Анализ предполагает, что наша Вселенная должна иметь характерное распределение черных дыр. Чем больше масса черной дыры, тем больше таких дыр должно быть в нашей Вселенной, и так до определенного критического значения, после которого число дыр должно падать. Такой подход может помочь решить многолетнюю загадку. До сих пор астрофизикам было трудно понять, как сверхмассивным черным дырам удалось дорасти до таких размеров на столь ранних этапах космической истории. В соответствии с новой теорией большие черные дыры должны были сформироваться в первые моменты Большого взрыва как отдельные вселенные-пузыри. Эти гиганты и могли стать сверхмассивными черными дырами, которые мы видим сегодня в ядрах галактик, включая наш Млечный Путь.
Данная теория также может помочь разобраться с парадоксом потери информации черной дырой, о котором физики дискутируют уже несколько десятилетий. И, конечно, наша собственная Вселенная вполне может выглядеть как черная дыра для физиков из какой-нибудь другой вселенной.
Интервью: Стивен Хокинг
Стивен Хокинг, один из величайших физиков в мире, известен своими работами по черным дырам. В преддверии его 70-летия в 2012 году журнал New Scientist взял у него интервью по электронной почте (когда Хокингу исполнился 21 год, у него было диагностировано заболевание двигательных нейронов, и общение с ним можно было осуществить только с помощью датчика, управляемого сокращением мышц его щеки). Его ответы на вопросы дополнены комментариями журнала New Scientist.
Какое событие, с вашей точки зрения, было наиболее выдающимся в физике за годы вашей работы?
Открытие малых вариаций температуры космического микроволнового фона, сделанное космической обсерваторией COBE (Cosmic Background Explorer), и последующее подтверждение космическим аппаратом WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) того, что эти вариации прекрасно согласуются с предсказаниями теории инфляции. Космическая обсерватория «Планк» может обнаружить следы гравитационных волн, предсказанных теорий инфляции. И тогда все небо будет свидетелем справедливости теории квантовой гравитации.
[Спутники COBE и WMAP измеряли космический микроволновой фон (КМФ) – послесвечение, оставшееся от Большого взрыва, которое пронизывает все пространство. Его температура практически не меняется. Этот факт активно поддерживает теорию инфляции, которая предполагает, что вселенная в своем развитии прошла через период ускоренного расширения сразу после Большого взрыва, в результате чего все ее неровности были разглажены. Если инфляция действительно имела место, то она должна была вызвать рябь – гравитационные волны – в пространстве-времени. Они бы привели к вариациям КМФ, настолько слабым, что до настоящего времени их не обнаруживали. И после этого интервью спутник Европейского космического агентства «Планк» безуспешно искал эти волны. Предполагается, что другие создаваемые телескопы будут более точными, чем «Планк» (см. главу 5).]
Эйнштейн называл космологическую постоянную своей «самой большой ошибкой». Как вы считаете, что было вашей «самой большой ошибкой»?
Раньше я думал, что информация разрушается в черных дырах. Но AdS/CFT соответствие заставило меня изменить эту точку зрения. Это и было моей самой большой ошибкой, по крайней мере, в науке.
[Черные дыры пожирают все, что оказалось слишком близко к ним, включая информацию. Но в 1975 году совместно с израильским физиком Яаковом Бекенштейном Хокинг показал, что черные дыры медленно излучают, что приводит к их испарению и в конечном итоге к исчезновению. А что происходит с информацией, которую они поглощают? В течение нескольких десятков лет Хокинг утверждал, что информация разрушается, а это противоречило идеям непрерывности и причинно-следственной связи. Однако в 1997 году теоретик Хуан Малдасена разработал математическую теорию, упростившую подход к конформной теории поля, так называемую антидеситтеровскую модель (Anti-de Sitter/conformal field theory correspondence (AdS/CFT)). Этот подход связывает события внутри искаженной геометрии пространства-времени (как, например, в черной дыре) с более простой физикой на границах этого пространства.
В 2004 году Хокинг использовал эту теорию и показал, как информация может просачиваться назад из черной дыры в нашу Вселенную через квантово-механические пертурбации на границе черной дыры, т. е. на ее горизонте событий. Из-за этой ошибки Хокинг проиграл пари своему коллеге-теоретику Джону Прескиллу, заключенное десятилетием раньше.]
Какое открытие будет самым революционным с точки зрения нашего понимания Вселенной?
Открытие суперсимметричных партнеров известных фундаментальных частиц, возможно, на Большом адронном коллайдере (БАК). Это будет сильным свидетельством в пользу М-теории.
[Поиск суперсимметричных частиц – это главная цель БАК в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Стандартная модель физики элементарных частиц будет окончательно сформирована, когда будет найден бозон Хиггса. Но у нее есть много проблем, которые будут разрешены, если обнаружится, что все известные элементарные частицы имеют более тяжелых «суперпартнеров». Наличие суперсимметрии подкрепило бы М-теорию, 11-мерную версию теории струн, которая на сегодняшний момент является наилучшей попыткой создать теорию всего, объединяющую гравитацию с другими силами природы.]
Представьте себе, что вы – молодой начинающий физик. Что бы вы стали изучать?
Я бы хотел иметь новую идею, которая открыла бы новое поле для исследований.
Глава 4
Гравитационные волны
Уже более века мы знаем, что на свете должны существовать гравитационные волны, но эта рябь в пространстве и времени была обнаружена только в 2016 году, когда лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) сумела зафиксировать характерные слабые растяжения и сжатия пространства-времени, вызванные движением массивных объектов.
Открытие гравитационных волн
Когда 11 февраля 2016 года физики объявили, что им впервые удалось зарегистрировать гравитационные волны, это вызвало сенсацию среди ученых во всем мире. Гравитационные волны помогут нам в исследовании фундаментальных физических законов, в изучении самых таинственных объектов во Вселенной и даже, возможно, прольют свет на самые ранние периоды ее жизни. Гравитационный сигнал был пойман 14 сентября 2015 года двумя обсерваториями LIGO в США, в Хэнфорде (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (штат Луизиана) (рис. 4.1). Он возник в результате того, что две черные дыры, вращаясь друг вокруг друга, все более и более сближались и в конце концов слились в одну. Частота гравитационных волн оказалась доступна для человеческого уха. Разрушительное столкновение звучит как шквалистый порыв ветра, а в ускоренном темпе – как щебетание.
Этот звук в точности совпадает с тем, что предсказывает общая теория относительности. Измеряя, как возрастают и падают частота волн и их громкость, физики смогли вычислить массы черных дыр, участвующих в процессе слияния: примерно 36 и 29 солнечных масс. Они также выяснили, что в результате слияния новая черная дыра оказалась легче суммарной массы двух прежних дыр на 3 солнечные массы. Вся недостающая энергия излучилась в виде гравитационных волн, что говорит нам о том, какой грохот стоял на месте происшествия. И, сравнивая этот грандиозный процесс со слабыми вибрациями, обнаруженными LIGO, вспомним о чудовищном расстоянии, отделяющем нас от этого события, – 1,3 миллиарда световых лет.
