сложнейшие вопросы по физике

Можно ли вытащить что-то из черной дыры?

Как только объект попадает в черную дыру, покинуть ее он уже не может. Неважно, сколько энергии у вас есть, вы никогда не сможете двигаться быстрее скорости света и преодолеть горизонт событий изнутри. Но что, если попытаться обмануть это маленькое правило и окунуть крошечный объект в горизонт событий, привязав его к более массивному, который сможет покинуть горизонт? Можно ли вытащить что-нибудь из черной дыры хоть как-нибудь? Законы физики строгие, но они обязаны отвечать на вопрос, возможно это или нет. Итан Зигель с Medium.com предлагает это выяснить.

Черная дыра — это не просто сверхплотная и сверхмассивная сингулярность, в которой пространство изогнуто так сильно, что все попавшее внутрь выбраться уже не сможет. Хотя обычно нам представляется именно, черная дыра — если точно — это область пространства вокруг этих объектов, из которой никакая форма материи или энергии — и даже сам свет — не может сбежать. Это не так уж экзотично, как можно было бы подумать. Если взять Солнце, как оно есть, и сжать его до радиуса в несколько километров, получится практически черная дыра. И хотя нашему Солнцу не грозит такой переход, во Вселенной есть звезды, которые оставляют после себя именно эти загадочные объекты.

Самые массивные звезды во Вселенной — звезды в двадцать, сорок, сто или даже 260 солнечных масс — самые синие, горячие и яркие объекты. Они также выжигают ядерное топливо в своих недрах быстрее других звезд: за один-другой миллион лет вместо многих миллиардов, как Солнце. Когда в этих внутренних ядрах заканчивается ядерное топливо, они становятся заложниками мощнейших гравитационных сил: настолько мощных, что в отсутствие без невероятного давления ядерного синтеза, который им противостоят, они просто коллапсируют. В лучшем случае ядра и электроны набирают столько энергии, что сливаются в массу связанных воедино нейронов. Если это ядро массивнее, чем несколько солнц, эти нейтроны будут достаточно плотными и массивными, что коллапсируют в черную дыру.

Итак, запомним, минимальная масса для черной дыры — это несколько солнечных масс. Черные дыры могут расти и из гораздо больших масс, сливаясь вместе, пожирая материю и энергию и просачиваясь в центры галактик. В центре Млечного Пути был найден объект, который в четыре миллиона раз превосходит массу Солнца. На его орбите можно определить отдельные звезды, но никакого света никакой длины волн не излучается.

Другие галактики имеют еще более массивные черные дыры, массы которых в тысячи раз больше наших собственных, и нет теоретического верхнего предела величине их роста. Но есть два интересных свойства у черных дыр, которые могут привести нас к ответу на вопрос, заданный в самом начале: можно ли вытащить что-нибудь «на привязи»? Первое свойство относится к тому, что происходит с пространством по мере роста черной дыры. Принцип черной дыры таков, что ни один объект не может вырваться из ее гравитационного притяжения в области пространства, как бы ни ускорялся, даже двигаясь на скорости света. Граница между тем, где объект может покинуть черную дыру и где не может, называется горизонтом событий. Он есть у каждой черной дыры.

Вы удивитесь, но кривизна пространства гораздо меньше на горизонте событий возле самых массивных черных дыр и увеличивается у менее массивных. Подумайте вот о чем: если бы вы «стояли» на горизонте событий, поставив правую ногу на край, а голову отведя на 1,6 метра от сингулярности, ваше тело растягивала бы сила — этот процесс называют «спагеттификацией». Если бы эта черная дыра была такой же, как в центре нашей галактики, сила растяжение составляла бы только 0,1% силы гравитации на Земле, тогда как если сама Земля превратилась бы в черную дыру, а вы на ней стояли, сила растяжения в 1020 раз превышала бы земную гравитацию.

Если эти растягивающие силы малы на краю горизонта событий, они будут не намного больше внутри горизонта событий, а значит — учитывая электромагнитные силы, которые удерживают твердые объекты в целостности — возможно, мы могли бы осуществить задуманное: окунуть объект в горизонт событий и практически сразу же вынуть. Можно ли так сделать? Чтобы понять, давайте рассмотрим, что происходит на самой границе между нейтронной звездой и черной дырой.

Представьте, что у вас есть чрезвычайно плотный шар нейтронов, но фотон на его поверхности все еще может убежать в космос и не обязательно вернуться к нейтронной звезде. Теперь давайте поместим на поверхности еще один нейрон. Внезапно ядро уже не может сопротивляться гравитационному коллапсу. Но вместо того, чтобы думать о происходящем на поверхности, давайте задумаемся о происходящем внутри, где формируется черная дыра. Представьте отдельный нейтрон, состоящий из кварков и глюонов, и представьте, как глюонам нужно переходить от одного кварка к другому в нейтроне, чтобы протекал процесс обмена сил.

Теперь один из этих кварков оказывается ближе к сингулярности в центре черной дыры, а другой дальше. Чтобы произошел обмен силами — и чтобы нейтрон был стабильным — глюон в определенный момент должен перейти от ближнего кварка к дальнему. Но это невозможно даже на скорости света (а глюоны не имеют массы). Все нулевые геодезические, или путь объекта, движущегося со скоростью света, приведут к сингулярности в центре черной дыры. Более того, они никогда не уйдут дальше от сингулярности черной дыры, чем в момент выброса. Вот почему нейтрон внутри горизонта событий черной дыры должен коллапсировать и стать частью сингулярности в центре.

Поэтому вернемся к примеру с привязью: вы взяли небольшую массу, привязали ее к судну покрупнее; судно находится за пределами горизонта событий, а масса погружена. Когда любая частица пересечет горизонт событий, она не сможет снова его покинуть — ни частица, ни даже свет. Но фотоны и глюоны остаются теми самыми частицами, которые нам нужны для обмена сил между частицами, которые находятся за пределами горизонта событий, и они тоже не могут никуда выйти.

Это не обязательно означает, что трос оборвется; скорее, сингулярность затянет весь корабль. Конечно, приливные силы при определенных условиях не разорвут вас на части, но достижение сингулярности будет неизбежным. Невероятная сила притяжения и тот факт, что у всех частиц всех масс, энергий и скоростей не будет выбора, кроме как отправиться в сингулярность, вот что будет иметь место.

Американский психолог Дэвид Розенхан в 1973 году провёл эксперимент, в ходе которого в психбольницы разных штатов приходили участники, симулировавшие слуховые галлюцинации, и всех их госпитализировали. После этого псевдобольные вели себя адекватно и сообщали врачам о прекращении галлюцинаций, но ни одного их них не заподозрили в симуляции и заставляли принимать антипсихотические препараты, которые пациенты сливали в унитаз. Все они были в итоге выписаны с диагнозом «шизофрения в стадии ремиссии», а средний срок пребывания в лечебнице составил 19 дней. После широкой огласки результатов начался второй этап эксперимента Розенхана: он договорился с очень известной клиникой, что в течение трёх месяцев туда будут приходить псевдопациенты, но никого не отправил. В итоге 20% настоящих больных были признаны симулянтами, ещё 20% были охарактеризованы как вероятные симулянты.