Квантовая запутанность и черные дыры

Часть 1.

Впервые предположение о принципиальной возможности существования во вселенной объектов, гравитационное поле которых так сильно, что вторая космическая скорость (скорость, необходимая для выхода на орбиту) должна превосходить скорость света в вакууме было высказано еще в конце 18-го века независимо друг от друга англичанином Джоном Митчеллом и французом Пьером Симоном Лапласом. Согласно ей такие объекты принципиально нельзя обнаружить поскольку испускаемый ими свет попросту не может оторваться от поверхности. Эта модель была полностью основана на классических представлениях ньютоновской механики, но вместе с тем отражало некоторые весьма существенные свойства объектов о которых мы сегодня будем говорить. Более того, она полностью соответствует определению черной дыры, которое до сих пор приводится в научно-популярной литературе и обзорных статьях. В то же время, ньютоновская механика ничего не позволяет сказать о свойствах пространства и времени вблизи черной дыры и многих других необычных свойствах, которыми эти объекты наделяет современная космология. Для их описания требуется более общая теория. В качестве таковой может выступать общая теория относительности. По крайней мере именно выводы использовал автор первой современной модели черной дыры Карлом Шварцшильдом. Надо сказать, что современное представление так же не может быть до конца верным поскольку для описания эффектов связанных с черными дырами ученым помимо общей теории относительности приходится использовать физику квантов. А эти две теории несводимы друг к другу.

Как же появляются черные дыры? И что они собственно собой представляют? Черная дыра в космологическом понимании этого термина – это завершающая стадия эволюции массивной звезды. Упрощенно этот процесс можно представить так: в звезде «борются» две противоположные силы. Гравитация стремится схлопнуть звезду, стянуть ее в точку, а кинетическая энергия ионов и электронов разогнанных реакциями ядерного синтеза распирает ее изнутри. В некотором смысле всякая звезда подобна надутому воздушному шару, только роль гравитации в шаре играет сила натяжения, а вместо частиц с огромной кинетической энергией обычные молекулы воздуха. Баланс сил до поры сохраняется, но ядерное топливо в недрах постепенно «выгорает», легкие элементы - водород и гелий преобразуются в более тяжелые, звезда становится холоднее – это означает, что кинетическая энергия электронов и ионов уменьшается и силы гравитации берут верх. Звезда сжимается, превращается в белый карлик. И тут вновь становится возможным баланс сил. Дело в том, что электроны, протоны и нейтроны описываются статистикой Ферми-Дирака. Это означает, что для них справедлив принцип Паули, а именно, что не может существовать в одной и той же области пространства двух таких частиц (фермионов) с одинаковым набором характеризующих эти частицы величин. Именно этот квантовый эффект противодействует дальнейшему сжатию звезды. Сила подобного противодействия очень велика, но и она не всегда может предотвратить коллапс. В таком случае звезда схлопывается и образуется черная дыра. Как уже было сказано, напряженность гравитационного поля у такого объекта столь велика, что свет не может вырваться и достигнуть наблюдателя. Он лишь может вращаться по орбите подобно спутнику на некотором предельном расстоянии от черной дыры. За горизонтом событий находится сингуларность. Область где поространство-время достигает бесконечной кривизны. За горизонтом событий могут происходить процессы, которы трудно себе вообразить. Например формироваться области, где время течет вспять, пространство дробится на кванты, словом, настоящий кошмарный сон физика-теоретика. Однако одним из постулатов теории относительности является предельность скорости света. Это означает, что скорость света не просто велика,… ничто быстрее света принципиально двигаться не может. Ничто, в том числе и информация. Описанную выше границу называют горизонтом событий черной дыры. Информация обо всем, что попало за горизонт событий оказывается полностью утрачена для вселенной. Информация исчезает бесследно. Это явление называют информационным парадоксом. Уранения общей теории относительности показывают, что черная дыра для внешнего наблюдателя может обладать всего тремя характеристиками: массой, моментом вращения и электрическим зарядом. Значит любая другая информация об объекте, оказавшемся за горизонтом событий оказывается безвозвратно утеряна, если верить теории относительности. Если основываться только на ней, то это приводит к нарушению второго начала термодинамики. Совсем просто его можно сформулировать так: самопроизвольно энтропия вселенной не уменьшается. Вообще говоря, энтропия-мера беспорядка во вселенной всегда растет. Но если что-либо попадает за горизонт событий – вселенная утрачивает об этом объекте всякую информацию в том числе и информацию о «количестве его беспорядка». Фактически, это означает что энтропия вселенной уменьшилась. Таким образом приходим к противоречию, с одной стороны один из наиболее фундаментальных законов нашего мира, а с другой сама возможность существования черных дыр.