Що буде, якщо впасти в чорну діру?

p02rz7hl-650x366
Напевно ви вважаєте, що якщо впадете в чорну діру, то вас чекає миттєва смерть. Але в дійсності, як вважають фізики, ваша доля буде куди більш дивною. У майбутньому таке може статися з ким завгодно. Може, ви намагаєтеся знайти нову населену планету для людської раси або просто заснули в довгому шляху. Що буде, якщо ви впадете в чорну діру? Можна було б очікувати, що вас перемеле або розірве. Але все не так.

У момент, коли ви входите в чорну діру, реальність буде розділена на дві частини. В одній ви будете негайно знищені, а в інший поринете в чорну діру абсолютно неушкодженим.
p02rz7hw-650x366
Чорна діра — це місце, в якому відомі нам закони фізики не працюють. Ейнштейн вчив нас, що гравітація викривляє сам простір, деформує його. Тому якщо взяти досить щільний об’єкт, простір-час може стати настільки кривим, що заверне саме в себе, зробивши отвір в самій тканині реальності.

Масивна зірка, яка вичерпала паливо, може забезпечити надзвичайну щільність, необхідну для створення цього деформованої ділянки простору. Прогинаючись під власною вагою і коллапсіруя, масивний об’єкт затягує з собою і простір-час. Гравітаційне поле стає настільки потужним, що його не може покинути навіть світло, ніж прирікає область, в якому знаходиться ця зірка, на похмуру долю: чорна діра.

Зовнішньою межею чорної діри є її горизонт подій, точка, в якій сила гравітації протидіє спробам світла покинути її. Підійдіть занадто близько і повернення вже не буде.

Горизонт подій палає енергією. Квантові ефекти на цьому кордоні створюють потоки гарячих частинок, витікають назад у Всесвіт. Це так зване випромінювання Хокінга, назване на честь фізика Стівена Хокінга, який передбачив його існування. Після закінчення достатнього часу чорна діра випарує свою масу повністю і зникне.

Занурюючись в чорну діру, ви виявите, що простір стає все більш викривленим, поки в самому центрі не стане зігнутим нескінченно. Це сингулярність. Простір і час перестають мати хоч якийсь сенс, і закони фізики, відомі нам, які потребують простору і часу, більше не працюють.
p02rz7jf-650x366
Що відбувається в сингулярності? Ніхто не знає. Інша всесвіт? Забуття? Метью Макконахі плаває по ту сторону книжкових полиць? Загадка.

Що ж станеться, якщо ви випадково впадете в одну з цих космічних аберацій? Спочатку запитаємо вашого космічного напарника — назвемо її Анна — яка з жахом дивиться, як ви пливете по напрямку до чорної діри, в той час як вона залишається на безпечній відстані. Вона спостерігає дивні речі.

Якщо ви прискорюєтеся у напрямку до горизонту подій, Анна бачить, як ви розтягуєтеся і спотворює, немов вона дивиться на вас через гігантську лупу. Крім того, чим ближче ви підходите до горизонту, тим більше ваші рухи сповільнюються.

Ви не можете крикнути, оскільки повітря в космосі немає, але можете спробувати сигналізувати Ганні повідомлення Морзе світлом свого iPhone (навіть додаток є для цього). Однак ваші слова будуть досягати її все повільніше і повільніше, оскільки світлові хвилі розтягуються до все більш низьких і червоних частот: «Добре, х о р о ш о, х о р о …».

Коли ви досягнете горизонту, Анна побачить, що ви змерзли, немов хтось натиснув кнопку паузи. Ви віддрукувати там, знерухомлених і витягнутий по всій поверхні горизонту, коли дедалі більше тепло почне вас поглинати.

На думку Анни, вас повільно стирає розтягнення простору, зупинка часу і тепло випромінювання Хокінга. Перед тим як зануритися в темряву чорної діри, ви перетворитеся на попіл.

Але перш ніж починати планувати похорон, давайте забудемо про Анну і подивимося цю моторошну сцену з вашої точки зору. І знаєте, що тут відбувається? Нічого.
p02rz7kc-650x366
Ви пливете прямо в саме зловісне прояв природи і не отримуєте ні шишки, ні синяка — і вже точно не розтягуєтеся, не уповільнює і не присмажуватися на випромінюванні. Тому що перебуваєте у вільному падінні і не відчуваєте гравітації: Ейнштейн назвав це «найщасливішою думкою».

Зрештою, горизонт подій — це не цегляна стіна, плаваюча в просторі. Це артефакт перспективи. Спостерігач, який залишається поза чорної діри, не може бачити крізь нього, але це не ваша проблема. Для вас горизонту не існує.

Якби чорна діра була менше, у вас були б проблеми. Сила гравітації була б набагато сильніше у ваших ніг, ніж у вашої голови, і розтягла б вас як спагеті. Але на щастя для вас це велика чорна діра, в мільйони разів масивніше Сонця, так що сили, які могли б вас спагеттіфіціровать, досить слабкі, щоб їх можна було проігнорувати.

Більш того, в досить великій чорній дірі ви могли б прожити залишок свого життя, а після померти в сингулярності.
p02rz7l0-650x366
Наскільки нормальною це життя буде, велике питання, з огляду на що вас засмоктало проти вашої волі в розрив в просторово-часовому континуумі і зворотного шляху немає.

Але якщо задуматися, нам всім знайоме це відчуття, з досвіду спілкування ні з простором, але з часом. Час йде тільки вперед, ніколи назад, і засмоктує нас проти нашої волі, не залишаючи шансу на відступ.

Це не просто аналогія. Чорні діри спотворюють простір і час до такого екстремального стану, що всередині горизонту подій чорної діри простір і час насправді міняються ролями. Насправді, саме час засмоктує вас в сингулярність. Ви не можете розвернутися і піти з чорної діри точно так же, як не можете розвернутися і піти назад в минуле.

У цей момент ви запитайте себе: що не так з Ганною? Якщо ви прохолоджуєтеся всередині чорної діри, будучи оточеним порожнім простором, чому ваш напарник бачить, як ви згораєте в випромінюванні на горизонті подій? Галюцинації?
p02rz7lq-650x366
Насправді, Анна перебуває в повному здоров’ї. З її точки зору ви дійсно згоріли на горизонті. Це не ілюзія. Вона навіть могла б зібрати ваш попіл і відправити його додому.

Насправді, закони природи вимагають, щоб ви залишалися за межами чорної діри, як це видно з точки зору Анни. Це тому що квантова фізика вимагає, щоб інформація не пропадала, не втрачати. Кожен біт інформації, який говорить про ваше існування, повинен залишатися за межами горизонту, щоб закони фізики Анни не порушувалися.

З іншого боку, закони фізики також вимагають, щоб ви пливли через горизонт, не стикаючись з гарячими частинками або чимось незвичайного. В іншому випадку, ви будете порушувати «найщасливішу думка» Ейнштейна і його загальну теорію відносності.

Отже, закони фізики вимагають, щоб ви одночасно були зовні чорної діри в вигляді жменьки попелу і всередині чорної діри, живі і здорові. І є також третій закони фізики, який говорить, що інформація не може бути клонована. Ви повинні бути в двох місцях, але може бути тільки одна копія вас.

Так чи інакше, закони фізики приводять нас до висновку, що здається досить безглуздим. Фізики називають цю головоломку інформаційним парадоксом чорної діри. На щастя, в 1990-х вони знайшли спосіб її вирішити.
p02rz7mc-650x366
Леонард Сасскінд прийшов до висновку, що парадоксу немає, оскільки ніхто не бачить вашу копію. Анна бачить тільки одну копію вас. Ви бачите тільки одну свою копію. Ви і Анна ніколи не зможете їх зіставити (і свої спостереження теж). І немає третього спостерігача, який може одночасно спостерігати чорну діру зсередини і зовні. Так що ніякі закони фізики не порушуються.

Але ви напевно хотіли б дізнатися, чия історія правдива. Мертві ви або живі? Якщо чорні діри нас чогось і навчили, то відповіді на це питання просто немає. Реальність залежить від того, кого запитати. Є реальність Анни і реальність ваша. От і все.

У всякому разі так думали довгий час. Літо 2012 року фізики Ахмед Альмейрі, Дональд Марольф, Джо Полчінскі і Джеймс Саллі, колективно відомі як AMPS, задумали уявний експеримент, який погрожував перевернути все, що ми назбирали про чорні діри.
p02rz7nb-650x366
Вони припустили, що рішення Сасскінд засноване на тому, що будь-яка невідповідність між вами і Ганною опосередковано горизонтом подій. Не має значення, побачила чи Анна невдалу версію вас, розтерзаних випромінюванням Хокінга, оскільки горизонт не дозволяє їй побачити іншу версію вас, плаваючого в чорній дірі.

Але що, якщо б у неї був спосіб дізнатися, що було по той бік горизонту, не перетинаючи його?

Звичайна відносність скаже «ні-ні», але квантова механіка трохи розмиває правила. Анна могла б зазирнути за горизонт, використовуючи невеликий трюк, який Ейнштейн називав «моторошним дією на відстані».

Це відбувається, коли два набору частинок, розділених в просторі, загадковим чином «заплутані». Вони є частиною єдиного невидимого цілого, тому інформація, яка їх описує, загадковим чином зв’язується між ними.
p02rz7np-650x260
Ідея AMPS заснована на цьому явищі. Скажімо, Анна зачерпує трохи інформації у горизонту — назвемо її А.

Якщо її історія вірна, і ви вже вирушили в світ краще, тоді А, зачерпнути в випромінюванні Хокінга за межами чорної діри, повинна бути заплутана з іншого часткою інформації B, яка також є частиною гарячого хмари випромінювання.

З іншого боку, якщо вірна ваша історія і ви живі і здорові по іншу сторону горизонту подій, то А повинна бути заплутана з іншого часткою інформації C, яка знаходиться десь всередині чорної діри. Але ось момент: кожен біт інформації можна запитати лише одного разу. З цього випливає, що А може бути заплутана або з B, або з C, але не одночасно з обома.
p02rzdx6-650x366
Отже, Анна бере свою частку A і поміщає її в ручну машину декодування заплутаності, яка видає їй відповідь: B або C.

Якщо відповідь C, перемагає ваша історія, але закони квантової механіки порушуються. Якщо A заплутана з C, яка глибоко всередині в чорній дірі, тоді ця частка інформації втрачена для Анни назавжди. Це порушує квантовий закон неможливості втрати інформації.

Залишається B. Якщо Декодувальна машина Анни виявляє, що А заплутана з B, Анна перемагає і загальна теорія відносності програє. Якщо А заплутана з B, історія Анни буде єдиною вірною історією, з чого випливає, що ви насправді згоріли дотла. Замість того, щоб плисти прямо через горизонт, як підказує відносність, ви зіткнетеся з палаючої стіною вогню.

Таким чином, ми повертаємося до того, з чого почали: що відбувається, коли ви падаєте в чорну діру? Ви ковзати через неї і живете нормальним життям, завдяки реальності, яка дивним чином залежить від спостерігача? Або ви підходите до горизонту чорної діри тільки щоб зіткнутися зі смертельною стіною вогню?
p02rzf5l-650x366
Ніхто не знає відповідь, і тому це питання стало одним з найбільш спірних в галузі фундаментальної фізики.

Понад сто років фізики намагаються примирити загальну теорію відносності з квантовою механікою, вважаючи, що однією з них доведеться в кінцевому рахунку поступитися. Рішення парадоксу вищезгаданої стіни вогню повинно вказати на переможця, а також привести нас до ще глибшої теорії Всесвіту.

Одна з підказок може лежати в машині декодування Анни. З’ясувати, який з інших бітів інформації заплутаний з A, є надзвичайно складним завданням. Тому фізики Даніель Харлоу з Прінстонського університету в Нью-Джерсі і Патрік Хейден, що працює в Стенфордському університеті в Каліфорнії, вирішили розібратися, скільки часу буде потрібно на декодування.

У 2013 році вони підрахували, що навіть при найшвидшому комп’ютері, який тільки може існувати, Ганні потрібно неймовірно багато часу, щоб розшифрувати заплутаність. До моменту, коли вона знайде відповідь, чорна діра вже давно випарується, зникне з Всесвіту і забере з собою загадку смертельної стіни вогню.
p02rzf13-650x366Якщо це так, то одна тільки складність цієї проблеми може завадити Ганні з’ясувати, чия ж історія вірна. Обидві історії залишаться в рівній мірі вірними, закони фізики — недоторканими, реальність — залежить від спостерігача, а ніхто не піддасться небезпеки бути поглинутим стіною вогню.

Це також дає фізикам нову поживу для роздумів: дрязнящіе зв’язку між складними обчисленнями (на кшталт тих, які не може провести Анна) і простором-часом. Можливо, десь тут ховається щось більше.

Такі чорні діри. Вони не тільки є прикрими перешкодами для космічних мандрівників. Вони також є теоретичними лабораторіями, які доводять закони фізики до сказу, а тонкі нюанси нашого Всесвіту виводять на такий рівень, що проігнорувати їх вже не можна.

Якщо справжня природа реальності десь ховається, найкраще місце для її пошуку — це чорна діра. Правда, шукати краще зсередини. Відправимо Анну, тепер її черга.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *