Астрономы и астрофизики не только ищут подтверждения теории относительности и изучают вулканы на спутниках Юпитера. Они еще и выясняют то, что произойдет с прыгнувшим в черную дыру человеком.
Очевидно, пишет Nature News, он умрет. Вопрос только в том, как именно и насколько быстро. Ранее было принято думать, что в определенный момент разница в действующих на разные части тела силах тяжести достигнет критической величины и разорвет человека на части (вспомним формулу закона всемирного тяготения — сила равна произведению масс, поделенную на квадрат расстояния; ноги могут быть ближе к черной дыре, чем голова, отсюда и разница в (Mчерной дыры x mастронавта)/r2). Далее на сверхплотное ядро где-то под горизонтом событий падают разорванные вплоть до атомов останки и на этом все заканчивается — горизонтом событий называют сферу, за пределы которой не выходит даже свет.
Но новые рассчеты, проведенные Джозефом Польчински из Института теоретической физики Кавли в Санта-Барбаре (той самой, знакомой по старому телесериалу!) говорят в пользу иного сценария. Еще до того, как гравитационные силы станут слишком велики, падающий в черную дыру человек сгорит в порожденном квантовыми эффектами огненном шторме. То есть в потоке частиц, порожденных квантовыми эффектами вблизи горизонта событий.
В принципе, о том вблизи черной дыры может возникать излучение, физики знали давно. Излучение, предсказанное знаменитым астрофизиком Стивеном Хокингом и названное его именем, возникает за счет рождения в вакууме пар частиц. Подобный эффект может иметь место где угодно, однако частицы всегда рождаются парами из частицы и античастицы, которые затем аннигилируют друг с другом, после чего мы ничего не видим и не замечаем: итоговый баланс равен нулю в обычном пространстве. Но не рядом с горизонтом событий, который может поглотить одну из этих частиц и оставить другую без своего антипода. В этом случае аннигиляция невозможна, так что если энергия этой новорожденного частицы достаточно велика, то она уходит в сторону от черной дыры.
Но расчеты Хокинга и других теоретиков также говорили в пользу того, что черная дыра мало-мальски значительной массы (то есть в несколько масс Солнца, именно такие возникают при гибели звезд) дает слишком слабое излучение, которое вряд ли причинит вред гипотетическому самоубийце. Новая статья, представленная Польчински и его коллегами, произвела в 2012 году фурор среди профессионального сообщества потому, что в ней утверждалось иное — вокруг черной дыры может бушевать настоящая квантовая буря. Мы не будем сейчас вдаваться в детали и рассказывать подробно про то, как физики пришли к этому заключению, а скажем самое важное: почему это исследование вовсе не досужие размышления ученых на темы вроде «что будет, если…» (с описанием какой-нибудь невозможной ситуации).
Дело в том, что у ученых сейчас нет квантовой теории гравитации. Гравитационные поля описываются общей теорией относительности (ей уже скоро исполнится сто лет и ее многократно проверили, про одну из проверок мы писали буквально сегодня утром), микромир описывается квантовой механикой (а ее доказательство — прямо перед вами, компьютеров бы без квантовой механики просто не было), однако в квантовой механике нет ничего про гравитацию, а в ОТО нет ничего про квантовые эффекты. И сделать единую теорию гравитационного и всех прочих полей — это самая главная задача современной науки.
Квантовые процессы вблизи черных дыр, таким образом, оказываются идеальным предметом для изучения. Тут и квантовые эффекты, и гравитация; неудивительно, что черные дыры активно исследуют как астрофизики (российский радиотелескоп «Радиоастрон», он же «Спектр-Р» числит черные дыры в центре галактик как первоочередную цель), так и теоретики. Вопрос о том, что произойдет с астронавтом-самоубийцей таким образом отчасти аналогичен вопросу про кота Шредингера — понятно, что никто не сажал котов в ящики с квантовыми детекторами и ампулами синильной кислоты, но этот мысленный эксперимент по праву занял важное место в квантовой теории.
Предупреждение: не пытайтесь повторить это сами
Читателям из Роспотребнадзора: мы призываем всех остальных соблюдать крайнюю осторожность в обращении с черными дырами и, в особенности, с активными ядрами галактик! Прыгать в джеты и лезть в эргосферу не стоит!