала, возьмем очень большую, сверхмассивную черную дыру).

Снова КМ и ОТО дают не только противоречивые, а прямо противоположные результаты. И в попытках примирить непримиримое начинается гимнастика ума. Будем считать, что для внешнего наблюдателя, космонавт упавший в черную дыру варится заживо на горизонте событий. А для внутреннего, т.е. для самого космонавта, ничего не происходит, никто не варится, все ничтяк. Но при этом информация, что у космонавта все ничтяк, никаким образом не передается внешнему наблюдателю, потому что черная дыра же, и внешний наблюдатель уверен, что космонавт сварился. Мало того, через миллионы лет, собирая по крупицам излучение Хокинга с горизонта событий, внешний наблюдатель сможет даже расшифровать последние крики варящегося космонавта, ибо для внешнего наблюдателя космонавт сварился, и тому есть экспериментальные данные. Хотя внутренний наблюдатель нифига не варился и не орал, и тому тоже есть подтверждение, хоть и спрятанное за порогом завесы черной дыры. Короче получается "космонавт Шреденгера", который и жив и мертв одновременно, и может подтвердить оба своих состояния экспериментальными данными.

И это еще только начало. Дальше идут совсем уже головоломные заморочки про то, что якобы на горизонте событий Вселенная (и космонавт) разделяются надвое, один трехмерный летит дальше и молчит, другой двухмерный остается на горизонте событий вариться и орать, отсюда растут корни идей голографической Вселенной и всего такого, совсем уже за гранью добра и зла.

Да, все это я на пальцах™ объясняю. Добавьте сюда пару километров четырехэтажных формул и вытекающих из них последствий и делений на ноль — вот и получите кашу, в которой находится передовая современная наука, когда все стороны, вроде бы, правы, хотя понятно, что кто–то гонит, причем, скорее всего гонят сразу все.

А все потому что нет на сегодня способа помирить КМ и ОТО. Несовместимы они, не знаем мы наверняка, как их объединить, от чего все эти фантазии, эквилибристика двойственности и космонавты Шреденгера.

И последняя телега Хокинга (предпоследняя была в 2004м году про "кажущиеся черные дыры", но тогда от нее, вроде бы удалось отбиться), все из той же серии. Раз мы не можем разрешить существующий парадокс исчезновения информации в черной дыре, Хокинг предлагает зарыть "голову в песок", и посчитать, что черные дыры не только "кажущиеся", а что их вообще не существует. А настоящий горизонт событий он предлагает заменить "видимым горизонтом событий", потом еще предлагает нарезать кружочки из зеленой бумаги, а через весь потолок зафигачить синюю полосу. Короче много, много разных идей еще есть...

Мое же мнение (внимание, далее идет мое личное мнение!) пока мы не найдем единую теорию всего и не сможем объединить кванты и теорию относительности, так ничего хорошего из всех этих идей и не получится. С другой же стороны, повторюсь, ученые не ерундой занимаются, подобные предположения и их аргументированное опровержение и двигают науку вперед, так она, собственно, и развивается, позволяя хоть чуть–чуть приблизиться к построению общей теории.