# Как гравитация вырывается из черной дыры: объяснения ОТО и квантовой физики Источник: https://www.youtube.com/watch?v=cDQZXvplXKA Канал: PBS Space Time Опубликовано: 27.01.2022 --- Черные дыры традиционно считаются абсолютными космическими ловушками, гравитация которых настолько сильна, что даже свет не способен преодолеть их границы. Однако этот неоспоримый научный факт порождает парадокс: если сама гравитация распространяется со скоростью света, каким образом черная дыра умудряется сообщать о своем присутствии внешней Вселенной и притягивать объекты? В данном материале на основе выпуска канала PBS Space Time подробно разбираются как классические объяснения общей теории относительности Альберта Эйнштейна, так и передовые гипотезы квантовой физики, разрешающие это фундаментальное противоречие. ## 🌌 Парадокс скорости гравитации и черных дыр [[JUMP:0:00]] В современной физике существуют два твердо установленных факта: вся масса черной дыры сосредоточена в сингулярности в самом ее центре [0:00], а любая сингулярность окружена горизонтом событий, выйти за пределы которого невозможно без превышения скорости света [0:13]. В то же время специальная теория относительности Альберта Эйнштейна утверждает, что скорость света ($c$) представляет собой абсолютный предел скорости передачи любой причинно-следственной информации во Вселенной [1:31]. Экспериментальные наблюдения подтверждают этот предел. Например, при слиянии нейтронных звезд порожденные ими гравитационные волны (колебания ткани пространства-времени) достигают детекторов практически одновременно с электромагнитным излучением (светом) от последовавшего взрыва [2:10]. Чтобы наглядно представить работу этого ограничения, автор канала предлагает мысленный эксперимент: * Если бы Солнце мгновенно исчезло из центра нашей системы, Земля продолжала бы двигаться по своей обычной орбите еще в течение 8 минут [2:38]. * Только по истечении этого времени Земля погрузилась бы в полную темноту, а гравитационное возмущение достигло бы планеты, позволив ей сойти с орбиты [2:38]. * Это время требуется для того, чтобы «вмятина» в пространстве-времени, создаваемая Солнцем, разгладилась, и эта волна дошла до Земли [2:51]. Этот пример обнажает суть проблемы: если гравитационные изменения распространяются со скоростью света, а источник массы скрыт за горизонтом событий черной дыры, то как гравитационное поле «выбирается» наружу, чтобы притягивать соседние звезды и планеты? [3:05]. ## 🌀 Решение Эйнштейна: пространство как резиновый лист и течение реки [[JUMP:03:19]] С точки зрения классической общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, этот парадокс разрешается довольно просто: гравитационному полю черной дыры вообще нет дела до горизонта событий [03:19]. В ОТО гравитация — это не традиционная сила, действующая на расстоянии, а геометрическое искривление пространства-времени, которое обладает собственным независимым существованием [03:31]. Когда Земля вращается вокруг Солнца, она взаимодействует не напрямую с физическим телом звезды, а с локальным участком искривленного пространства в своей собственной точке нахождения [03:43]. Точно так же пространство вокруг черной дыры «не нуждается» в постоянных сигналах от центральной сингулярности; ему достаточно взаимодействовать с соседними участками пространства. Для объяснения этого механизма автор канала использует две классические аналогии: 1. **Растянутый резиновый лист.** Если положить тяжелый шар на натянутую резину, она прогнется. Каждый отдельный участок резинового листа не «знает» о существовании шара в центре — он просто натягивается под воздействием соседнего, прилегающего к нему участка резины [04:11]. 2. **Река, текущая к водопаду.** Пространство можно представить как поток воды, ускоряющийся по мере приближения к обрыву [04:49]. Точка, где скорость течения превышает максимальную скорость плавания любой рыбы — это аналог горизонта событий [05:01]. Рыба, пересекшая эту черту, неизбежно упадет вниз. Однако сама вода на границе обрыва движется вперед не потому, что ее притягивает дно водопада, а потому, что ее увлекает за собой поток, находящийся чуть впереди [05:15]. Таким образом, в рамках общей теории относительности гравитационное поле черной дыры существует снаружи просто потому, что оно уже там находится, последовательно передавая искривление от одной области пространства к другой. ## ⚛️ Квантовая гравитация и виртуальные гравитоны [[JUMP:05:41]] Несмотря на элегантность уравнений Эйнштейна, физики сходятся во мнении, что ОТО не является окончательной истиной. Она теряет применимость на планковских масштабах и в экстремальных гравитационных полях — например, в самой сингулярности [05:53]. По мнению многих исследователей, для полноценного описания черных дыр требуется квантовая теория гравитации. В квантовой теории поля (КТП) фундаментальные взаимодействия осуществляются не за счет геометрии, а путем обмена особыми частицами-переносчиками [06:18]. Например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами происходит через обмен виртуальными фотонами — временными возбуждениями электромагнитного поля [06:18]. В квантовой гравитации роль такого переносчика должен выполнять гипотетический гравитон [06:30]. На первый взгляд, квантовый подход только усложняет парадокс: если гравитация переносится частицами (гравитонами), то как они могут покинуть черную дыру, не нарушая запрет на сверхсветовое движение? Ведущий канала объясняет, что в квантовой теории поля этот запрет обходится благодаря природе виртуальных частиц: * Виртуальные частицы не являются локализованными объектами, которые физически перемещаются из точки А в точку Б по определенной траектории [06:56]. * При взаимодействии двух электронов виртуальный фотон возникает сразу во всей области пространства, занимаемой обоими зарядами, создавая силу отталкивания [07:24]. * Если гравитация действительно переносится виртуальными гравитонами, им нет необходимости зарождаться в точке сингулярности и лететь сквозь горизонт событий — внешнее пространство вокруг черной дыры уже заполнено ими по умолчанию [07:50]. * Кроме того, законы квантовой механики не запрещают виртуальным частицам двигаться со сверхсветовой скоростью [08:03]. Ограничение скорости света ($c$) возникает лишь статистически для переноса реальной информации [08:16]. Передать сигнал SOS изнутри черной дыры с помощью виртуальных гравитонов все равно невозможно [08:29]. ## ⏳ Прошлое влияние: почему мы видим «застывшую» массу [[JUMP:08:42]] Третий аргумент, объясняющий стабильность гравитации черной дыры, справедлив как для классической теории Эйнштейна, так и для квантовой физики. Он связан с тем, какую именно массу мы притягиваем. По законам относительности, внешний наблюдатель физически не может взаимодействовать с объектом в его «настоящем» времени — мы всегда видим объекты в их прошлом [09:08]. Когда массивная звезда коллапсирует, превращаясь в черную дыру, с точки зрения далекого наблюдателя ее падение замедляется из-за релятивистского замедления времени [09:33]. Звезда визуально «застывает» прямо на границе формирующегося горизонта событий, а ее излучение тускнеет и смещается в красную область спектра [09:45]. Следовательно, внешняя Вселенная испытывает гравитационное притяжение не от сингулярности в текущий момент времени, а от «прошлой» массы звезды, которая для нас навечно застыла на горизонте событий [09:21]. По словам автора видео, наблюдатель сохраняет устойчивую причинно-следственную связь с материей, сформировавшей черную дыру [10:10]. Этот же феномен объясняет, почему черная дыра может обладать электрическим зарядом: * При поглощении электрического заряда черной дырой ее внешнее электромагнитное поле усиливается [10:37]. * Внешний наблюдатель взаимодействует с электрическим зарядом, который с его точки зрения навсегда застыл на горизонте событий, продолжая воздействовать на окружение [10:51]. * Сама концепция массы в ОТО определена не локально, а интегрально: чтобы корректно рассчитать массу черной дыры, физикам приходится суммировать вклад энергии гравитационного поля вплоть до бесконечного удаления от нее [11:41]. В этом смысле масса черной дыры распределена по всему пространству, и ей не нужно никуда «вырываться» [11:54]. ## 💬 Ответы на вопросы зрителей: симуляции и галактические столкновения [[JUMP:12:22]] В традиционном интерактивном блоке в конце видео Мэтт отвечает на вопросы подписчиков Patreon и зрителей канала, комментируя темы прошлых выпусков о компьютерном моделировании Вселенной. ### Поправка о мощности компьютеров программы «Аполлон» Зритель с ником *mercurius 314* указал авторам канала на серьезную ошибку в расчетах [14:52]. В одном из прошлых эпизодов утверждалось, что громоздкие компьютеры эпохи лунной программы обладали вычислительной мощностью современного смартфона. Мэтт признает ошибку и приводит точные цифры: бортовой компьютер IBM 7090, рассчитывавший траектории полета «Аполлонов», обладал производительностью около 100 килофлопс [15:04]. Графический чип (GPU) любого современного смартфона выдает производительность в диапазоне от сотен гигафлопс до нескольких терафлопс [15:16]. Таким образом, авторы ошиблись на пять порядков (в 100 000 раз), за что Мэтт приносит свои извинения, пообещав строже проверять математику [15:29]. ### Столкновение Млечного Пути и Андромеды в расширяющейся Вселенной Зритель Роберт Херд спросил, как возможно неизбежное столкновение Млечного Пути с соседней галактикой Андромеды, если, согласно закону Хаббла, Вселенная расширяется и все галактики разлетаются друг от друга [15:42]. Ведущий поясняет, что космологическое расширение доминирует только на колоссальных межгалактических расстояниях [16:09]. На относительно малых дистанциях локальное гравитационное притяжение легко преодолевает расширение пространства. Мэтт приводит аналогию с магнитами на растягивающемся резиновом листе: если магниты находятся далеко друг от друга, они будут удаляться вместе с растяжением резины; однако близко расположенные магниты все равно притянутся и соединятся, проигнорировав натяжение листа [16:23]. Компьютерные симуляции, учитывающие все возможные погрешности в траекториях обеих галактик, неизменно показывают, что Млечный Путь и Андромеда столкнутся примерно через 4 миллиарда лет [17:04].