В новом выпуске подкаста PowerfulJRE известный физик Брайан Грин и ведущий Джо Роган обсуждают фундаментальную природу черных дыр, развенчивая популярные мифы об их колоссальной плотности и разрушительной силе. Собеседники исследуют неожиданную связь между квантовыми вычислениями и структурой пространства-времени, а также вспоминают историю открытия гравитационных волн обсерваторией LIGO. Этот разговор позволяет взглянуть на устройство Вселенной через призму современных научных открытий, выходящих далеко за рамки классической теории относительности.
💻 Квантовые вычисления на службе астрофизики 0:00
Брайан Грин отмечает, что за последние 20 лет физики обнаружили поразительную связь между квантовыми компьютерами и черными дырами. Согласно голографическому описанию, существует теоретическая модель, в которой трехмерный мир полностью описывается процессами на окружающей его двухмерной границе. В то время как для формирования черной дыры в привычном нам трехмерном пространстве необходима гравитация, ее пограничное описание строится исключительно на законах квантовой механики.
По словам ученого, квантовые процессы на этой границе в точности имитируют коды квантовой коррекции ошибок, которые инженеры разрабатывают для современных квантовых компьютеров. Грин выдвигает интригующую гипотезу: именно квантовый код коррекции ошибок может быть той фундаментальной силой, которая удерживает само пространство-время от распада. Джо Роган предполагает, что через 50 лет квантовые вычисления станут абсолютным стандартом и радикально изменят наше понимание космоса, с чем Грин полностью соглашается.
🍊 Черная дыра из апельсина и комнатного воздуха 2:24
В общественном сознании черные дыры принято считать исключительно гигантскими объектами, однако физика говорит об обратном. Брайан Грин объясняет, что абсолютно любое тело может превратиться в черную дыру, если его сжать до определенных размеров. Опираясь на уравнения Альберта Эйнштейна, ученый приводит наглядный пример: если взять обычный апельсин и сдавить его до критически малого радиуса, он станет полноценной черной дырой. Математически этот предел описывается формулой, где радиус ($R$) должен быть меньше величины $2GM/c^2$, где $M$ — масса, $G$ — гравитационная постоянная Ньютона, а $c$ — скорость света.
Другое популярное заблуждение касается обязательной сверхвысокой плотности таких объектов. По мнению Грина, черную дыру можно создать даже из обычного воздуха, если собрать его в достаточно большом объеме. Если сфера из воздуха будет обладать колоссальными масштабами, она сколлапсирует в черную дыру, сохранив при этом изначальную плотность воздуха. Таким образом, эти объекты являются не аномальными космическими монстрами, а естественным элементом структуры реальности.
🌌 Как Стивен Хокинг «подсветил» черные дыры 4:21
Исторический парадокс заключается в том, что Альберт Эйнштейн, чьи уравнения предсказали существование черных дыр, сознательно исключил квантовую механику из общей теории относительности. Несмотря на то, что свою единственную Нобелевскую премию Эйнштейн получил за работу 1905 года о фотоэлектрическом эффекте, он никогда до конца не верил, что квантовая механика является истинным описанием мира. Ситуация изменилась в 1974 году, когда британский физик Стивен Хокинг математически объединил квантовую физику и гравитацию вблизи горизонта событий.
Хокинг доказал, что черные дыры не являются абсолютно черными. Согласно его расчетам, квантовые эффекты вблизи границы позволяют определенному количеству радиации («излучению Хокинга») просачиваться в открытый космос. Брайан Грин подчеркивает, что без учета квантовых законов сегодня невозможно продвинуться в понимании физики этих объектов.
🛰️ Сверхмассивные ядра галактик и гравитационное эхо 5:25
Данные масштабного исследования Слоуновского цифрового небесного обзора (Sloan Digital Sky Survey) указывают на то, что черные дыры находятся в центре практически каждой известной галактики.
Наиболее известными примерами таких колоссальных объектов служат:
- Сверхмассивная черная дыра Стрелец А* в центре Млечного Пути, которая весит в 4 миллиона раз больше нашего Солнца.
- Черная дыра в галактике M87, расположенная в 55 миллионах световых лет от Земли, чья масса исчисляется миллиардами солнечных масс. Ее радиотелескопический снимок, сделанный проектом Event Horizon Telescope, потряс мир несколько лет назад.
Грин признает, что в вопросах формирования галактик все еще остается много неопределенности. Согласно одной из гипотез, ранние гигантские звезды после выгорания ядерного топлива коллапсировали в черные дыры, которые затем миллиарды лет поглощали окружающий газ и вещество, разрастаясь до немыслимых размеров.
Одним из самых ярких подтверждений их реальности стала работа лазерно-интерферометрической обсерватории LIGO. Грин в деталях пересказывает захватывающую хронологию этого открытия. Около 1,4 миллиарда лет назад две черные дыры массами около 30 солнечных сошлись в смертельном танце на скорости, близкой к световой, и столкнулись, породив мощнейшую гравитационную волну. Эта «титаническая волна» искажения пространства мчалась сквозь Вселенную:
- Она миновала окраины Млечного Пути, когда до Земли оставалось 100 000 световых лет.
- Когда волне оставалось лететь 100 световых лет, Альберт Эйнштейн только садился за написание своих уравнений, предсказывающих ее существование.
- Когда до планеты оставалось всего два световых дня, инженеры на Земле включили обновленную и настроенную систему детекторов LIGO.
- Спустя двое суток волна качнула датчики в Луизиане и штате Вашингтон, обеспечив ученым первое в истории прямое доказательство существования ряби пространства-времени.
🌪️ Миф о космическом пылесосе и ничтожность человеческого масштаба 9:18
Брайан Грин решительно опровергает популярный научно-фантастический миф о том, что черные дыры работают как гигантские космические пылесосы, жадно затягивающие в себя целые планеты и звездные системы. С точки зрения гравитации, черная дыра массой с Солнце обладает абсолютно таким же притяжением, как и само Солнце. Если бы наше светило превратилось в черную дыру, Земля не упала бы в нее, а продолжила бы вращаться по той же самой орбите. Разница лишь в том, что черная дыра невероятно мала, что позволяет объектам подойти к ее центру гораздо ближе, где гравитационные силы возрастают до экстремальных значений.
В масштабах галактики эти объекты не так массивны, как кажется. Центральная черная дыра Млечного Пути составляет лишь ничтожную долю от общей массы галактики, насчитывающей около 100 миллиардов звезд.
В завершение беседы Джо Роган признается, что человеческий разум не способен физически осмыслить и интернализировать масштабы Вселенной. Брайан Грин иллюстрирует это ошеломляющим примером: если в ясную ночь поднять руку и закрыть ногтем большого пальца крошечный участок небосвода, то за этим ногтем окажется скрыто около 10 миллионов далеких галактик. При этом ученый подчеркивает, что в наблюдаемой Вселенной находится как минимум 100 миллиардов галактик, а само космическое пространство вполне может простираться бесконечно далеко.
