The Atlantic: черные дыры поглощают все, даже истину

Самые загадочные объекты во Вселенной принципиально непознаваемы, говорится в статье The Atlantic.
В 1967 году физик Джон Уилер читал лекцию о загадочном и поразительном явлении в глубоком космосе, которое только начинали познавать. Но у него не было подходящего названия. Уилеру и его слушателям надоело раз за разом слышать "гравитационно коллапсирующий объект", и кто-то подал идею другого названия. Через несколько недель, на другой конференции, Уилер выдвинул это предложение: "черная дыра". И оно идеально подходит, не правда ли? Как еще назвать темную бездну, которая поглощает свет и материю?
Спустя десятилетия черные дыры — невидимые, непроницаемые и находящиеся на расстоянии многих световых лет — знакомы нам как никогда раньше. Мы знаем, что сверхмассивные версии находятся в центре большинства галактик, включая наш Млечный Путь. В 2019 году мы даже получили фотографии, на которых черная дыра изображена в виде внушительной тени на фоне сияния космического вещества. Ученые зафиксировали гравитационные пульсации, возникающие при столкновении черных дыр друг с другом; недавно мы узнали, что весь космос, возможно, гудит от силы таких столкновений.
Но главная загадка все еще не разгадана: мы не знаем, что находится в центре черной дыры, за той границей, где материя навсегда исчезает из виду. "На этот вопрос, безусловно, можно ответить, поскольку кто-то может упасть внутрь черной дыры и узнать ответ" — написал мне по электронной почте Элиот Кватерт, астрофизик-теоретик из Принстона. "Проблема в том, что они не могут передать этот ответ кому-то, находящемуся за пределами черной дыры, — потому что ничто не может выйти из неё".
Поскольку такое практическое наблюдение невозможно, ученые вынуждены подходить к этому вопросу теоретически. Эти усилия включают в себя умопомрачительные физические расчеты, бесконечные мысленные эксперименты и серьезное отношение к возможности того, что Вселенная гораздо более странная, чем мы можем себе представить. Также необходимо принять тот факт, что мы никогда не узнаем наверняка, что находится внутри черной дыры.
Для нас, землян, бездонная яма, превосходящая по массе Солнце, может оказаться труднопостижимой. "Черные дыры — это не твердые объекты, как планеты или астероиды" — рассказал мне Шейн Ларсон, профессор физики из Северо-Западного университета. "Они скорее похожи на области в космосе, кажущиеся пустыми местами, которые становятся заметными благодаря звездам, вращающимся вокруг них по диким орбитам". "Это похоже на открытое окно — невидимая линия, которая отделяет внешнее пространство от внутреннего".
Чтобы понять, почему черные дыры меняют наше представление о космических силах, необходимо задуматься об их структуре. Если бы черная дыра была шоколадным шариком Ferrero Rocher, то первым слоем шоколада и дробленого фундука была бы область непосредственно за горизонтом событий, где гравитация еще достаточно слаба, чтобы близлежащая звезда могла спокойно пролететь мимо и не упасть. Далее идет слой хрустящей вафли — это горизонт событий, точка невозврата. Под этим слоем находится гладкая шоколадная начинка, через которую космическое вещество засасывается в центр. И вот сердце конфеты Ferrero — целый обжаренный лесной орех. Это и есть сингулярность — крошечная концентрированная точка бесконечной плотности.
Физики считают, что они понимают, как должно выглядеть пространство за горизонтом событий — почти на всем протяжении шоколадной начинки, — основываясь на общей теории относительности Эйнштейна. Если бы астронавт упал в черную дыру, он бы опустился вниз, и по мере углубления он бы ощутил, как искривляется сама ткань пространства-времени вокруг него. Теория 1915 года хорошо описывает, что должно происходить в такой экстремальной среде, где гравитация преобладает над всеми другими силами во Вселенной. Проблемы начинаются дальше, ближе к сингулярности, где "законы физики, как мы их понимаем в настоящее время, разрушаются" — отметил Ларсон.
В глубине черной дыры общей теории относительности недостаточно для объяснения происходящего; необходима также другая физика — квантовая механика, которая имеет дело с мельчайшими частицами Вселенной, атомами и их еще более мелкими составляющими. "Когда вся материя сжимается в точку", как это происходит в черной дыре, "размеры становятся настолько малыми, что квантовые эффекты приобретают важное значение" — написал мне по электронной почте Джеймс Миллер-Джонс, астроном из Университета Кертина (Австралия). К сожалению, общая относительность и квантовая механика не уживаются друг с другом.
Согласно принципам общей теории относительности, если что-то попадает в черную дыру, то оно теряется навсегда. Можно определить некоторые фундаментальные свойства черной дыры, например ее массу, но не ее составные части. В 1970-х годах Стивен Хокинг показал, что черные дыры на самом деле испаряются очень медленно, испуская излучение сразу за горизонтом событий. Это событие должно было вызвать восторг у адептов квантовой механики, согласно которой информация не может быть уничтожена. "Если бы кто-то разобрал собранную головоломку и разбросал ее по вашему саду, вы могли бы собрать ее снова" — сказал мне Николас Уорнер, профессор физики и астрономии из Университета Южной Калифорнии. Это займет некоторое время и потребует усилий, но квантовая теория говорит, что это можно сделать. Но частицы, вылетающие из черных дыр, похоже, полностью лишены информации о содержимом их внутренностей, что является явным нарушением этого принципа. Это похоже на то, как если бы кто-то пропустил все эти кусочки головоломки через стиральную машину, и "все они превратились бы в грязно-серый беспорядок".
Физики-теоретики всего мира пытаются примирить несоответствие между общей относительностью и квантовой механикой. Уорнер принадлежит к тому лагерю, который считает, что теория Эйнштейна — те самые принципы, которые предсказывали существование черных дыр до того, как астрономы обнаружили их наличие, — неполна. Другие эксперты считают так же, но говорят, что не только Эйнштейн виноват в этом. "Возможно, нужно изменить и квантовую механику" — сказал мне Дэниел Харлоу, физик из Массачусетского технологического института. Харлоу и его коллеги предполагают, что излучение, открытое Хокингом, действительно закодировано информацией из глубин, а наше понимание квантовой механики еще недостаточно хорошо, чтобы ее расшифровать.
Все ищут теорию квантовой гравитации, которая бы избежала противоречий. "У нас такой теории нет" — сказал мне Чарльз Хейли, астрофизик из Колумбийского университета. "Даже близко нет". Но некоторые физики, с которыми я беседовала, утверждают, что эта область задача быть решена в течение десятилетий, быть может в этом веке. Ученые наконец-то будут знать ответ, но, конечно, только в теоретическом смысле.
В этом и заключается суть черных дыр. Мы можем приблизиться к истине лишь настолько близко, что можем установить лишь определенные виды знания. Даже мощные телескопы, которые показали нам сверкающие галактики почти на всем пути к Большому взрыву, не могут помочь нам здесь. "С наблюдательной точки зрения мы почти наверняка не узнаем ничего о внутреннем устройстве черных дыр в этом столетии, — сказал мне по электронной почте Карл Родригес, профессор физики из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл. "Лучшее, что мы можем сделать, — это изучить некоторые эффекты черных дыр". Майя Фишбах, астрофизик из Университета Торонто, считает, что мы сможем узнать больше, изучая невидимые гравитационные волны, которые распространяются при столкновении двух черных дыр и их слиянии в одну. Эти волны несут в себе информацию о вновь образовавшейся черной дыре, которая вибрирует после своего образования подобно колоколу. "Как по звону колокольчика можно узнать, из чего он сделан, так и по звону черной дыры можно узнать, из чего сделана черная дыра", — сказал мне Фишбах.
Но самая чистая форма открытия всегда будет оставаться недосягаемой. "Если "знать" означает, что студент может отправиться на экскурсию, провести непосредственное наблюдение с помощью своих органов чувств, а затем вернуться и написать доклад о том, что он наблюдал, то мы никогда не узнаем, что находится внутри", — сказал Ларсон. Возможно, это не самое худшее. "Если бы мы легко сталкивались с подобными ситуациями — средами с экстремальной, затягивающей в бездну гравитацией — это было бы, наверное, плохо для нас", — сказал Харлоу. Безопаснее изучать черные дыры издалека, в нашем тихом космическом районе, где гравитация гораздо слабее, и мы преодолеваем ее каждый день, просто откидывая одеяло и вставая с постели по утрам.