Алексей Алексенко /

Все мы живем на черной дыре

В действительности наш мир может оказаться еще причудливее, чем на самом деле

Иллюстрация: Corbis/Alloverpress
Иллюстрация: Corbis/Alloverpress
+T -
Поделиться:

Трое физиков-теоретиков из Онтарио опубликовали в Scientific American статью, где объясняют, что наш мир вполне может быть поверхностью четырехмерной черной дыры. Возможно, кто-то из читателей прочтет эту статью (или только заголовок), удивится и отметит про себя, что вот, мол, прикольно: на самом деле весь мир — черная дыра. Может, еще и девушкам потом перескажет. Держа в уме такую возможность, мы сочли необходимым опубликовать на нашем ресурсе соответствующие разъяснения.

Но сначала, как обычно, предисловие.

В современной физике есть множество понятий, которые непросто постичь умом. Например, «поле». Вкратце это вот что: в каждой точке пространства существует таблица, где записано, как надо преобразовать другую таблицу, исходя из которой можно вычислить, какова вероятность увидеть то-то и то-то. Если вы это понимаете, снимаем шляпу. Сами физики, кажется, только делают вид, что понимают. «В каждой точке — таблица»! Ха. Так не бывает даже в самом замусоренном бухгалтерском офисе.

Но самая странная и спорная из натурфилософских концепций XXI века, относительно которой даже физики не питают никаких иллюзий, — это понятие «на самом деле». Бесполезно задавать физикам вопрос: «Вот это “поле” (см. выше) — оно “на самом деле” существует или вы его из головы придумали для удобства?» Они сразу начинают юлить и выкручиваться.

Или вот еще проще: все помнят из школы, что задачку про шарик, катящийся с наклонной плоскости, можно решать, вычислив все силы, а можно — по закону сохранения энергии. Существуют ли на самом деле силы — или энергия? И то и другое вместе точно не может существовать «на самом деле», потому что тогда ответ пришлось бы умножать на два. Возможно, «на самом деле» существует что-то третье, а и силы, и энергия — выдумка физиков для собственного удобства.

Посеяв в мозгу читателей зерна плебейского скептицизма, продолжим изложение сути дела.

Лет пятнадцать-двадцать назад самые умные физики — из тех, что настолько погрязли в расчетах, что окончательно махнули рукой на категорию «на самом деле», — придумали одну штуку. Некоторые их коллеги готовы считать эту штуку величайшим научным прорывом нашего времени. Фокус там в том, что описание всех-всех явлений, происходящих в некоем объеме, с учетом гравитации, можно свести к описанию явлений на поверхности этого объема, и тогда гравитацию учитывать уже не надо. А можно и наоборот. На практике надо поглядеть, какое математическое описание проще, и выбрать из соображений собственной лени. Этот фокус получил название «голографический принцип», а еще вы могли слышать имя аргентинца Хуана Малдасены или читать у Алексея Цвелика про AdS/CFT-соответствие, это все примерно про одно и то же.

Вот, например, как мы уже писали, некие умные физики рассчитали поведение сверхпроводника, предположив для удобства, что сверхпроводник — это только поверхность, а под ней копошатся черные дыры особой формы. «На самом деле» никаких дыр там нет, конечно — там обычная подложка керамическая. Дыры выдумали из головы. Но расчеты от этого сильно упростились. Самые разные задачки, как оказалось, можно решать с помощью этого фокуса.

Повторим еще раз: это фокус, подобный тому, как в школе вы решали задачки про наклонную плоскость исходя из сохранения энергии. Существует ли «энергия» объективно или это просто такая формула, но верный ответ гарантирован.

Наконец мы подошли к сути дела. Наши канадские умельцы, с которых мы начали эту заметку, придумали, как решить таким способом куда более масштабную задачу — происхождения Вселенной в результате Большого взрыва. Об этом они и пишут.

Оказалось, что если вообразить некий четырехмерный мир, и в нем — некую большую-пребольшую четырехмерную звезду, и если эта звезда претерпевает гравитационный коллапс, то есть схлопывается в черную дыру, то описание поверхности ее «горизонта» точь-в-точь совпадает с описанием нашей расширяющейся Вселенной. Считать даже проще, потому что в обычном описании там в начале маячит неприятная для математиков «сингулярность», а в четырехмерном описании никакой сингулярности нет. Довольно легко решаются таким способом и другие загадки мироздания, включая тайну «инфляции». Все это наши физики из Университета Ватерлоо очень популярно объяснили в своей статье.

Но они пошли немного дальше. В отличие от непритязательных исследователей сверхпроводимости, честно признающихся, что ввели лишнее измерение с черными дырами только для собственного удобства, канадцы на полном серьезе заговорили о том, что их четырехмерная дыра есть «на самом деле». То есть «на самом деле» только эта дыра и есть, а то, что видим мы, — иллюзия жалких обитателей ее поверхности. Пусть и трехмерной, но все равно ущербной в сравнении с миром, который ее породил.

Можете себе вообразить? А вот они смогли. Более того, они толкуют о наблюдаемых следствиях своей гипотезы. Дело в том, что настоящая дыра в четырехмерной вселенной (в отличие от математической абстракции) может жить своей жизнью. Она может, к примеру, вращаться или поглощать падающую на нее материю. И мы сможем все это наблюдать, к примеру, по неоднородностям фона реликтового космического излучения.

А наблюдаем ли? Пока нет. Расчеты канадцев* заметно расходятся с данными наблюдений. «Заметно» — это на четыре процента. Если вы педант и берете с десятки сорок копеек сдачи, можете успокоиться мыслью, что «на самом деле» ни дыры, ни четырехмерной матушки-Вселенной не бывает.

А еще в самом конце статьи авторы скромно добавляют, что их безумная теория не снимает главного вопроса: ну хорошо, а сама эта четырехмерная Вселенная откуда взялась?

Если «на самом деле» ее нет, то вопрос, конечно, дурацкий. Что, в общем, и к нашей Вселенной относится. На этом сегодня и закончим.

 

*Примечание:

Наверное, не очень вежливо на протяжении всей заметки называть авторов гипотезы безымянными «канадцами». На самом деле это Роберт Манн, Ниайеш Афшорди и Разие Пурхасан из Института теоретической физики Периметр в Ватерлоо, Онтарио. Но уж очень сложные имена у этих уроженцев Ирана, и если уж автор перепутал их написание, пусть это будет в примечании, а не в основном тексте.

Комментировать Всего 12 комментариев

Ещё один пример: механика и гидродинамика. Можно описывать поток реки уравнениями движения каждой отдельной молекулы, а можно одним законом. Это похоже на коридор, который, независимо от количества народа в нём и политических взглядов отдельных индивидуумов, ведёт их к выходу, или ко входу, или к тому и другому одновременно.

Все эти теории с непонятными новыми величинами лишь попытка уложить в наше сознание непостижимую реальность, нащупать стенки коридора.

За 20 с лишним лет техника так далеко шагнула, что астрофизик превратился из замшелого теоретика, весь инструментарий которого - книжки, бумага и ручка, в настоящегоо следопыта. 90% времени уходит на мониторинг гигантского количества наблюдений и публикаций - только для того, чтобы не отстать. Не поверите - теоретикам некогда съездить в отпуск!

То, что раньше можно было вообразить лишь на "кончике пера" (своеобразная музыка формул), сейчас видно на фотографиях высокого качества.

Но соображение иногда действительно отказывается воображать. Например, сверхмассивные чёрные дыры, которые тяжелее Солнца в тысячу раз. Известно, что они существуют в центрах галактик, включая и нашу. Т.е. мы наблюдаем косвенные свидетельства их существования ещё в те времена, когда наблюдаемое нами электромагнитное излучение пролетало мимо них, - от сотен тысяч до миллиардов лет назад. Уже тогда они вобрали в себя из окружающего космоса гигантские объёмы вещества. 

В то же время теория относительности говорит, что для стороннего наблюдателя (для нас) время достижения падающим веществом горизонта чёрной дыры (за ним свет уже не может выбраться обратно) стремится к бесконечности. Получается, что мы должны видеть гигантские потоки падаюего в эту дыру и замедляющегося (но не ускоряющегося!) по мере приближения к ней вещества, т.е. никаких сверх- и просто массивных чёрных дыр человечество видеть не должно.

И как нам теперь с этим жить?

Эту реплику поддерживают: Михаил Аркадьев

Вячеслав, извините, статей ваших в NASA ADS не нашел (ведь иркутский В. Жигалов - это не вы, или вы? У вас в профиле только Политех вписан), поэтому какой астрофизикой вы занимались - не знаю.

Что за странные вещи вы пишете?"За 20 с лишним лет техника так далеко шагнула, что астрофизик превратился из замшелого теоретика, весь инструментарий которого - книжки, бумага и ручка, в настоящегоо следопыта."Т.е., вы хотите сказать, что 20 лет назад астрофизики были только теоретиками?

"Например, сверхмассивные чёрные дыры, которые тяжелее Солнца в тысячу раз." ТЫСЯЧУ???? Смеетесь? или просто не знаете?

"т.е. никаких сверх- и просто массивных чёрных дыр человечество видеть не должно."Ну а это просто ерунда.

Сергей, простите, если задел Ваши профессиональные чувства. Никак не претендую на научную строгость суждений, поскольку ни дня в науке не проработал, к сожалению. Да и статья написана больше для непрофессионалов.

В Иркутске живёт, видимо, мой тёзка. А я закончил физ-тех факультет Ленинградского Политеха именно по этой специальности ещё в 92-м году. И пересказал здесь ровно то, что сам слышал от своей одногруппницы, которая работает в нашем физтехе, и видел у неё те самые снимки, которых во время нашей учёбы и быть не могло.

Тогда нельзя было видеть некоторые эффекты, происходящие со звёздами на разных этапах их жизни. Это, безусловно, не вся астрофизика (смешно было бы это утверждать), а только часть её, касающаяся экстремальных состояний материи. Именно этим моя сокурсница занимается. За забытые нули прошу прощения, мне двойка.

Про последнюю "ерунду" Вы не совсем поняли, я лишь сказал, что для обычного человека это звучит парадоксально. Если для нас процесс падения вещества в чёрную дыру выглядит бесконечно долгим, то почему мы наблюдаем уже сформировавшиеся дыры? Объясните, кстати, если не сложно.

По поводу снимков. Фраза все равно звучит примерно как "до появления БАК физики в элементарных частицах были замшелыми теоретиками". Для, скажем, Будкера это было бы большой новостью.

Про черные дыры

мы наблюдаем объекты, выглядящие, как черные дыры для удаленного наблюдателя. Именно так и должна выглядеть черная дыра для удаленного наблюдателя. Тут нет противоречия. Мы, скажем, видим такую-то массу, при наблюдаемой оценке размера порядка шварцшильдовского радиуса. ну так так и должно быть.  Понимаете, это примерно (в духе Алексенко), как сказать, что реально женщина, на которую вы смотрите, всегда старше, чем вам кажется, т.к. скорость света конечна :) На самом деле, с точки зрения наблюдателя, разница не велика. А уж если перейти в ту систему отсчета, где есть непосредственный контакт ....

то есть Вы хотите сказать, что фотоны все же отлетают от "гравитационного центра" ЧД, но недалеко, поэтому нам их и не видно?

нет.

Есть центр, точка. Там сингулярность. Есть радиус черной дыры, горизонт. Из под горизонта ничего не выходит, поэтому, разумеется, никакой "центр" для наблюдения снаружи недоступен.

Я, безусловно, говоря о том, что видит внешний наблюдатель, говорю о том, что, скажем, падающий предмет быстро по часам внешнего наблюдателя подходит очень близко к горизонту. Мы не увидим, как этот предмет пересечет горизонт. Тем не менее. Мы говорим о наблюдаемых размерах, крайне близких к размеру горизонта.

как нет? Но тогда Ваша последняя фраза и все рассуждение подвисла

 "А уж если перейти в ту систему отсчета, где есть непосредственный контакт ...."  то что? мы что-нибудь увидим? кроме фотонов?!

в смысле? Мы вообще не видим ничего, кроме фотонов.А сама процитированна фраза относилась к щуточному примеру про женщину.

Эк вы меня. Если "Алексенко", так сразу "женщина".

Вот вы, физики, всегда людей путаете. Наверное, вполне можно было сказать: "Все, что когда-либо упало на черную дыру, для нас - внешнего наблюдателя - выглядит еще не пересекшим горизонт". Хотя слово "выглядит" вряд ли подойдет для фотонов, остывших до одной миллиардной градуса.

Эту реплику поддерживают: Сергей Попов

Да, в некотором смысле для нас черные дыры навсегда замерли в мгновении сразу после коллапса.

Именно поэтому возникает парадокс, назовем его так, Брюса Уиллиса. Он состоит в том, что незадачливого трагического героя, свалившегося в черную дыру, с нашей точки зрения до самого конца Вселенной теоретически можно вытащить. То есть  этот фильм никогда не кончится драматичным каунтдауном: "4, 3, 2, 1, 00000000". Зритель наверняка будет разочарован. В то же время у главного героя все закончится очень быстро и абсолютно необратимо.

с нашей "наивной" точки зрения. А вообще, если к нашей точке ЗРЕНИЯ добавить понимание, то нельзя :)

Ничего такого они и не пытались вообразить. Просто сидели и подгоняли формулы. А когда подогнали, то попытались объяснить что получилось. На моей памяти, в таких попытках подгонки решения, доходили до "пространств" из 128 измерений.