Текст книги "Знание – сила, 2001 №8 (890)"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 13 страниц)

Зримый след черной дыры

Еще в 1975 году Стивен Хокинг, опираясь на законы квантовой механики, предсказал, что черная дыра все же должна излучать свет, пусть и очень слабый. Недавно американские физики Мол и к Парик и Фрэнк Вильчек из Institute for Advanced Study в Принстоне, также прибегнув к этой теории, детально описали процессы, которые приводят к появлению элементарных частиц на границе черной дыры.

Известно, что, по принципу неопределенности Гейзенберга, из Ничего, то бишь из вакуума, могут одновременно возникать пары частиц и античастиц или пары фотонов. Едва появившись, они бесследно исчезают. Если подобная пара образуется близ границы черной дыры, то одна из этих частиц (или один из фотонов) может пересечь границу черной дыры. Это случайное движение приведет к непоправимому. Теперь пара частиц будет навеки разделена. Одна из них останется внутри черной дыры, то есть будет недоступна для наблюдателя, а другая станет частью излучения Хокинга; ее можно будет наблюдать.

Это событие приводит к тому, ЧТО энергия черной дыры, как и ее масса, слегка уменьшается, – ведь улетевшая частица уносит какую-то долю энергии. Черная дыра постепенно сжимается. Впрочем, процесс этот протекает очень медленно. Возьмем, к примеру, черную дыру, чья масса всего в три раза превышает вес нашего Солнца. Пройдет целых 1067 лет. прежде чем она потеряет всю свою массу. Что означает сей промежуток времени? Он примерно в 1057 раз превышает теперешний возраст Вселенной.

Метаморфозы происходят и с частицами, улетевшими прочь. Преодолевая силу притяжения черной дыры, они резко замедляют свой бег и теряют почти всю энергию. Это приводит к тому, что коротковолновое излучение становится длинноволновым и, кроме того, остывает. Длина волны достигает диаметра самой черной дыры.

Расчеты Хокинга показали, что световое излучение черной дыры схоже с излучением абсолютно черного тела Планка. Никакие другие характеристики излучения – кроме температуры – не позволяют судить о самом объекте, излучающем свет.

Однако, согласно расчетам Парика и Вильчека, излучение Хокинга должно выказывать характерные отличия от излучения Планка. Если это так, значит, исследуя это излучение, можно собрать сведения о внутреннем строении черной дыры. Впрочем, излучение Хокинга настолько слабо, что его, очевидно, никогда не удастся наблюдать непосредственным образом.

Михаил Вартбург

Черные дыры и «информационный парадокс»

Тут из задних рядов интересуются: «А вот если уронить в черную дыру какой-нибудь том Британской энциклопедии, чего тогда будет?»

Действительно. Говорят, что из черной дыры ничего выйти наружу уже не может: что в нее упало, то по– настоящему пропало. Так неужто информация тоже? Огорчительно. Человечество, можно сказать, веками старалось, думало, моршило лоб, открывало, записывало, хранило – а тут, в одночасье, все как корова языком… И ничего уже не разглядишь, ни единой буковки – дыра-то черная!

Поначалу как-то не верится, что природа устроена так злонамеренно. Эйнштейн, например, до самой смерти не соглашался поверить в злонамеренность природы. Но вот два крупнейших специалиста по черным дырам, доктор Кип Торн и доктор Стивен Хокинг, утверждают, что оптимизм Эйнштейна был не совсем оправдан: черные дыры действительно способны пожирать информацию навсегда, то есть безвозвратно. А с этими титанами космологии даже спорить как-то боязно. Никто и не решается.

Один, однако, нашелся – доктор Джон Прескилл. Тоже космолог, тоже известный, из того же Калифорнийского технологического института, что и Торн, но с другим мнением. Он утверждает, что информация никуда пропасть в природе не может. Есть, мол, такой закон – сохранения информации, подобный закону сохранения энергии, и все. Прескилл даже пошел на пари с Торном (а заодно и с Хокингом), что это именно так. А они с ним – что иначе. Договорились так: кто проиграет, покупает выигравшей стороне полную Британскую энциклопедию, сколько-то там томов. А это вам не шуточки – полная «Британника» сегодня как минимум на полторы тысячи долларов тянет Очень азартные люди эти космологи. Недавно вот так же спорили, есть у черной дыры волосы или нет. Хокинг говорил, что нет, а Торн, что есть. Пришлось Торну покупать Хокингу годовую подписку на «Плэйбой» или что-то в этом роде, тоже некопеечное. Суровые у них там нравы, в науке.

Вам может показаться, что эти космологи занимаются за государственный счет всякими глупостями: есть ли у дыры волосы да куда уроненная энциклопедия исчезает, но на самом деле это самые что ни на есть серьезные физические вопросы, даже можно сказать – весьма глубокие вопросы. От их решения зависит, какой быть будущей физике. Дело в том, что эта будущая физика должна объединить два доселе не объединенных (и никак доселе не объелиниvibix) столпа нынешней науки – теорию гравитации и квантовую теорию. Как метко сказал один из крупных современных физиков, «мы еще не знаем, как будет выглядеть результат такого объединения, но мы уже можем наверняка сказать, что ни теория гравитации, ни квантовая теория не выйдут из этого объединения такими, какими они выглядят сегодня». Оказывается, вопрос о том, исчезает или не исчезает информация в черной дыре, напрямую связан с вопросом о том, существуют ли у этой дыры «волосы» (мы сейчас скажем, как это понимать), а оба они вместе – с тем, какой из «столпов» современной науки – теорию гравитации или квантовую теорию – нужно изменить, дабы наконец добиться их объединения.

Чтобы убедиться в вышесказанном, присмотримся к аргументации доктора Прескилла Свое убеждение, что информация должна сохраняться, он основывает на том фундаментальном факте, что уравнения квантовой теории, описывающие движение микрочастиц, обратимы во времени. Если происходит реакция, в ходе которой одна такая частица превращается в несколько других, а те еще в несколько других, то обратимость уравнений означает, что, «обратив время» (то есть рассматривая реакцию, обратную данной), можно по конечным продуктам такого распада восстановить исходную картину. Понятно, что если природа допускает утрату информации, то такое восстановление окажется не всегда возможным: будет недоставать информации о каких-то промежуточных этапах. По мнению Прескилла, такая «утечка информации» в одном каком-то месте (пусть и в черной дыре) обязательно должна вызвать появление утечки и в других местах – это превратилось бы в «информационную эпидемию», и мы давно должны были бы ее заметить, как бы ни были малы ее последствия.

Доктор Прескилл связывает сохранение информации с сохранением энергаи. На ранних этапах становления квантовой теории, в двадцатые годы, было много разговоров о том, что в микромире закон сохранения энергии, возможно, нарушается. Эти разговоры были вызваны результатами исследования процессов так называемой бета-радиоактивности, в ходе которых часть энергии действительно как будто бы исчезала. Позже, однако, удалось установить, что эту недостающую энергию уносит с собой появляющаяся в ходе распада, но трудноуловимая частица нейтрино, и с тех пор незыблемый закон сохранения энергии стал, если это возможно, «еще незыблемей». Прескилл указывает, что всякая передача информации неизбежно связана с затратой энергии, поэтому бесследное исчезновение информации влекло бы за собой бесследное исчезновение соответствующей энергии, то есть нарушение незыблемого закона ее сохранения. Отсюда следует, что аналогично закону сохранения энергии должен существовать закон сохранения информации.

На первый взгляд, против этого можно выдвинуть сразу несколько возражений. Ну, например, такое: все мы свидетели того, что информацию можно уничтожить. Моден, правда, афоризм, будто рукописи не горят, но ни для кого не секрет, что на самом деле они горят и, увы, еще как горят! Синим пламенем, как говорится. Но на это доктор Прескилл отвечает, что информация здесь в действительности не исчезает, а превращается в языки этого пламени; их форма и другие особенности зависят от сжигаемой рукописи, в конечном счете – даже от вида и расположения буквочек на ней. В принципе, говорит он, эту информацию можно восстановить именно по этим языкам пламени. (Нечто подобное некогда утверждал писатель-фантаст Иван Ефремов относительно «голосов минувшего», якобы записывающихся в складках песчаных отложений. В его одноименном рассказе специальный прибор восстанавливал эти голоса, скользя по таким складкам, как игла по пластинке.) Доктор Прескилл идет еще дальше, он утверждает, что информация не исчезает бесследно даже «в конце времен», когда Вселенная умирает «тепловой смертью», достигая максимума энтропии, или, что то же самое, превращая все упорядоченные виды движения в совершенно хаотическое тепловое движение атомов и частиц. Мы как раз хотели выдвинуть против доктора Прескилла это очередное возражение насчет «тепловой смерти Вселенной», но он нас опередил, потому что и сам об этом думал. Он додумался до того, что информация и здесь не исчезает, потому что и здесь она всего лишь переходит в «иную форму». И вообше, говорит доктор Прескилл, какой бы бесследной ни казалась нам в том или ином случае утрата информации. Господь, грубо говоря, все равно знает, куда она девалась и где она скрыта.

Но вот когда информация проваливается в черную дыру – о, тут ситуация резко меняется. Казалось бы, не нужен Бог, чтобы и тут сказать, где она скрыта: в той самой дыре, конечно. Разве нет? Увы, нет. И вот почему. Как показал (еще в середине семидесятых годов) вышеупомянутый нами Хокинг, законы квантовой механики, если приложить их к черной дыре, требуют, чтобы она потихоньку еще и излучала, как тот царь, который ко всем своим царским делам немного еще и портняжничал. Наглядно говоря, такая дыра благодаря своей огромной массе так искривляет пространство около себя, что на ее «горизонте» (той воображаемой границе, из-под которой ничто уже не может вернуться наружу) спонтанно и непрерывно возникают пары «частица – античастица»; и если одна из частиц такой пары возникнет над «горизонтом», то она может улететь в космос, оставив своего «партнера»-неудач ни ка «под горизонтом». Этот процесс и ведет к постепенному «испарению дыры». А вместе с этим «испарением» уносится в космос и все, что когда-либо упало в дыру, включая информацию. (Кстати говоря, по Хокингу, конечным результатом такого квантового «испарения» должно стать полное «схлопывание» исходной дыры, то есть ее исчезновение.)

Казалось бы, что это меняет? Если, как говорит доктор Прескилл, информацию можно восстановить по языкам пламени, почему бы не восстановить ее по испарению частиц?

Бог и не то может, говорят! Опять увы. Он-то может, но физика Ему не разрешает. Она говорит, что «черная дыра не имеет волос». Это ее загадочное утверждение означает попросту, что «горизонт» такой дыры абсолютно гладок, как череп лысого человека. Там нет ни одной «волосинки», которая позволила бы догадаться, что тут раньше было. Выражаясь точнее, «испарение», выходяшее из черной дыры (или, как говорят, ее «хокинговская радиация»), – это абсолютно бессмысленный шум, лишенный каких бы то ни было различительных признаков. Никакую исчезнувшую информацию по этому шуму восстановить невозможно. Урони мы в эту дыру первый том «Британники» или двадцать первый, различить это по ее хокинговской радиации принципиально невозможно.

Вот такие каверзы устраивают нам черные дыры. И это не случайно. Такие дыры – один из самых загадочных объектов во Вселенной. Дело даже не в их чудовищной массе – в конце концов, как показали расчеты, черные дыры могут быть и совсем микроскопических размеров. Куда важнее, что они представляют собой объекты, к которым одновременно приложимы законы квантовой теории и законы теории гравитации Эйнштейна. Иначе говоря, в поведении этих объектов проявляется та еще не известная физикам единая теория «квантовой гравитации», в которой должны (когда-нибудь) объединиться обе названные составляющие на бумажках теоретиков. Не зная – до конца – законов этой единой теории, невозможно решить до конца и обсуждаемый нами «информационный парадокс»: с позиций отдельно взятой квантовой теории информация, как показал доктор Прескилл, не может вроде бы исчезать бесследно, а с позиций отдельно взятой теории гравитации информация, рухнувшая в бездны черной дыры, не может вроде бы вырваться оттуда даже и в виде «осмысленного испарения».

Физики, кажется, любят парадоксы не меньше, чем пари. Во всяком случае, появление «информационного парадокса» весьма возбудило умы и привело к появлению целого ряда гипотез касательно судеб пропавшей грамоты, то бишь исчезнувшей информации. Одна из этих гипотез утверждает, что наша Вселенная – всего лишь некая рядовая из бесчисленного множества ей подобных, этакий крохотный пузырек в бесконечной «пене вселенных», и каждая черная дыра – это туннель в другую вселенную. Поэтому на вопрос, что будет, если уронить в такую дыру том Британской энциклопедии, следует отвечать: содержащаяся в нем информация не исчезнет, а перейдет в другую вселенную. Нравится вам такая гипотеза? По мне, так уж лучше скорее присоединиться к доктору Прее кил – лу, который говорит, что «нам нужна физика, которая объясняла бы, что происходит в той вселенной, к которой мы имеем доступ, а не в той, о которой мы не знаем даже, су шествует ли она».

Вот какое объяснение можно дать этому парадоксальному феномену: оказавшись внутри магнитного поля, электроны теряют свою индивидуальность. Образуется странное агрегатное состояние материи, для него характерны необычные свойства. Разумеется, из общей массы частиц нельзя вычленить конкретные электроны с «зарядом, равным одной трети».

Еще одна гипотеза: черная дыра никогда не испаряется до конца – она съеживается до размеров микрочастицы и такой затем остается вместе со всей содержащейся в ней информацией. Для таких «информационных частиц» уже придуманы и вполне подходящие названия – «информоны», «инфотоны» и даже «библиотеконы»: ведь они содержат всю информацию, когда-либо попадавшую в черную дыру с каждым падавшим в нее атомом вещества. Куда там Борхесу с его «Вавилонской библиотекой»! В таких микроскопических «библиотеконах» информация была бы спрессована куда плотнее, чем вещество в какой-нибудь «нейтронной звезде», ведь их размеры намного меньше размеров такой звезды, а битов информации в них, возможно, и побольше, чем в той нейтронов! Но вот беда, количество параметров, необходимых для теоретического описания такой извращенно-чудовищной «инфочастицы», должно быть того же порядка, что и вся содержащаяся в ней информация, а это уже приближается к бесконечности. Может быть, физики и любит парадоксы, но они наверняка не любят, когда в их уравнениях появляются бесконечности, им это кажется дурной приметой. И точно, уже показано, что такие «информоны» должны непрерывно порождать друг друга, то есть могут в любой момент «выпрыгивать из ничего» в любой точке Вселенной.

Куда ни кинь, везде клин – то вселенные должны размножаться, как кролики, то частицы могут появляться, как голуби из шляпы фокусника. Поэтому физики, настроенные не столь радикально (например, Леонард Зусскинд из Стэнфордского университета), предлагают более «умеренное» решение парадокса: информация не проваливается в дыру и не испаряется из нее, а остается на «поверхности горизонта», так что, с одной стороны, она уже как бы принадлежит черной дыре, а с другой – доступна внешнему наблюдателю, который ее туда уронил. Иными словами, она, с одной стороны, исчезла, а с другой – вот она. родимая, тута! Так что, выходит, никто не ошибся, все правы, все довольны, все друг другу покупают полный набор «Британники», и все вроде бы, к всеобщему удовольствию, наконец в порядке. Однако опять увы!!! Как ни трудно представить себе, что в момент пересечения нашей несчастной «Британникой» упомянутого «горизонта» все ее содержимое каким-то чудесным (иначе не скажешь) образом мгновенно извлекается с ее страниц и «переписывается» на «горизонт», с этим еще как-то можно было бы примириться хотя бы ради решения «информационного парадокса», но вот беда: математическое оформление этой гипотезы приводит Зусскинда к выводу, что информация записывается на «горизонте» в виде неких «материальных образований типа «струн» в десятимсрном (!) пространстве». А по-нашему, по-простому, так уж лучше в другую вселенную, чем в десятимерное пространство. Другую вселенную хотя бы можно себе представить, но представить себе десятимерное пространство – это, пожалуй, даже потруднее, чем Василию Ивановичу знаменитый квадратный трехчлен…

Впрочем, не стоит беспокоиться. Комментаторы немедленно обнаружили в гипотезе Зусскинда и ей подобных их собственный «информационный парадокс». Судите сами. Положим, черная дыра так велика, что в нее может провалиться вся Земля. При таких размерах дыры воздействие ее тяготения на Землю скажется очень не скоро: расчеты показывают, что Земля будет падать от «горизонта» к центру такой дыры многие века, а то и тысячелетия, прежде чем люди заметят, что что-то не в порядке. Все это время на Земле будут сменяться поколения. будет создаваться все новая информация о мире и все новые знания будут пополнять земные библиотеки. Но если верить шустрым Зусскиндам, вся эта будущая, еще не открытая в момент проваливания в дыру информация должна быть переписана на «горизонт» уже в момент прохождения Земли через него, то есть еще до ее возникновения. Мало того, что одна и та же информация должна находиться одновременно в двух разных местах, на Земле и на «горизонте», так еще, оказывается, и вообще несуществующая – в момент прохождения «горизонта» – информация тоже должна на нем находиться, хотя ее еще нет на Земле!

На фоне всех этих ужасов, к которым ведут перечисленные попытки сохранить закон сохранения информации, позиция Торна и Хокинга кажется просто-таки беспечно-оптимистической: они убеждены, что информация, попавшая в черную дыру, попросту там исчезает, как говорится, «с концами», и все. И больше не о чем говорить. Такое исчезновение информации действительно весьма упрощало бы ситуацию с теорией тяготения, но зато, нельзя не отметить, немедленно усложнило бы ситуацию с квантовой теорией, которую следовало бы в этом случае переделать так, чтобы информация в ней все-таки могла исчезать. Говорят, что еще один известнейший физик, лауреат Нобелевской премии Мюррей Гелл-Манн из института Санта-Фе, уже занялся таким пересмотром, но что из этого выйдет, какая новая теория, науке пока не известно. Во всяком случае, доктор Торн надеется, что эта новая квантовая теория принесет ему выигрыш пари.

Мы тоже будем напряженно ждать. Все-таки интересно действительно узнать, что будет, если уронить в черную дыру какой-нибудь том Британской энциклопедии. А вдруг каких-нибудь знаний и в самом деле станет поменьше?! Так хочется порой не все знать…

В-мезоны нарушают симметрию

Во время экспериментов на линейном ускорителе Stanford Linear Accelerator Center в Калифорнии, а также в лаборатории Кек в окрестностях Токио выяснилось, что нестабильные В-мезоны при распаде ведут себя несколько иначе, чем их античастицы. Таким образом, В-мезоны нарушают основополагающую симметрию в природе – СР-симметрию.

В последние десятилетия тема «симметрии» и ее нарушений стала одной из главных тем, изучаемых физикой элементарных частиц. Все началось еще в середине пятидесятых годов, когда было открыто нарушение простейшего вида симметрии – четности (Р). Такую возможность предсказали в 1956 году китайские физики Ли Цзундао и Янг Чженьнин, а подтвердили год спустя две группы американских ученых (одну из них возглавляла By Цзяньсюн, а другой руководил Л. Ледерман). До этого ученые были уверены, что все законы физики – от простой механики макрокосма до квантовой механики микрокосма – остаются неизменными при пространственной инверсии (при зеркальном отражении, проще говоря). Так, например, при распаде атомного ядра вроде бы ничего не должно измениться, если повернуть в обратную сторону (то бишь допустить инверсию) направление вращения элементарных частиц, составляющих атомное ядро. By Цзяньсюн и ее коллеги из Колумбийского университета, наблюдая за интенсивностью излучения электронов бета-распада радиоактивного изотопа кобальта– 60, убедились, что это не так. Четность была нарушена наяву.

Вскоре ученые убедились, что это нарушение было лишь «верхушкой айсберга». за сим последовали другие опровержения привычных истин. Симметрия заряда, то есть зарядовая четность (С), тоже могла быть нарушена. В слабом взаимодействии (оно, например, обусловливает большинство распадов частиц) такая симметрия отсутствует. Поэтому продукты распада частицы отлетают в одну сторону, а античастицы – в другую сторону. Итак, материя и антиматерия оказались вовсе не так симметричны, как принято было считать. Поборники симметрии могли утешиться лишь тем, комбинация двух инверсий, или комбинированная инверсия, а именно зарядового сопряжения (перехода от частицы к античастице) и пространственной инверсии (замены координат частицы г на -г), восстанавливала симметрию. Сия сложная процедура – СР– симметрия – Природой вроде бы уважалась.

Однако и эта радость длилась недолго. В 1964 году американские физики Джеймс Кронин и Вал Фитч во время сенсационного эксперимента доказали, что при распаде К-мезонов CP-симметрия нарушается.

И вот теперь В-мезон… Его строение схоже со строением К-мезона – лишь вместо «странного»-кварка он содержит более тяжелый Bottom– кварк. Все остальные элементарные частицы «соблюдают» СР-симметрию.

Согласно космологической теории академика А.Д. Сахарова, именно незначительное нарушение СР-симмметрии привело к тому, что наша Вселенная составлена почти исключительно из материи. Не будь этого нарушения, вся наша Вселенная через считанные миллисекунды после Большого Взрыва мота бы аннигилировать. Этот дефект симметрии защитил материю от антиматерии. Однако до сих гор идея А.Д. Сахарова не вполне укладывалась в стандартную модель элементарных частиц. Поэтому исследование процессов, все-таки нарушающих привычную симметрию, вызывает большой интерес.

К концу прошлого века квантовая механика позволила разработать устройства, манипулирующие объектами в миллиардную долю метра

Электроны с зарядом, равным одной трети

Еще лет пятнадцать назад американский физик Роберт Логлин предсказывал один любопытный эффект. По его предположению, электроны, запертые в тонком слое полупроводника, оказавшись внутри сильного магнитного поля, должны вести себя так, словно их заряд меньше элементарного заряда электрона. Его догадка подтвердилась лишь недавно – в эксперименте, проведенном физиками из Института Вейцмана (Реховот, Израиль).

Объектом их наблюдения был «двухмерный электронный газ» – тончайшая прослойка, разделявшая два различных полупроводниковых материала. Они поместили эту конструкцию в магнитное поле и охладили всего до нескольких градусов выше абсолютного нуля, дабы температура никак не влияла на результаты эксперимента. После этого с помощью очень чувствительной аппаратуры они принялись изучать так называемый дробовой шум, что возникает из-за случайных изменений количества электронов и характера их движения.

Проанализировав величину электрического тока, ученые пришли к выводу, что в данном случае заряд частиц равен… всего одной трети элементарного заряда электрона.

Еще одно достижение квинтовой механики – сканирующий туннельный микроскоп, с помощью которого можно наблюдать перемещение молекул на поверхности металла, иначе говоря, работать с «атомными счетами»