Физики БФУ им. И. Канта сделали еще один шаг к разгадке тайны черных дыр

Недавно в авторитетном научном журнале Physics Letters A вышла статья профессора БФУ им. И. Канта, директора Института физико-математических наук и информационных технологий Артема Юрова и доцента этого же института Валериана Юрова, в которой речь идет о «черных дырах». По словам авторов, это, возможно, самые загадочные объекты во Вселенной.

Еще не так давно далеко не все астрофизики были уверены в их существовании, сейчас же в распоряжении ученых есть даже снимок «черной дыры», который был сделан весной этого года с помощью телескопа Хаббл. Впрочем, если быть точным, это фотография не самой «черной дыры», а того, что условно можно назвать её тенью. «Черную дыру» сложно увидеть, она не светится, и о её поведении можно судить только по реакции того, что с ней взаимодействует. Теорема об отсутствии волос утверждает, что все чёрные дыры могут характеризоваться только тремя внешне наблюдаемыми классическими параметрами: массой, электрическим зарядом и угловым моментом. Всё остальное — это «волосы», которые, исчезая за горизонтом событий «чёрной дыры», становятся недоступными для внешнего наблюдения.

«Если мы каким-то образом возмутим «черную дыру», она отреагирует на это, начав излучать гравитационные волны. И мы, поймав их, сможем с помощью уравнения Эйнштейна, проанализировать отклик и, следовательно, понять, что с «черной дырой» происходит», — пояснили авторы.

Отклик «черной дыры», её реакцию на возмущение можно сравнить с небольшой рябью в стакане воды, которая возникает после того, как по нему постучать ложкой. Эта рябь называется квазинормальные моды.

Квази — потому что в реальной жизни любые колебания возникают и затухают. Постоянно происходящие свободные колебания — это математическая абстракция. Занимаясь вычислением спектра квазинормальных мод, физики обнаружили, что иногда эти спектры оказываются одинаковыми, несмотря на то, что речь идет о совершенно разных задачах. Подобная ситуация известна в совсем другой науке – в квантовой механике. Известно, что в отличии от классики, значения энергии в квантовых системах часто оказываются дискретными (в зависимости от так называемого потенциала) и существуют бес-конечно много потенциалов с одинаковыми энергетическими спектрами. В этом случае существует удивительная математическая симметрия, называемая преобразованием Дарбу, которая связывает эти потенциалы.

В статье Артема и Валериана Юровых анализируется возможность применения преобразований Дарбу для расчета квазинормальных мод, что может дать возможность составить более четкое представление об излучающих их «черных дырах».

Пока что изучение «черных дыр» — это в чистом виде фундаментальная наука. Такими были и теория относительности и квантовая механика, однако только благодаря этим исследованиям человечество смогло использовать энергию атомного ядра, создать мобильные телефоны, систему JPS и т.д. По мнению Артема и Валериана Юровых, изучение «черных дыр» может привести к еще более серьёзному перевороту в сознании людей, чем тот, который совершили специальная и общая теория относительности и квантовая механика. Возможно опять придется полностью пересмотреть наше отношение ко времени и пространству.

Фото: Event Horizon Telescope Collaboration

Специальная теория относительности показала, что два события, одновременные для одного наблюдателя, не будут одновременными для другого и что промежутки времени, измеренные разными наблюдателями будут различаться. Общая теория относительности взорвала наше представление о пространстве-времени – оказывается, мы живем не в евклидовом пространстве, а пространстве, обладающем кривизной! Еще более поразительна революция, произведенная квантовой механикой: элементарная частица может «находиться сразу в нескольких местах»! Но на очереди похоже еще более фундаментальная ломка наших представлений, и начинается она именно с черных дыр.

«Стивен Хокинг показал, что учет квантовых процессов приводит к тому, что черные дыры начинают излучать, уменьшая при этом свою массу до нуля за конечное время по часам стороннего наблюдателя. Этот процесс в высшей степени парадоксален и приводит к противоречиям, если только мы, в очередной раз не пересмотрим наше представление мире. Наиболее четко эту позицию озвучил Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета, предложивший так называемый принцип дополнительности для черных дыр. Вот как это выглядит: человек, падающий в черную дыру, с точки зрения стороннего наблюдателя, растянется по всему горизонту и сгорит в хокинговском излучении. Но всё это произойдет только в системе отчета стороннего наблюдателя, а в системе отсчета того, кто попал в «черную дыру», он останется жив-здоров! То есть, мы видим, что человек погибает, а он не погибает. Звучит безумно, но даже это не все. Теперь ясно, что одного принципа дополнительности, по-видимому, недостаточно, чтобы устранить все противоречия. Это показали четыре физика, во главе со знаменитым Джозефом Полчински (скоропостижно скончавшимся в прошлом году). Анализ парадокса (называемого по инициалам авторов AMPS) привел к новому поразительному открытию: судя по всему, «черная дыра» является самым мощным из возможных….. квантовым компьютеров, работающих по предельно сложному алгоритму (это первым понял Даниэль Харлоу из Принстонского университета). И когда мы до конца поймем как это все устроено, можно быть уверенным, что жизнь человечества изменится самым радикальным образом», — уверен Артем Юров.