Голографический принцип. Часть 2.

Часть 1: https://telegra.ph/Golograficheskij-princip-Nachalo-03-31

Принцип дополнительности в применении к черным дырам.

Открытие черных дыр (теоретическое, как астрономические объекты они были обнаружены позже) взбудоражило мир теоретической физики. Дело в том, что черные дыры являются уникальными мысленными лабораториями, в которых физические теории могут быть исследованы на прочность в экстремальных условиях. Именно вблизи черных дыр сталкиваются две наиболее фундаментальные теории современной физики - квантовая механика и теория относительности, которые иначе почти никак и нигде не пересекаются. Напомним, что именно объединение этих двух совершенно разных и местами проитворечащих друг другу теорий является влажной мечтой почти всех теоретиков и важным этапом на пути к построению "теории всего".

В теории относительности течение физических процессов определяется положением и движением объекта и наблюдателя друг относительно друга. Если смотреть на быстро движущийся космический корабль с Земли (его скорость при этом должна быть сравнима со скоростью света, иначе релятивистские эффекты будут крайне малы), мы увидим, что время на борту корабля движется медленнее, а сам корабль испытывает сокращение в направлении движения. При этом, космонавт, находящийся в корабле, не заметит ничего необычного - его часы будут идти так же, как и шли, и жилое пространство останется прежним. Эти взрывающие мозг эффекты уже не являются теоретической игрой, они многократно подтверждены экспериментально и активно используются в технике. Например, релятивистские поправки применяются для коррекции сигнала, поступающего со спутников GPS.

Подобные явления рассматриваются как искажение пространства-времени, единого континуума, объединяющего три привычные нам размерности пространства со временем. Происходят подобные искажения не только при быстром движении, но и вблизи тяжелых объектов (вспоминаем эпизод из фильма "Интерстеллар" с "очень медленной" планетой). Например, время на Земле течет совсем чуть-чуть медленнее, чем время в космосе. Различие это крайне мало, потому что Земля очень лёгкий объект по космическим меркам. Другое дело черные дыры.

Отступление: Для наших маленьких любителей физики, совсем не знакомых с черными дырами, кратко поясним, что они из себя представляют. Любые тела, обладающие массой, притягиваются друг к другу, и чтобы развести их, необходимо сообщить им скорость. Например, чтобы космическая ракета могла улететь от Земли, её нужно разогнать примерно до 12 км в секунду, иначе она рано или поздно упадёт обратно, будучи не в состоянии покинуть гравитационный колодец нашей планеты. Чем выше масса объекта, тем тяжелее от него улететь. Черные дыры же обладают настолько большой силой притяжения, что даже свет, самое быстрое, что есть в мире, не способен их покинуть. А это значит, что их неспособно покинуть вообще ничто. При этом, существует определённая граница, называемая сферой Шварцшильда или горизонтом событий, при пересечении которой обратной дороги уже нет. Ни при каких обстоятельствах.

Рассмотрим, что происходит с объектом, для простоты положим, что это электрон, при падении в черную дыру. И рассмотрим, как этот процесс протекает с точки зрения самого электрона и с точки зрения неподвижного наблюдателя, находящегося далеко. Также для простоты предположим, что черная дыра о-о-очень большая, чтобы пренебречь приливными эффектами (маленькие черные дыры разорвут приливными силами что угодно задолго до пересечения горизонта событий).

Ситуация 1. Мы падаем в черную дыру вместе электроном. Что же мы увидим? На самом деле, эта ситуация тривиальна, потому что это путешествие будет самым скучным в нашей жизни. Мы будем постепенно приближаться к горизонту событий, пересечем его, и.... продолжим двигаться дальше. Дело в том, что горизонт событий не является физической поверхностью (но только для свободно падающего наблюдателя!). Там нет стены, и законы физики не прекращают действовать. Да, обратно мы уже не вернёмся, но во всём остальном горизонт совершенно ничем не будет отличаться от остального пространства. Мы никак его не почувствуем.

Ситуация 2. Мы наблюдаем за падением электрона, неподвижно паря вдалеке от горизонта. В этом случае нас ожидает более интересное зрелище. Мы увидим весь спектр релятивистских эффектов, действующих на частицу. По мере приближения к горизонту её часы будут идти всё медленнее и застынут навечно на самой границе. Всё верно, снаружи мы никогда не увидим, как объект пересекает горизонт. Не увидим мы этого ещё и потому, что излучение от электрона будет становиться всё более длинноволновым (пытаясь сбежать от черной дыры, свет будет терять энергию, что выражается в понижении его частоты) до тех пор, пока мы более не сможем его воспринимать. Но и это ещё не всё. Дело в том, что по сегодняшним представлениям горизонт событий (только для стороннего неподвижного наблюдателя!) должен быть невероятно горячим.

Отступление для более искушенных читателей: Эта горячая поверхность называется "растянутым горизонтом" черной дыры. Объяснение, откуда она берётся, мы оставим за рамками данного обсуждения. Эта поверхность рассматривается в качестве физической мембраны (видимой только для покоящегося наружного наблюдателя), простирающейся над самой границей реального горизонта и обладающей всеми присущими обычным веществам свойствами - зарядом, температурой, энтропией и т.д. Несколько статей по теме - тыц, тыц, тыц.

Итак, подходя к этому нагретому слою, электрон испытает его влияние в полной мере. Это будет сродни броуновскому движению - электрон будет швырять из сторону в сторону (более научным языком - он будет рассеиваться) при взаимодействии с этими горячими частицами.

Итог. Что же мы имеем? Совершенно спокойное пересечение горизонта в первом случае, и весь спектр искажений, включая сильное рассеивание на горячем излучении, и застывание на самом горизонте во втором. Но как это возможно? Как эти взаимоисключающие вещи могут происходить с одной и той же частицей? И, самое главное, что же происходит с информацией, которой обладают частицы?

Об информации и её значении в физике мы ещё поговорим в дальнейшем, она играет решающую роль в формулировке голографического принципа

Физики, недолго думая, сказали, что это принцип дополнительности (смотри часть 1). Что это просто очередной парадокс природы, такой же, как корпускулярно-волновая природа света. Неужели мы правда не способны отыскать лучшего объяснения? Будем разбираться дальше...