Мало хто з фізиків насмілиться заявити, що "чорних дір не існує". Поважне наукове товариство одразу сприйме його за дивака. Однак якщо така заява виходить з уст одного з найавторитетніших вчених сучасності та основоположників сучасної космології – Стівена Гокінґа, – до неї таки, мабуть, варто поставитися дуже серйозно. У своїй останній публікації культовий вчений спростовує існування т. зв. «горизонту подій» – невидимого кордону, який оточує ядро чорної діри та, перетнувши який, жоден об’єкт вже не може повернутися назад. Натомість Гокінґ постулює існування т. зв. «видимого горизонту», який лише тимчасово утримує матерію і енергію перш ніж випустити її назовні. Класичне розуміння чорної діри, як безодні, яку ніщо вже не може покинути, таким чином, зазнає сильних модифікацій.
Класичне розуміння чорної діри передбачає існування т. зв. горизонту подій - межі, перетнувши яку ніщо вже не може вирватися на поверхню. Гокінґ замінює горизонт подій поняттям видимого горизонту, який непрохідний для світла зсередини та має квантову, а не релятивістську природу. На відміну від горизонту подій, видимий горизонт може стиснутися настільки, що чорна діра викине назовні усію матерію, яку досі утримувала. У такий спосіб Гокінґ ставить під сумнів природу чорних дір як гравітаційних безодень, з яких немає вороття.
«В теорії відносності з чорної діри немає втечі. Квантова теорія, однак, припускає існування умов, за яких енергія та інформація, попавши в діру, можуть повернутися назад», - стверджує Гокінґ. Повне розуміння цих умов, за словами вченого, потребує теорії, яка б поєднала гравітацію з іншими фундаментальними силами у природі – електромагнітною, сильною та слабкою взаємодією. Однак створити таку теорію вченим не вдається уже майже століття.
Статтю під назвою «Збереження інформації та “прогноз погоди” для чорних дір» Стівен Гокінґ розмістив на сервері arXiv. Стаття ґрунтується на лекції Гокінґа, прочитаній через Skype в Інституті теоретичної фізики ім. Фреда Кавлі у Санта-Барбарі (Каліфорнія) в серпні 2013 р.
У своїй статті Гокінґ пробує вирішити т. зв. «парадокс вогняної стіни», який два роки тому постулював фізик-теоретик Джозеф Польчинський.
В уявному експерименті Польчинський намагався відповісти на запитання, що станеться з астронавтом, який перетне «горизонт подій» та впаде в чорну діру. Горизонт подій – це, до речі, відносно простий висновок, який випливає з загальної теорії відносності А. Ейнштейна та який в листі до останнього ще 1915 р. постулював німецький астроном Карл Шварц. Відтоді й аж до праць Польчинського вчені гадали, що астронавт, який падатиме в чорну діру, перетне горизонт подій спершу непомітно для себе й лиш згодом приливні сили затягнуть його в гравітаційну безодню – гіпотетично безкінечно густе ядро чорної діри, назване сингулярністю. Падаючи у сингулярність, під дією гравітації астронавта сплющить та розтягне, як спагеті.
Польчинський, одначе, дійшов зовсім протилежного висновку. Керуючись законами квантової механіки, які обумовлюють поведінку частинок на дуже малих відстанях, повністю змінюють сценарій, він стверджує, що за горизонтом подій існує невидиме ззовні світло – уся енергія, яка потрапила туди ззовні, але ще не встигла провалитися у сингулярність. Таким чином, горизонт подій перетворюється на ззовні невидимий регіон надзвичайно високої енергії та температури – «стіну вогню», яка спалить астронавта у ту ж мить, як він туди потрапить.
Висновок про існування «стіни вогню» можна зробити із законів квантової фізики, проте він суперечить теорії відносності. Адже, згідно з фундаментальним принципом А. Ейнштейна, закони фізики всюди однакові, і на об’єкт, який падає у чорну діру (в даному випадку і промінь світла, і невдаха-астронавт), поширюються ті самі закони, які діють і будь-де у Всесвіті. Тож, якщо брати підхід Ейнштейна за основу, довкола чорної діри немає нічого особливого.
Гокінґ пропонує третій, компромісний підхід, який не суперечить ні теорії Ейнштейна, ні квантовим законам: горизонту подій навколо чорних дір взагалі не існує. На місце горизонту подій Гокінґ ставить т. зв. «видимий горизонт». Це – межа, біля якої затримуватимуться промені світла, які намагатимуться покинути чорну діру.
Якщо уявити, що чорна діра існує стаціонарно в просторі, не збільшуючись і не зменшуючись у масі, то ці два горизонти співпадають: зсередини світло не може покинути чорну діру далі, ніж межа, перетнувши яку ззовні жоден об’єкт вже не може повернутися назад. Проте, якщо чорна діра поглинає все більше і більше матерії, горизонт подій ростиме швидше, ніж видимий горизонт.
Крім того, як показав Гокінґ ще у 1970-х, чорні діри можуть також зменшуватися у масі, випромінюючи при цьому т. зв. «радіацію Гокінґа». У цьому разі, навпаки, горизонт подій стає меншим, ніж видимий горизонт.
Узагальнивши попередні праці, тепер же Гокінґ дійшов висновку, що саме видимий горизонт є справжньою межею. «Відсутність горизонту подій свідчить про те, що чорних дір, як зони у просторі, яку не може покинути світло, не існує», - пише Гокінґ.
«Картина, яку намалював нам Гокінґ, виглядає резонно», - каже Дон Пейдж, фізик та експерт з чорних дір з Університету Альберти у Едмонтоні (Канада), який співпрацював з Гокінґом у 1970-х. «Дехто вважає, що гіпотеза великого вченого надто радикальна. Проте у своїх висновках він оперся на несуперечливу квантову теорію. Крім того, серед фізиків немає навіть єдиного і несуперечливого розуміння часу-простору, не кажучи вже про область, названу горизонтом подій».
Хоча Пейдж погоджується з припущення Гокінґа, що чорна діра може існувати без горизонту подій, однак запитує, чи цього, зрештою, достатньо, аби розв’язати парадокс вогненної стіни. Адже, за його словами, навіть існування ефемерного видимого горизонту може спричинити ті самі проблеми, що й горизонт подій.
На відміну від горизонту подій, видимий горизонт може просто розчинитися у просторі. Пейдж зазначає, що Гокінґ відкриває двері настільки сміливому сценарію, що «будь-який об’єкт зрештою може покинути чорну діру». Хоча Гокінґ у своїй статті не зазначає, як видимий горизонт може зникнути, Пейдж припускає, що якщо він зменшиться до такого розміру, на якому гравітація діятиме в унісон з квантовими ефектами, то в кінці кінців перестане існувати. У такому разі чорна діра викине назовні усю матерію, яку досі поглинула (хоча й в досить «нетоварному» вигляді).
Приливні гравітаційні сили чорної діри лише тимчасово утримуватимуться матерію за межами видимого горизонту, затягаючи її все ближче до центру гравітаційної воронки, проте остаточно її в нього так і не увібгавши.
«Якщо уявити собі матерію, що пройшла таку екзекуцію, то подрібнений попіл зі спаленої книги ще набагато більше нагадуватиме оригінал, ніж те, що залишиться з об’єктом, який провалиться у чорну діру», - коментує Дон Пейдж.
27.01.2014