Что скрывают черные дыры? - Валерий Рубаков - Наука в фокусе - 2014-05-11
Н. АСАДОВА - 15:05 в Москве. У микрофона Наргиз Асадова и мой постоянный соведущий егор Быковский, главный редактор журнала "Наука в фокусе". Привет, Егор.
Е. БЫКОВСКИЙ - Здравствуйте, дорогие друзья. Привет, Наргиз.
Н. АСАДОВА - Да, и сегодня мы будем говорить про чёрные дыры. Наша передача называется "Что скрывают чёрные дыры?".
Е. БЫКОВСКИЙ - И у нас дорогой гость.
Н. АСАДОВА - Да, дорогой гость, Валерий Анатольевич Рубаков, академик РАН, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник института ядерных исследований РАН, заведующий кафедрой физического факультета МГУ. Здравствуйте.
В. РУБАКОВ - Здравствуйте.
Н. АСАДОВА - Да, тема очень интересная. Но начнём мы нашу передачу как всегда с выпуска последних новостей. Новости от Марины Максимовы.
М. МАКСИМОВА - Уникальную пару сверхмассивных чёрных дыр в центре обычной галактики впервые смогли обнаружить астрономы из Института радиоастрономии общества Макса Планка. Сделать открытие помог мощный телескоп Европейского космического агентства XMM Newton. Учёные отмечают, что обнаруженная пара сверхмассивных чёрных дыр располагается в неактивном ядре звёздной системы. Найти их удалось случайно благодаря тому, что они разорвали на части своими гравитационными полями ближайшую звезду. Считается, что в центре каждой галактики располагается сверхмассивная чёрная дыра, а дуэты из чёрных дыр могут свидетельствовать о слиянии двух галактик.
На сегодняшний день учёные располагают данными всего о нескольких кандидатах в дуэты сверхмассивных чёрных дыр, и все они находятся в активных галактиках, где постоянно разрывают облака пыли и газа и поглощают их, - сообщают Вести.ру. Учёные предполагают, что существует целый ряд спокойных галактик с бинарными чёрными дырами в центре, однако выявить их крайне трудно, поскольку излучение не выявляет их присутствия. Единственный выход - нацеливать телескопы на центры галактик и ждать, что чёрные дыры разорвут какую-нибудь звезду, как это произошло в данном случае. Заранее предугадать подобные события невозможно из-за их спонтанности.
Ближайшая к Земле гиперскоростная звезда, которая движется со скоростью более 1.5 млн км/ч, найдена астрономами. Предположительно за появление гиперскоростных звёзд ответственна чёрная дыра в центре нашей галактики. Когда в опасной близости от неё оказывается двойная звезда, чёрная дыра способна разорвать эту пару. Она притягивает к себе одну из звёзд, которая оказывается на очень низкой орбите вокруг чёрной дыры, а другую с огромной скоростью запускает за пределы галактики, как из пращи. Скорость и траектория этой звезды могут многое рассказать астрономам не только о чёрной дыре, гравитация которой превратила эту звезду в гиперскоростную, но и о гало тёмной материи, окружающем нашу галактику. Путешествуя сквозь тёмное гало, эта звезда сыграет роль зонда, по поведению которого астрономы смогут больше узнать об этой загадочной форме материи.
Н. АСАДОВА - Это были последние новости от Марины Максимовой, новости по поводу чёрных дыр, их существования. Сейчас будет реклама, затем мы вернёмся в эту студию.
РЕКЛАМА
Н. АСАДОВА - 15 часов и 9 минут в Москве. Мы говорим сегодня о том, что же скрывают чёрные дыры. Наш гость Валерий Анатольевич Рыбаков, академик РАН, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, заведующий кафедрой Физического факультета МГУ. Итак, что же...
Е. БЫКОВСКИЙ - Не только что они скрывают, а где они скрываются. И что это такое.
Н. АСАДОВА - Я бы начала с того, что же это такое. Давайте определение дадим.
В. РУБАКОВ - Чёрная дыра. Тут надо понимать, есть некое различие между теорией черных дыр и наблюдениями, о которых шла недавно речь. С точки зрения теории чёрная дыра - это, можно сказать, очень массивный объект, и основная его характеристика - это то, что он окружен горизонтом, это поверхность, на которой ничего нету, это никакая не поверхность, это просто некоторая сфера в пространстве, изнутри которой к нам ничего попадать не может - ни свет, ни частицы никакие оттуда не вылетают. И эта поверхность для нас представляет собой то, что можно назвать действительно словом горизонт. Это теоретическая картинка.
Е. БЫКОВСКИЙ - При этом классическая.
В. РУБАКОВ - Да, при этом это в рамках классической общей теории относительности, она получается из решений сооветствующих уравнений. Но с точки зрения наблюдений это просто массивное компактное тело, ну вот наблюдательно это от нескольких масс солнц до сотен миллионов масс солнц, в некоторых галактиках есть такие чёрные дыры. В центрах некоторых галактик. Это небольшой по размеру объект - тёмный, невидимый, с большим гравитационным полем, естественно. Раз масса здоровая, значит есть и большое гравитационное поле. И эти объекты умеют делать самые разные вещи, в том числе поглощать вещество, которое вокруг них.
Н. АСАДОВА - И не выпускать даже свет.
В. РУБАКОВ - Они не выпускают свет. В этом смысле они выглядят как некие чёрные области пространства. Это то, что астрономы называют словом "чёрная дыра".
Н. АСАДОВА - Я как человек, очень далёкий от физики, как вы все знаете, когда стала читать про чёрные дыры, вот, историю открытию и обоснование теоретическое, я удивилась, что первое теоретическое обоснование было аж в 1784 году, когда некий британский учёный по фамилии Митчелл написал письмо в Королевское британское общество, где написал, что если будет некое тело в космосе, у которого радиус будет больше пятисот радиусов Солнца и плотность как у Солнца, то тогда для того чтобы преодолеть силу притяжения, потому что не было таких понятий тогда, как вторая космическая скорость...
В. РУБАКОВ - Было уже.
Н. АСАДОВА - Тогда даже свет не сможет покидать тело.
Е. БЫКОВСКИЙ - Друзья, я прям поражен. Человек, максимально далёкий от физики, цитирует письмо Митчелла двухсотлетней давности почти близко к тексту.
Н. АСАДОВА - Да, но тем не менее это было первое обоснование. И затем уже, да, больше, скажем так, в XX веке основные открытия были сделаны, связанные с существованием чёрных дыр.
В. РУБАКОВ - Это верно, да. В древности, XVII - XVIII век, бытовала такая точка зрения, что свет представляет собой корпускулы - частицы. И тогда, как любая частица, он не может вырваться из гравитационного поля, массивного, небольшого компактного тела, гравитационное поле настолько сильное, что с какой скоростью он ни летит, это правда классическая ньютоновская теория. Такое возможно. Если он летит со своей скоростью, со скоростью света, то неизбежно эти частички начнут замедляться гравитационным притяжением к этому телу, к этой чёрной дыре, заворачиваться и падать назад. Вот такая была наивная картинка. Сегодня она, конечно, выглядит наивно. Во-первых, гравитация вовсе даже не ньютоновская, а эйнштейновская. Во-вторых, свет вовсе даже не корпускулы, не частицы, а скорее волна, чем частица. Но в целом картинка правильная. Действительно, свет не сможет вырваться из этой области под горизонтом.
Н. АСАДОВА - Я тоже нашла такую вещь, что раньше подобные астрофизические объекты назывались сколлапсировавшими звёздами или коллапсарами. Я так понимаю, что сейчас по-другому. Есть разница между чёрной дырой и коллапсарами. В чём смысл?
В. РУБАКОВ - Тут разницы большой нет. Дело в том, что достаточно характерное явление среди звёзд, особенно массивных звёзд - это то, что после того как у них выгорает материал внутри, там термоядерные реакции, после того как они заканчиваются, давление внутри этой звезды падает, звезда начинает коллапсировать, по крайней мере часть её, центральная часть начинает сжиматься.
Н. АСАДОВА - То есть её плотность растёт очень быстро.
В. РУБАКОВ - Плотность растёт. И дальше дело может кончиться немножко разными вещами. Либо это может образоваться чёрная дыра, если масса достаточно большая, либо может образоваться нейтронная звезда. Вот словом коллапсар характерно называют любой объект, который получился в результате коллапса такого. Это действительно массивное тело. Но это может быть и чёрная дыра, и нейтронная звезда, которая выглядит просто как большой кусок вещества. Большой, какой большой, 10 км размером, массивный, несколько масс Солнца массой. Но это вполне вовсе даже не чёрная дыра. Чем они отличаются?
Е. БЫКОВСКИЙ - От нескольких масс Солнца...
В. РУБАКОВ - Чёрная дыра начинается от 4-5 масс Солнца, а до этого образуются нейтронные звёзды, сравнительно лёгкие от 1 до 3...
Е. БЫКОВСКИЙ - Я имею в виду, что бывают и сверхмассивные чёрные дыры.
В. РУБАКОВ - Бывают сверхмассивные чёрные дыры. Но то, о чём я говорил, это относится к судьбе центральной части звезды. А сверхмассивные чёрные дыры образуются совсем не так.
Е. БЫКОВСКИЙ - Я как раз хотел подвести к тому, что чёрные дыры образуются не только коллапсирования звезды, но и другими способами.
В. РУБАКОВ - Ну на самом деле по-настоящему как образуются сверхмассивные чёрные дыры, миллионы, даже сотни миллионов масс Солнца в центрах Галактик, по-настоящему никто не знает. На эту тему есть разные гипотезы, есть разные точки зрения, но так вот уверенно сказать.
Н. АСАДОВА - Я минимум про четыре читала, что, например, во время образования Вселенной могли образоваться...
В. РУБАКОВ - Трудно это сделать. Это не так просто, как говорится, организовать теоретически даже, чтобы у вас появились такие очень массивные объекты. Да, конечно, они должны образовываться в процессе эволюции Вселенной, но как именно это происходит. Ну вот вы говорите - четыре. Я, наверное, знаю немножко больше, но тем не менее довольно много точек зрения на эту тему.
Н. АСАДОВА - Дело в том, что то, о чём мы говорим...
Е. БЫКОВСКИЙ - Давайте огласим эти способы.
Н. АСАДОВА - Давайте огласим.
В. РУБАКОВ - Это может быть результат коллапса, но уже коллапса такого очень большой массы вещества, скорее всего. Они могут образовываться в процессах столкновений массивных центральных частей галактик, в общем, разные есть точки зрения на эту тему. Но ещё раз, тут доминирующей нету. И на самом деле теоретически сделать чёрную дыру в центре галактики такую сверхмассивную очень непросто. И, в общем, тут как-то... это есть одна из сложных... один из сложных вопросов эволюции вещества во Вселенной.
Н. АСАДОВА - Правильно я понимаю, что возникновение и вообще существование чёрных дыр - это всё в основном теоретически выкладки. Это учёные так долго думали и обосновали это теоретически с помощью математических формул, но её мы не видели.
Е. БЫКОВСКИЙ - Ну визуально она не наблюдается.
В. РУБАКОВ - То, что тот или иной объект представляет собой или нет чёрную дыру, это, как в науке часто бывает, можно опровергнуть и очень трудно доказать. Чёрная дыра обладает таким свойством, что на её горизонте и под ним ничего не происходит с нашей точки зрения. Никаких звездотрясений, никаких вспышек, которые бывают на нейтронных звёзд, никаких таких явлений там не должно быть. Это должно быть просто область пространства чёрная без каких-либо признаков жизни.
Потому что как только вы увидели, что там что-то такое произошло - или гравитационное поле как-то изменилось, или вспышка какая-то произошла, это значит уже не чёрная дыра. А чёрная дыра, наоборот, должна вести себя очень спокойно. Ну, правда, конечно, она может поглощать вещество вокруг, но это вокруг.
Е. БЫКОВСКИЙ - И при этом могут быть вспышки, насколько я понимаю.
В. РУБАКОВ - Ну да, но это всё-таки вокруг происходит. Характерная картинка...
Н. АСАДОВА - Вокруг горизонта событий.
В. РУБАКОВ - Есть чёрная дыра, горизонт событий абсолютно чёрный, а вокруг есть вещество, если есть такое вещество или из близ лежащей звезды оно может натекать, или как-то по-другому, образуется такой диск, яркий, так называемый аккреционный диск, который вращается вокруг этой чёрной дыры, потихонечку вещество туда в чёрную дыру затекает, и там могут происходить самые разные явления, в частности, есть такие квазары, и, в общем, объекты, этого семейства, из которых вылетают очень мощные струи. Это всё на галактических масштабах происходит.
Струи гигантских размеров с гигантской энергией. Они так вылетают. Считается, что они вылетают по оси вращения. Если чёрная дыра вращается, то есть неустойчивость, вещество может вдоль оси вращения вылетать огромной струёй.
Н. АСАДОВА - Сейчас подошло время нашей традиционной рубрики - "Статья по теме", потому что мы как раз подошли к тому, как же можно зафиксировать чёрную дыру, и как раз об этом была в журнале "Наука в фокусе".
Е. БЫКОВСКИЙ - Не зафиксировать, а сфотографировать.
Н. АСАДОВА - Да, даже конкретно эта заметка называлась так: "Как сфотографировать чёрную дыру?". Давайте послушаем в исполнении Алексея Дурново.
СТАТЬЯ ПО ТЕМЕ
А. ДУРНОВО - Что нужно для близкого знакомства со сверхмассивной чёрной дырой? Всего лишь массив радиотелескопов размером с Землю. Всё дело в том, что даже крупнейшие и ближайшие к нам темные «монстры», обитающие в тёмных глубинах космоса, почти неуловимы. Чтобы обнаружить этих темных жителей нашей Вселенной, наука должна показать всё, на что способна. Их экстремальная гравитация столь сильна, то даже свет не может вырваться.
«Как только объект проваливается внутрь, он пропадает навеки, — отмечает Шеп Доелмен (Shep Doeleman) из Хейстекской обсерватории Массачусетского технологического института (MIT, США). — Это дверь на выход из нашей Вселенной. Пройдя через нее, вы никогда не вернетесь назад». Конец пути — горизонт событий, на котором падающая материя разгоняется почти до скорости света и затягивается в гравитационную воронку черной дыры.
Черные дыры были открыты в 1970-х годах при поиске рентгеновского излучения мощных космических источников. Ключом к обнаружению черных дыр стало то, что они крайне неаккуратные «едоки». «Далеко не всё сразу попадает в черную дыру. Возникает своего рода космический затор из газа и пыли, которые образуют плоский “блин", называемый аккреционным диском», — рассказывает профессор Доелман.
Он да еще два тонких, как спицы, джета — выбросы частиц, движущихся с релятивистскими скоростями от полюсов монстра, — выдают местоположение черной дыры.
Большие галактики фактически выстроены вокруг так называемых сверх-массивных черных дыр. Это гигантские монстры — самая массивная из известных находится в галактике OJ 287 и весит как 18 млрд солнц. Гравитация этих черных дыр питает мощные аккреционные диски и приводит к выбросу струй газа (джетов) почти со скоростью света. Изучая скорости движения звезд в центре нашей Галактики, астрономы пришли к выводу, что даже в спокойном Млечном Пути скрывается сверхмассивная черная дыра в 4,3 млн солнц, обозначаемая Sgr А* (Стрелец А* — по названию созвездия).
Чтобы в деталях разглядеть этого опасного космического обитателя, понадобится Event Horizon Telescope (Телескоп горизонта событий, ТГС). Этот массив радиотелескопов протянется от Гавайев, Калифорнии, Аризоны, Мексики и Чили до Франции, Испании и Антарктиды.
«Чтобы только задуматься о получении изображения черной дыры, нужно разработать метод достижения невероятно высокого углового разрешения, ибо черные дыры компактны, — объясняет Доелмен. — Так, Sgr А* черная дыра в центре нашей Галактики, будет выглядеть примерно как мяч для гольфа на поверхности Луны!»
Идея в том, чтобы с помощью технологии, называемой интерферометрией, объединить радиотелескопы, разнесенные на огромные расстояния, в единую мегаантенну. На самых коротких волнах, около 1 мм, телескоп будет в 2000 раз зорче Хаббла и обретёт исключительную остроту зрения, став первым телескопом, способным разглядеть нечто столь малое, как чёрная дыра. И дело не только в объединении телескопов. По словам Доелмена, «крупнейшим прорывом на сегодня стала возможность использовать новейшие технологические достижения для обработки колоссальных потоков данных».
Группа из MIT уже использовала первые три антенны массива ТГС, расположенные в Калифорнии, на Гавайях и в Аризоне, для наблюдения черной дыры в центре М87. «Мы пока не получили ее изображения, — поясняет Доелмен. — Но удалось измерить параметры релятивистского выброса, порождаемого огромной черной дырой в сердце М87. Это настоящий монстр — в 2 тыс. раз массивнее Sgr А*».
Доелмен продолжает: «Для осмысления наших наблюдений не обойтись без теории гравитации Эйнштейна. Черная дыра должна вращаться. И от ее вращения зависит строение диска, предсказываемое на основе уравнений Эйнштейна. Полученные результаты нас очень обрадовали, поскольку они означают, что можно направить ТГС на М87 и узнать, как черная дыра порождает выбросы размером с целую галактику. Всего несколько лет назад подобное было невозможно».
Главной целью ТГС будет не только изучение строения, но и получение реальных изображений черной дыры и ее окрестностей. Однако она не будет похожа на схему из учебника, где диск закручивается вокруг чёрной дыры. Вместо этого чёрная дыра должна выглядеть, как тень.
Доелман объясняет, что радиоволны, идущие от аккреционного дискаА, искривляются тяготением чёрной дыры, образуя кольцо вокруг горизонта события. В результате возникает впечатление тени: яркое кольцо вокруг относительно тёмной внутренней области.
Так когда же команда ТГС направит его на Sgr А*? «Где-то в 2015-2016 годах, — отвечает Доелмен. — Это особенно важно, поскольку в эти годы в Sgr А* должно врезаться облако газа и пыли массой около трех земных (обозначаемое G2). Оно породит фейерверк в центре Галактики, который будет видно с помощью ТГС. Это открывает перед нами редкую возможность проследить, как черная дыра поглощает большую порцию “пищи”».
Будем надеяться, что нам недолго ждать того дня, когда удастся проникнуть в сердце этих самых загадочных объектов.
Н. АСАДОВА - Это был Алексей Дурново со "Статьёй по теме". И мы подошли к ещё одной интересной такой. Я так понимаю, что у разных групп учёных разное представление, как должен выглядеть горизонт событий.
В. РУБАКОВ - Это связано вот с чем на самом деле. Это связано с тем, что... это опять теоретическая вещь, но очень интересная вещь. Это связано с информационным парадоксом. Про чёрную дыру, если вы измеряете её гравитационное поле снаружи, то вы можете узнать всего несколько вещей про неё: какая у неё масса, какой у неё угловой момент, как она вращается там изнутри, ну и если есть электрический заряд, ещё электрический заряд. Всё. Всего три параметра характеризуют вам чёрную дыру.
В то же время чёрная дыра может получиться самым разным способом: вы можете туда бросать томики Пушкина, можете бросать...
Е. БЫКОВСКИЙ - Много томиков.
В. РУБАКОВ - Можете Толстого, можете кирпичи кидать. Результат будет один. Спрашивается - куда девается информация, которую вы забросили в эту чёрную дыру? Это на самом деле очень глубокий вопрос. Ну вы можете сказать - а куда девается информация, если я не дай Бог сжёг книжку на костре? Всё-таки она...
Е. БЫКОВСКИЙ - Проанализировав излучение, при этом получившееся...
В. РУБАКОВ - Совершенно верно. Другое дело, что её по-настоящему собрать обратно очень трудно, но теоретически вы можете, измеряя в деталях, как происходит излучение из этого костра - цвета, частиц - вы можете в принципе узнать, что вы туда бросили Пушкина, а не Толстого. А в чёрную дыру, по крайней мере классическую чёрную дыру, этого сделать невозможно в принципе.
Е. БЫКОВСКИЙ - И это, насколько я понимаю, противоречит принципу унитарности.
В. РУБАКОВ - Это много чему противоречит, особенно противоречит...
Н. АСАДОВА - То есть вы туда кидаете, и ничего не излучается?
В. РУБАКОВ - Квантовой физике.
Е. БЫКОВСКИЙ - По законам квантовой механики информация вообще не может быть безвозвратно утеряна. Всё-таки она должна остаться.
В. РУБАКОВ - Совершенно точно. Информация такая же материальная вещь, как всё остальное. Как масса. Поэтому по квантовой физике действительно информация должна сохраниться в какой-то форме. Спрашивается - сохранится или излучится? Но во всяком случае не должна пропасть. Спрашивается - что происходит с чёрной дырой. Ну и тут есть разные на эту тему точки зрения.
Горячие головы говорят, то горизонт должен быть устроен очень своеобразным образом. Думаю, что это не так. Но тут помогает вот какая вещь. На самом деле чёрная дыра, как это выяснил Стивен Хокинг в своё время, она на самом деле излучает.
Е. БЫКОВСКИЙ - Как он предположил это.
В. РУБАКОВ - Нет, не предположил. Это реальные вычисления в рамках квантовой физики. Вы можете убедиться, что чёрная дыра обязательно излучает. Массивные чёрные дыры излучают очень слабенько, но тем не менее вопрос принципа. Она излучает. Так называемое хокинговское излучение. Происходит это квантовое явление. Его нету в классической общей теории относительности. Оно возникает только тогда, когда вы начинаете учитывать квантовую физику. И вот это излучение, может быть, хотя по вычислениям Хокинга и последующим вычислениям этого не видно, но, может быть, именно это излучение и несёт в себе информацию о том, из чего была сделана чёрная дыра.
Е. БЫКОВСКИЙ - Можем ли мы зафиксировать это излучение каким-то способом, вернее, наблюдать?
В. РУБАКОВ - Нет. Дело в том, что те массивные чёрные дыры, какие есть во Вселенной... Значит, это излучение характеризуется температурой, так же как излучение любого горячего тела. То есть чёрная дыра вообще-то это теплый объект, она характеризуется некоторой температурой. Но для массивных чёрных дыр солнечных масс или больше эта температура ничтожно маленькая, поэтому экспериментально это излучение обнаружить невозможно.
Н. АСАДОВА - Я напоминаю, что это передача "Наука в фокусе". Сегодня поговорим о том, что же скрывают чёрные дыры. Наш гость - Валерий Анатольевич Рубаков, академик РАН, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, заведующий кафедрой физического факультета МГУ, сейчас прервёмся на новости и рекламу, затем вернёмся.
НОВОСТИ
Н. АСАДОВА - 15 часов и 35 минут в Москве. У микрофона Наргиз Асадова и Егор Быковский, главный редактор журнала "Наука в фокусе". И ещё раз представлю нашего гостя дорогого сегодня. Валерий Анатольевич Рубаков, академик РАН, доктор физико-математических наук, главный научный соторудник Института ядерных исследований РАН, заведующий кафедрой Физического факультета МГУ. Говорим мы сегодня про чёрные дыры. В первой части нашей передачи мы закончили говорить о том, что такое горизонт событий, как его представляют разные учёные, и сейчас...
Е. БЫКОВСКИЙ - И в чём тут проблема. Вообще пока шла реклама, мы тут разговорились в студии о том, что чёрные дыры для физиков представляют собой уникальное явление и совершенно уникальный опыт, потому что в обычном мире царствуют классические законы, а квантовая физика рулит на субатомном уровне. И вот есть единственный объект - чёрные дыры - на котором можно исследовать взаимодействие и того, и другого.
К сожалению, насколько я понимаю, ясности никакой нету. И появилась пару лет назад теория со стенами огня, которую я не очень понимаю.
В. РУБАКОВ - Тут надо пояснить, конечно, что это пересечение квантовой физики и физики классической, гравитации, причём в такой своеобразной форме, далеко неньютоновской гравитации - это пересечение на бумаге, конечно, теоретическая вещь, экспериментально непонятно. Никогда не говори никогда, но сейчас непонятно, как можно было бы то, что теория предсказывает в этих аспектах, можно было бы экспериментально проверить. Но теоретически это очень важная и интересная вещь, потому что вы пытаетесь поженить гравитацию и квантовую физику, квантовые принципы, и это происходит с большим трудом.
На примере чёрных дыр это видно. Видно, что есть очень тесные и интересные взаимосвязи между этими двумя вроде бы разными теориями, но как-то, в общем, не очень они хотят жениться друг на дружке.
Е. БЫКОВСКИЙ - А какое могло бы быть решение в таком случае? Если их нельзя поженить, может быть, есть третья теория?
В. РУБАКОВ - Есть теория, которая пытается их поженить на уровне таком очень фундаментальном - это теория струн, теория суперструн. Это действительно теория, которая похоже, что способна описать квантовые свойства гравитационных взаимодействий, и вообще быть теорией квантовой гравитацией, помимо всего прочего. Но, к сожалению, она достаточно сложна, настолько сложна, что, скажем, понять из неё, что происходит с чёрной дырой на квантовом уровне, до сих пор никому не удалось. Есть спекуляции, есть махание руками, как говорят теоретики, "вместо того чтобы формулы писать, размахивают руками". Есть размахивания руками, есть довольно-таки странные предложения по поводу файрволл, или огненная стена на горизонте, которую вообще ниоткуда не видать, ниоткуда не исследовать. В общем, есть много разных на эту тему спекуляций, но так, чтобы сесть, аккуратненько карандашом и ручкой сделать выкладки, посмотреть, что получится, этого пока не удаётся сделать.
Е. БЫКОВСКИЙ - Насколько я понимаю, файрволл должен быть под горизонтом событий до сингулярности, то есть его всё равно не должно быть видно.
В. РУБАКОВ - Некоторые люди так считают. Я так не думаю.
Н. АСАДОВА - Вот спорят об этом, как мы уже сказали, разные группы учёных, и наша рубрика "Про и контра" отражает то, как разные группы учёных видят себе этот самый горизонт событий. Озвучить нам мнения разных учёных помогли на этот раз Инесса Землер и Станислав Анисимов.
"ПРО и КОНТРА".
СТИВЕН ХОКИНГ - Чёрные дыры просто не имеют горизонта событий стены огня, поскольку квантовые эффекты вокруг чёрной дыры вызывают слишком сильные колебания пространства-времени, в результате вблизи чёрной дыры не могут существовать какие-либо резкие границы, будь то горизонт событий или файрволл.
ДЖОЗЕФ ПОЛЬЧИНСКИ, теоретик теории струн, Калифорнийский технологический - Простейшим решением будет то, что принцип эквивалентности разваливается на горизонте события, порождая файрволл. Сама идея довольно безумна, но огненная стена будет наименее радикальным потенциальным решением возникающих теоретических противоречий.
Н. АСАДОВА - Это была наша постоянная рубрика "Про и контра". Здесь у нас есть некое уточнение по поводу фамилии.
В. РУБАКОВ - Ну да, Джозеф Польчински или Полчинский.
Е. БЫКОВСКИЙ - Немножко промахнулись.
В. РУБАКОВ - Хорошо знакомый мне человек, так же как и Хокинг, в общем.
Н. АСАДОВА - Здорово. Я бы тоже с удовольствием познакомилась...
В. РУБАКОВ - С Хокингом сейчас очень сложно общаться, конечно.
Н. АСАДОВА - Мы только с моей дочерью книжки его читаем для детей. Очень познавательно. Всем рекомендую. Мы традиционно, опять-таки у нас на сайте "Эхо Москвы" в нашем блоге, в блоге передачи "Наука в фокусе" задаём каверзные вопросы нашим читателям и слушателям. В данный раз мы задали такой вопрос: "Разрушается ли поглощенная информация в чёрной дыре?". То, о чём мы говорили в первой части передачи. "Да, ¬разрушается", - сказали 53% проголосовавших. И "нет, сохраняется, может быть использована", - сказали 47% проголосовавших.
Е. БЫКОВСКИЙ - А сколько всего проголосовало?
Н. АСАДОВА - 1200 человек.
Е. БЫКОВСКИЙ - Ого. Понятно.
Н. АСАДОВА - Так что в принципе...
В. РУБАКОВ - Вы знаете, среди физиков-теоретиков, которые этим профессионально занимаются, лет 5 назад или 7 примерно такое же было соотношение.
Сейчас скорее склоняются к тому, что информация не поглощаются, никуда не исчезает, что она в той или иной форме должна возвращаться в наш мир.
Н. АСАДОВА - Ближе к Хокингу.
В. РУБАКОВ - Ближе к Хокингу. Но, опять-таки, было бы очень интересно и важно иметь какую-то более-менее реалистическую модель, чтоб можно было увидить, как она реально из этой чёрной дыры выходит, эта информация. К сожалению, до сих пор теоретики, сколько уже бьются над этим вопросом, это уже лет 30 назад, до сих пор ничего такого придумать не удаётся. И связано с тем, что это очень сложная система, чёрная дыра, с учётом квантовых эффектов, эта система теоретически оказалась очень непростой, хотя, казалось бы, чёрная дыра - точка, окружённая горизонтом событий. Что тут особенно сложного? Нет, оказывается, как только вы начинаете включать квантовые явления, всё становится очень сложно.
Е. БЫКОВСКИЙ - Я читал когда-то забавную публикацию, такую на гране безумия, что чёрные дыры - это одно из проявлений существования сверхцивилизации, что такое удобное место для складирования информации, очень компактное.
Н. АСАДОВА - Космическая флэшка.
В. РУБАКОВ - Это достаточно безумно, да.
Н. АСАДОВА - Мы до начала нашей передачи говорили, у нас гостевой, и Валерий Анатольевич сказал, что в принципе весь наш мир, там, где мы живём, можно представить, что мы живём внутри огромной чёрной дыры.
В. РУБАКОВ - Это не совсем так.
Н. АСАДОВА - Внутри горизонта событий.
В. РУБАКОВ - Ну да, вообще у нашей вселенной есть тоже поверхность, которая похожа на горизонт событий чёрной дыры, но если в чёрную дыру мы не можем заглянуть, из-под горизонта ничего не выходит, то наоборот в нашей вселенной есть поверхность, она большого размера, конечно, но вполне конечная, надо думать, за которой мы ничего не можем увидеть. Свет до нас оттуда дойти не может, не дошёл ещё пока. И в этом смысле наша Вселенная похожа на внутренность чёрной дыры. Перевёрнутая наизнанку, я бы так сказал.
Е. БЫКОВСКИЙ - Это тогда большой получается пузырь, с радиусом 14 млрд световых лет.
В. РУБАКОВ - Может быть, существенно больше, конечно. Если была инфляционная стадия, то этот размер может быть гораздо больше. Но скорее всего он тем не менее конечен.
Е. БЫКОВСКИЙ - Да, я это не учёл. Собственно, почему мы сейчас об этом заговорили? Потому что мы хотели поговорить не только о чёрных дырах, но и коротко о недавнем открытии - о гравитационных волнах.
Н. АСАДОВА - Это взаимосвязанные явления, ты меня убеждал.
Е. БЫКОВСКИЙ - Всё взаимосвязано.
В. РУДАКОВ - Во вселенной взаимосвязано всё, но гравитационные волны, действительно, это немножко другой разговор, тем не менее, но действительно 17 марта нынешнего года учёные, которые работают с телескопом BICEP-2, объявили о том, что они видят отпечаток гравитационных волн с размером примерно несколько миллиардов световых лет, гравитационные волны такой длины волны сумасшедшей, что они такой отпечаток этих гравитационных волн видят в реликтовом излучении, в излучении, которое пронизывает всю нашу Вселенную.
Е. БЫКОВСКИЙ - Почему это так важно для нашего понимания Вселенной?
В. РУДАКОВ - Вы знаете, гравитационные волны такого гигантского размера и достаточной большой амплитуды, речь идёт о возмущениях метрики или о гравитационных полях очень больших по сравнению с тем, что мы имеем, скажем, на Земле - их не очень просто сделать. Единственная теория, которая способна генерировать такие гравитационные волны - это инфляционная теория. Это теория, которая говорит о том, что наша Вселенная на самом-самом первом этапе её развития очень быстро экспоненциально раздувалась, вот в это время образовывались гравитационные волны и, кстати сказать, всё остальное, все остальные неоднородности, из которых потом наши галактики получились, мы с вами, это всё оттуда проистекло, из первых, трудно даже себе представить сколь коротких мгновений эволюции Вселенной.
Е. БЫКОВСКИЙ - То есть существенно меньше секунд.
В. РУДАКОВ - Какой там секунды. Секунда - это гигантское время по тем меркам. Это времена... речь идёт о доле секунды, надо написать нулей после запятой, и потом единичку. Вот такая часть секунды. И вот в это время, как в утробе матери первое мгновение зарождается будущее человечка, так же будущее нашей Вселенной зародилось вот в эти самые мгновения. То, что потом превратилось в галактики, скопления галактик, звёзды, это всё в эти самые первые мгновения, зародыши этого появились.
Е. БЫКОВСКИЙ - Открытие гравитационных волн - это же было одно из самых существенных открытий последнего десятилетия.
В. РУДАКОВ - Вы знаете, если это правильно. Тут надо осторожным быть, потому что открытие настолько фундаментальное и настолько сигнал слабенький, что одному единственному эксперименту тут стопроцентно нельзя доверять по определению.
Е. БЫКОВСКИЙ - Надо перепроверить. Ну, допустим, что всё правильно.
В. РУДАКОВ - Тогда это великое открытие. Это открытие века однозначно.
Н. АСАДОВА - А последствия какие? Что нам...
В. РУДАКОВ - Мы будем знать, как была устроена Вселенная на самом первом этапе её развития.
Н. АСАДОВА - А как мы это можем знать по отпечаткам?
В. РУДАКОВ - Потому что свойства этих гравитационных волн предсказываются. Вы можете мерить, измерять эти свойства. Это же не просто гравитационные волны, это гравитационные волны со вполне определёнными свойствами, какие у них амплитуды, какой у них шум, это гравитационно-волновой шум, как устроен этот шум, они имеют разные длины волны, какие амплитуды, это всё мы будем знать и будем знать, как получилась наша Вселенная, как она образовалась в самых первых мгновениях эволюции. Это, конечно...
Е. БЫКОВСКИЙ - То же самое, что со светом, Наргиз. Мы знаем, как выглядела какая-нибудь удалённая галактика 10 млрд лет назад, потому что мы увидели световое излучение. Так и здесь мы получили некое излучение, оно, правда, не световое, в данном случае гравитационное, которое нам говорит о том, как всё было устроено.
В. РУДАКОВ - Совершенно верно. Но это вообще, конечно, будет прорыв мощный в космологии, вообще в мировоззрении человеческом это будет очень большой прорыв. Это крупнейшее открытие естествознания. Ещё раз, если это открытие. Тут надо быть аккуратным. Не исключено, что есть систематические погрешности, которые могут...
Вообще говоря, есть процессы в ближней Вселенной, в нашей галактике, которые могут мимикрировать под этот сигнал, поэтому тут очень важно подтверждение.
Н. АСАДОВА - А у меня ещё есть вопрос, который как-то связан тоже с чёрными дырами, вернее, это её противоположность. Существуют так называемые белые дыры в нашей Вселенной. И что это такое?
В. РУДАКОВ - В нашей Вселенной не существуют. Пока не видать. В теории они есть, но тут ситуация такая. Когда образуется чёрная дыра, ун её в центре появляется так называемая сингулярность. Это сверхплотная формально в классической теории бесконечно плотная область, с бесконечной плотностью, точка, в которой сидит вся масса этой чёрной дыры.
Е. БЫКОВСКИЙ - Совершенно не могу себе представить бесконечную плотность.
В. РУДАКОВ - Невозможно себе представить, согласен. Наверное, там плотность не бесконечная, а какая-то очень большая, вполне конечная, тем не менее в классической теории у вас появляется такая сингулярность.
Белая дыра - наоборот, у неё изначально есть сингулярность вот такая. Откуда она взялась - в теории нет ответа на этот вопрос. Она должна быть изначально. То есть она изначально есть, тогда может образоваться белая дыра. Надо думать, что таких сингулярностей в нашей вселенной нету, не видно, откуда им взяться совсем, поэтому белых дыр как объектов во Вселенной нет, как теоретические объекты они есть, но это как бы чёрная дыра, только пущенная назад во времени, вспять во времени.
Е. БЫКОВСКИЙ - И тогда кажется естественным, что чёрную дыру и белую дыру может соединять какой-нибудь, условно говоря, тоннель?
В. РУДАКОВ - Да, есть и такие разговоры на эту тему. Но, опять-таки... Проблема в этом месте в том, что вам надо понимать, что такое сингулярность на самом деле. Вы говорите, что невозможно себе представить бесконечную плотность. Согласен. Но что это такое на самом-то деле? Никто не знает. И как устроено пространство-время в этой области, про которую сказать-то ничего нельзя. В классической это точка, всё. А на самом деле с учётом всех квантовых явлений, с учётом возможной теории струн и так далее, это, наверное, какой-то объект, но про него ничего неизвестно.
Н. АСАДОВА - Вот теперь, если представить...
Е. БЫКОВСКИЙ - Точка вообще без метрических размеров?
В. РУДАКОВ - В классической физике да. В классической общей теории относительности бесконечная плотность.
Е. БЫКОВСКИЙ - Дайте мне воды, пожалуйста.
Н. АСАДОВА - Да, у меня сейчас ещё один вопрос, практический женский вопрос, я за них отвечаю. Вот если представить себе чёрную дыру с горизонтом событий, вот, допустим, космонавт, когда он попадает, все эти фантастические фильмы, космический аппарат постепенно затягивается чёрной дырой. Как это происходит? Что теория говорит на эту тему?
В. РУДАКОВ - Теория говорит очень просто - что вы на самом деле ничего не почувствуете. Если эта черная дыра достаточно большой массы, если вы падаете на эту чёрную дыру, то вы не заметите никакого горизонта.
Е. БЫКОВСКИЙ - Поскольку нет разницы между свободным падением, инерциальным явлением, то космонавт ничего не должен ощутить, не должен испытывать действие гравитации.
В. РУДАКОВ - Ну он будет испытывать некие приливные силы, но это будут совершенно нормальные приливные силы, как у нас у Земли есть приливы-отливы.
Н. АСАДОВА - И по мере приближения...
В. РУДАКОВ - Они будут посильнее. А когда он будет к сингулярности приближаться, тут уж приливные силы, тут-то его и расплющит.
Е. БЫКОВСКИЙ - Но это будет очень долго происходит, то есть с нашей точки зрения он просто застынет на горизонте.
В. РУДАКОВ - С нашей точки зрения он будет бесконечно долго приближаться к этому горизонту.
Н. АСАДОВА - А те люди, которые считают, что есть файрволл...
В. РУДАКОВ - Но по его часам он пролетит вполне за конечное время. Так что ему жить немного, если он попал под горизонт чёрной дыры.
Н. АСАДОВА - А те сторонники теории, что вокруг, вернее, после этого горизонта событий существует некий файрволл, то есть что-то такое горячее, бесконечное.
Е. БЫКОВСКИЙ - Это место, в котором разрушается принцип эквивалентности.
Н. АСАДОВА - То космонавт никуда не долетит.
В. РУДАКОВ - Его разорвёт где-то, да. Не очень понятно, что это такое, файрволл, но если он есть, в чём я сильно сомневаюсь, то космонавту там крышка и наступит.
Е. БЫКОВСКИЙ - Во всяком случае нам трудно будет произвести непосредственный эксперимент с чёрной дырой, потому что, во-первых, они все далеко, и хорошо. А, во-вторых,это потребует очень долгого времени.
Н. АСАДОВА - Хорошо, тогда ещё одна страшилка, связанная с чёрными дырами, да? Это, как ты сам же и напомнил перед передачей, по поводу адронного коллайдера. Когда его собирались запустить, то в жёлтой прессе было масса заметок о том, что если его запустить, то могут образоваться чёрные дыры, она нас уничтожит. Это вообще возможно?
В. РУДАКОВ - Чёрные дыры в принципе...
Е. БЫКОВСКИЙ - Вам должно быть виднее. Вы только что приехали из CERN'а.
В. РУДАКОВ - Сейчас там коллайдер не работает, он заработает на полную энергию свою примерно через год, чуть меньше чем через год, но тем не менее. Там действительно в CERN'е вовсю идёт подгоовка к работе Большого адронного коллайдера на полную энергию. Так вот в принципе теоретически, может быть, чёрные дыры образуются, хотя, опять-таки, у меня на этот счёт своя точка зрения есть. Многие теоретики считают, что это возможно. Я считаю, что вероятность этого крайне мала. И такое явление необнаружимо. Это неважно. Примем точку зрения, что они могут образоваться. Но это будут микроскопические чёрные дыры с очень маленькой массой, которая мгновенно разрушается, вот за счёт того самого хокинговского излучения они... чем меньше масса, тем более горячие эти чёрные дыры. Микроскопическая масса чёрных дыр, они очень горячие, они очень быстро излучаются свою энергию, превращаются в излучение.
И такие явления можно искать. Люди ищут на Большом адронном коллайдере, пока не обнаружены, думаю, что не обнаружат. Ну неважно. Это никакая не катастрофа. Эта чёрная дыра мгновенно исчезает.
Теперь не может ли образоваться чёрная дыра, которая таким хокинговским излучением по каким-то невообразимым причинам не обладает? Тогда она должна в себя всё засасывать. Тут простой ответ. В том, что есть высокоэнергетические частицы, которые падают на нас из космоса, космические лучи так называемые, протоны очень высоких энергий. И энергия у них настолько большие, что эффективная энергия столкновения больше, чем на Большом адронном коллайдере. И это происходит на протяжении всей жизни.
И если посчитать, сколько же столкновений произошло, ну вот надо, чтоб Большой адронный коллайдер отработал в 50 млн раз дольше, чем он должен работать, вот тогда, может быть, будет столько же столкновений, сколько произошло уже на Земле. Ну, чёрных дыр не образовалось, ничего никуда не засосало. Поэтому эти опасения беспочвенны.
Е. БЫКОВСКИЙ - Либо они образовывались, но есть хокинговское излучение, которое в таких масштабах спасает.
В. РУДАКОВ - Конечно. Иногда образуется, но при этом никакой катастрофы не происходит.
Н. АСАДОВА - Тогда стали говорить о том, что чёрные дыры могут испаряться.
В. РУДАКОВ - Ну это и есть хокинговское излучение.
Н. АСАДОВА - А те самые большие огромные чёрные дыры, которые...
В. РУДАКОВ - У них маленькая температура, они испаряются, но очень медленно. У них температура настолько маленькая, что темп излучения очень маленький, и испаряются они очень медленно.
Е. БЫКОВСКИЙ - А при этом многим из них доводится время от времени и поесть.
В. РУДАКОВ - Ну конечно, они гораздо более активно поглощают на себя окружающее вещество, поэтому их масса на самом деле не падает, а растёт. А вот такие маленькие, микроскопические чёрные дыры, они очень быстро испаряются, излучают это хокинговское излучение и прекращают своё существование.
Е. БЫКОВСКИЙ - Микроскопические - это в смысле в масштабах протона?
В. РУДАКОВ - Ну с массой там 1000 или 10000 масс протона. Что-то в таком духе. То есть это маленькие совсем массы. Такие имеют очень высокую температуру, они быстро излучаются, испаряются.
Н. АСАДОВА - А можем ли мы такой параметр зафиксировать, как сколько живёт чёрная дыра?
В. РУДАКОВ - Если она в пустоте, если в неё ничего не падает, то это сильно зависит от того, какая у него масса. Если масса составляет 10^14 грамм, это 10^8 тонн, это 100 миллионов тонн. Вот такая чёрная дыра испаряется за время жизни Вселенной. 100 миллионов тонн - это совсем немножко. Более тяжёлые дыры испаряются дольше, чем время жизни Вселенной. А менее тяжёлые, наоборот, быстрее в теории.
Н. АСАДОВА - Да, очень интересно.
Е. БЫКОВСКИЙ - Даже не знаю, что у вас спросить в заключение. Сколько у нас осталось времени?
Н. АСАДОВА - Немного - 2,5 минуты.
Е. БЫКОВСКИЙ - Расскажите нам, каким...
Н. АСАДОВА - Егор настолько увлёкся темой, что позабыл вопрос свой.
Е. БЫКОВСКИЙ - Меня поглотила чёрная дыра.
В. РУДАКОВ - Это те объекты, которые заставляют людей немножечко впадать в ступор, это я прекрасно понимаю.
Е. БЫКОВСКИЙ - Я уже полчаса просто пытаюсь представить бесконечную плотность, вы меня поразили.
В. РУДАКОВ - А, ну да. Я сам когда в первый раз прочитал в книжке Ландау-Лившица про чёрную дыру, я тоже так впал в ступор и долго не мог осознать, насколько это удивительный объект, конечно.
Н. АСАДОВА - Я правильно понимаю, что ближайшая к нам чёрная дыра - это вот эта Стрелец А?
В. РУДАКОВ - Нет, есть звёздные чёрные дыры примерно на таком же расстоянии, а галактическая чёрная дыра в центре нашей галактики есть. И она, вообще говоря, действительно доступна изучению. И уже сейчас видно, что это очень компактный, несветящийся, массивный объект, это уже сейчас известно. Известно, что вокруг него летают звёзды с большими скоростями, понятно, раз большая гравитация, значит и скорости очень высокие у этих звёзд. Это всё можно наблюдать. Не так просто, но можно. Нужно очень высокое угловое разрешение, надо иметь хорошие телескопы, чтобы разглядеть, как именно двигаются звёзды, потому что объекты маленькие.
Е. БЫКОВСКИЙ - А есть ли вероятность, что есть недалеко от Земли, в паре парсеков какая-нибудь чёрная дыра не очень массивная, которую мы просто не видим, потому что не смотрим туда.
В. РУДАКОВ - Дело не в том, что не смотрим. Если вокруг этой чёрной дыры вещество достаточно разреженное, если она не находится в облаке газа достаточно плотного и если рядом нету звёзды, из которой она может вещество на себя перетягивать, то вы её и не увидите. Это такая же тёмная пустота, какая вокруг нас вообще везде есть. Поэтому в принципе такое может быть. Откуда взяться такой чёрной дыре - непонятно.
Н. АСАДОВА - Вот так закончили вопросом нашу передачу, которая тоже формулировалась вопросом "Что скрывают чёрные дыры?". И благодарим нашего гостя за то, что он пришёл сегодня в нашу студию, объяснил нам всё, это Валерий Анатольевич Рубаков, академик РАН, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН. И мы с Егором Быковский с вами тоже прощаемся до следующего воскресенья.
В. РУДАКОВ - Спасибо вам за интерес.
Е. БЫКОВСКИЙ - Спасибо. Всем удачного конца воскресного дня.
Н. АСАДОВА - До свидания.