«Теорема о лысой черной дыре» Джона Уилера

Лапутяне находятся в вечной тревоге и ни одной минуты не наслаждаются душевным спокойствием… Страхи их вызываются различными изменениями, которые, по их мнению, происходят в небесных телах… Лапутяне боятся, что Солнце, изливая ежедневно свои лучи без всякого возмещения этой потери, в конце концов целиком сгорит и уничтожится, что необходимо повлечет за собой разрушение Земли и всех планет, получающих от него свой свет.

Джонатан Свифт. Путешествия Гулливера

Американский физик Джон Арчибальд Уилер известен тем, что, объясняя основные свойства гравитации, изобрел ставшую знаменитой терминологию и создал запоминающиеся иллюстрации.

Черные дыры уже стали частью современной культуры, а также современной астрономии. О них рассказывают в кино и на физических лекциях в университетах. Черная дыра воспринимается как огромная ловушка, расставленная в небе. Она образуется всякий раз, когда достаточно большое количество массы скапливается в достаточно малой области. При достижении критической массы вокруг тела, ставшего черной дырой, формируется поверхность невозврата. Она называется горизонтом событий черной дыры. Если пересечь такой горизонт на пути к центру дыры, не будет слышно никакого звука и вообще не произойдет ничего такого, что могло бы показать вам, что вы пересекли такую черту. Только попытавшись развернуться и двинуться в обратном направлении, вы заметите, что происходит нечто странное. Вам никак не удастся вернуться обратно за горизонт событий. Вы попали в ловушку в пространстве и времени. Постепенно вы неизбежно будете двигаться к центру черной дыры, где приливообразующие силы в итоге разорвут на куски вас и ваш космический корабль. Сначала вы вообще можете не заметить ничего необычного. Очень большие черные дыры, находящиеся в центрах многих галактик, по массе в миллиарды раз превышают наше Солнце, а по плотности – более разрежены, чем воздух.

Краткий экскурс в некоторые знаменитые иллюстрации Джона Арчибальда Уилера:

1. исчезновение доступной информации за горизонтом черных дыр;
2. самонаблюдаемая Вселенная как квантовый парадокс;
3. идущая вверх лестница, метафорически представляющая углубление понимания нами законов природы;
4. наблюдатель, который в квантовой реальности также является наблюдаемым

Однажды мы можем пройти через горизонт событий такой колоссальной черной дыры и ничего не заметить. Все вокруг, вероятно, совсем бы не изменилось. Наоборот, для очевидцев, которые наблюдали бы происходящее, находясь далеко за горизонтом событий, все казалось бы очень странным. Пока попавший в дыру корабль продолжал бы падать к горизонту событий, мы по-прежнему могли бы получать от него сигналы и видеть корабль в телескоп. Но цвет корабля становился бы все более красным, по мере того как он тратил бы все больше энергии, чтобы преодолеть усиливающееся притяжение и выбраться из гравитационного поля. Наконец мы получили бы от корабля последний фотон и последний радиосигнал. Корабль пересек бы горизонт событий черной дыры. После этого для астрономов, наблюдающих драму издалека, все бы сильно упростилось. Они бы могли определить всего три характеристики черной дыры: ее общую массу, общий электрический заряд и полное вращение (в частности, угловой момент). Материя, находящаяся внутри, может обладать еще бесчисленным множеством свойств. Черная дыра может состоять из материи или антиматерии, иметь белый или черный цвет, быть радиоактивной или инертной, круглой или квадратной, золотой или серебряной, но астрономы, находящиеся вне ее, уже ничего этого не узнают после того, как корабль пересечет горизонт событий. Важно понимать, что вещи, находящиеся внутри черной дыры, не теряют свойств, и если мы падаем в черную дыру, то сможем их наблюдать. Речь всего лишь о том, что эта информация будет недоступна всем, кто находится за горизонтом событий.

С точки зрения астронома, находящегося извне, черная дыра – простейший объект во Вселенной. Зная массы, электрические заряды и спины (значения углового момента) черных дыр, вы знаете всю информацию, которую можно добыть об этих объектах. Напротив, у самой обычной звезды свойств очень много, и узнать можно лишь малую толику.

На иллюстрации Уилера изображено такое растворение информации по мере того, как объекты, насыщенные различными информационными свойствами, проваливаются в черную дыру, о которой можно узнать только массу, электрический заряд и угловой момент. Три этих количественных показателя фигурируют в великих физических законах сохранения. Если Вселенная теряет информацию об этих количественных показателях при формировании черной дыры, то, видимо, существует возможность нарушения законов сохранения массы и энергии, электрического заряда и углового момента в любой части Вселенной, где есть черные дыры.

Одна из величайших нерешенных проблем современной физики, так называемый информационный парадокс, заключается в определении того, что происходит с информационной составляющей той материи, которая попадает в черную дыру. Может быть, она исчезает из Вселенной и попадает в сингулярность в центре черной дыры? выходит ли она из черной дыры в процессе квантового испарения, который Стивен Хокинг открыл в 1974 году? Или, быть может, случается что-то еще более экзотическое?

Уилер сформулировал это свойство черных дыр в своем фирменном афористичном стиле: «Черные дыры безволосы». Теорему о том, что черная дыра может иметь только три описанных выше свойства, обычно называют «теорема о лысой черной дыре». Черные дыры с одинаковой массой, электрическим зарядом и угловым моментом лишены каких-либо других дифференцирующих признаков («волос»). Если у двух черных дыр значения трех этих свойств равны, то две дыры неразличимы. В 1980-е годы в городке Беркли, где находится кампус Калифорнийского университета, как-то раз появился предприимчивый уличный торговец, продававший земельные участки на Луне (покупатель получал соответствующее свидетельство о праве собственности), а также предлагавший черные дыры. Его черные дыры были самыми простыми: у них не было ни спина, ни заряда – только масса. Похоже, у всех продававшихся черных дыр была одинаковая масса, и я все спрашивал этого дельца: как же мне узнать, которая из черных дыр – моя?