энтропия Барроу

Костёр, который гаснет не сразу, а тлеет часами, потому что дрова внутри ещё хранят жар прошлого пламени. Примерно так работает эффект памяти у чёрных дыр — объектов с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может их покинуть.

Когда воздушный шарик надувают слишком быстро, его стенки начинают дрожать. Примерно то же самое происходило с пространством в первые мгновения после Большого взрыва: Вселенная раздувалась стремительно, и сама её ткань пошла рябью.

Квантовая теория поля — это язык, на котором физики описывают элементарные частицы и их взаимодействия. Авторы работы решили немного «подправить» этот язык — ввели деформации, то есть небольшие изменения правил игры.

Водоворот заглатывает воду, но большую её часть разбрызгивает вокруг. Примерно так ведёт себя чёрная дыра — область пространства-времени с гравитацией столь мощной, что даже свет не может её покинуть, — когда на неё падает слишком много вещества.

Камень падает в спокойную воду — по поверхности расходятся круги. Похоже ведёт себя чёрная дыра, когда в неё что-то падает или она сливается с другой. Дыра начинает колебаться, и эти колебания уходят в пространство гравитационными волнами. Астрофизики называют этот процесс «звоном» чёрной дыры.

Чёрная дыра, сидящая на тонкой вселенской мембране (бране), напоминает тяжёлый шар, натянувший эластичную плёнку. В классической физике она лысая — только масса, заряд и вращение. Но стоит добавить скалярное поле (невидимую субстанцию вроде температуры) — и дыра может самопроизвольно обрасти «мехом» из этого поля. Это и есть спонтанная скаляризация.

Вода превращается в лёд при нуле градусов — резко, без промежуточных состояний. Нечто похожее происходит со сложностью, когда мы берём случайное квантовое состояние целой системы и смотрим только на её часть. Пока эта часть занимает меньше половины системы, её сложность растёт плавно. Но как только доля переваливает за 50%, происходит скачок.

Световой луч, скользящий вдоль горизонта чёрной дыры, не просто движется — он несёт с собой тепло и информацию. Физики давно подозревали, что геометрия таких лучей подчиняется строгим правилам, но детали оставались размытыми. Новая работа превращает эти правила в чёткое неравенство.

В центре большинства галактик прячутся сверхмассивные чёрные дыры — властелины гравитации. С 2019 года, благодаря интерферометрии со сверхдлинными базами, мы видим их тени: тёмные силуэты на фоне сияющего газа. Но что именно рисует эту тень? Два сценария, как две куклы в театре теней, могут отбросить почти неотличимые очертания.

Долгое время в космологии царило убеждение, идущее от Хокинга: в радиационную эпоху первичные чёрные дыры не растут.

Бескрайний океан, где каждая волна несёт информацию о том, что происходит в глубине. Примерно так устроена наша Вселенная в рамках голографического принципа: физика внутри объёма может быть описана через процессы на его границе.

Выделить сигнал от одной пары сверхмассивных чёрных дыр — всё равно что расслышать шаги танцора в грохоте урагана. Где-то в космосе эти монстры кружатся в медленном гравитационном танго, искажая само пространство-время. Их гравитационные волны — не резкие всплески, как у LIGO, а глубинное дыхание метрики, растянутое на годы.

Традиционно чёрная дыра описывалась тремя параметрами — массой, зарядом и угловым моментом. Это лаконичное описание, доведённое до афоризма Джоном Уилером: «Чёрные дыры не имеют волос».

Поиск неабелевых энионов — это охота за квантовым призраком, который оставляет только одну улику: энтропию. Эти частицы обитают в двумерных системах при сверхнизких температурах. Их обмен не просто меняет знак волновой функции, а запутывает состояния, создавая топологический порядок.

После Большого взрыва Вселенная пережила стремительное расширение — инфляцию, разгладившую реликтовое излучение и посеявшую зачатки галактик. Но на квантовом уровне в поле инфлатона зрели хаотичные флуктуации.

В центре галактики M87, в 55 миллионах световых лет от нас, притаилась чёрная дыра массой как 6,5 миллиардов Солнц. В 2019 году телескоп Event Horizon Telescope (EHT) впервые показал её портрет: оранжевый бублик с тёмной сердцевиной. Но бублик — не сама бездна. Это светящийся газ, разогретый до миллиардов градусов, который кружится перед тем, как исчезнуть навсегда.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была наполнена горячей, почти однородной плазмой. Но в некоторых местах плотность могла случайно оказаться чуть выше. Если такой сгусток набирал критическую массу, он схлопывался в чёрную дыру — так рождались первичные чёрные дыры.

В поисках природы тёмной материи одна из самых интригующих гипотез уходит корнями в первые мгновения после Большого взрыва. Тогда из квантовых флуктуаций инфляционного поля рождались сгустки вещества, способные сколлапсировать в первичные чёрные дыры.

Сверхмассивная чёрная дыра плывёт в облаке тёмной материи. В привычной картине эта невидимая субстанция просто добавляет массу и почти не трогает обычное вещество. Но частицы тёмной материи могут обладать собственным вращением — спином.

Чёрная дыра — не просто космический пылесос. Это область с такой сильной гравитацией, что даже свет не может её покинуть. Но если поместить её в идеальную жидкость из тёмной материи и добавить облако струн — тонких, натянутых во всём пространстве нитей, — картина усложняется.

Чёрная дыра похожа на волчок: чем быстрее она крутится, тем заметнее её поведение. У неё есть два рубежа — внешний и внутренний горизонты, границы, из-за которых не возвращается даже свет. В новой работе физики заглянули внутрь вращающейся заряженной дыры и перемножили площади этих двух поверхностей.

Костёр прогорает не сразу. Если бросить взгляд на пламя в случайный миг, видно лишь мешанину огненных языков — и никогда не понять, что именно сгорело: мокрая ветка, старый журнал или охапка сухой травы. Но стоит наблюдать за костром час за часом, в его пляске проступают ритмы: всплеск жара, затишье, смена цвета. Эти ритмы рассказывают о том, что было брошено в огонь.

Стая крошечных ледяных шариков разбросана в тёплой комнате. Одни тают быстрее, другие — медленнее, но когда от них остаются лишь мокрые пятнышки, все они исчезают одинаково: последняя капля испаряется по одному и тому же закону. Примерно так ведут себя первичные чёрные дыры — гипотетические объекты, родившиеся в первые мгновения после Большого взрыва.

Чёрные дыры теряют массу подобно тому, как вода испаряется из ведра, оставленного на солнце, — этот процесс, известный как излучение Хокинга, был теоретически предсказан Стивеном Хокингом.

Пространство-время подобно гигантскому листу бумаги. Сложите его — и далёкие уголки окажутся рядом. Проколите карандашом — получится кротовая нора, короткий туннель сквозь складки. Но бумага стремится распрямиться, захлопывая проход. Чтобы удержать его открытым, нужна редкая «прокладка» — материя с отрицательной энергией.

Свет, падающий в чёрную дыру, несёт информацию — например, каким путём шёл фотон. Горизонт (поверхность, из-под которой ничто не возвращается) реагирует на это изменением своей энтропии — меры неупорядоченности, похожей на число перемешанных страниц в книге.

Гравитация не фундаментальна — это тень, отбрасываемая энтропией, мерой беспорядка. Ещё в 1970-х Якоб Бекенштейн и Стивен Хокинг обнаружили: чёрные дыры хранят беспорядок на своей поверхности — энтропия пропорциональна площади горизонта…

Кусочек сахара весит около грамма. А чёрная дыра, способная спрятаться в таком кусочке, весила бы как небольшая гора — миллиарды тонн. Но даже такие малютки, рождённые в первые мгновения после Большого взрыва, по идее давно исчезли. Их сжигало собственное излучение — словно кубик льда на раскалённой сковороде, только вместо воды улетала энергия.

Крошечная чёрная дыра размером с атомное ядро, но массой с гору возникла в первые мгновения после Большого взрыва, когда случайные сгустки энергии схлопывались в такие объекты.

Гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанная Эйнштейном, — обнажили бездну: чёрные дыры с массами между 60 и 120 масс Солнца почти не рождаются.

Чёрная дыра — не застывший шар. Она скорее похожа на мыльный пузырь, стенки которого могут расширяться и сжиматься. У неё даже есть два слоя: внешний горизонт, за который свет уже не возвращается, и внутренний, спрятанный глубже. Когда дыра поглощает вещество или теряет энергию, оба слоя смещаются — как плёнка пузыря, меняющего размер.

Сразу после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное расширение — космологическую инфляцию.

В первую секунду после Большого взрыва Вселенная представляла собой кипящий котёл энергии. Пары «частица–античастица» непрерывно рождались и мгновенно аннигилировали. Однако на каждый миллиард таких пар одна частица вещества выживала — и этот ничтожный остаток стал впоследствии звёздами, планетами и, в конечном счёте, нами.

Камень падает в пруд — и по воде расходятся круги. Так и чёрная дыра, покоясь в пустоте, может встретить гравитационную волну или облако газа. Она не остаётся безучастной: её поверхность (горизонт событий) слегка прогибается, словно натянутая плёнка под весом капли.

Воздушный шар надувают всё быстрее и быстрее. Сначала он растягивается плавно, но в какой-то момент насос даёт сбой — скорость падает, а потом снова нарастает. За эту короткую передышку на резине успевают проступить крошечные пузырьки. При дальнейшем раздуве они превращаются в плотные узелки. Нечто похожее происходило с самой Вселенной сразу после Большого взрыва.

Слияние двух чёрных дыр похоже на танец, который заканчивается мощным всплеском — гравитационной волной. Эта волна несёт в себе отпечаток того, как искривлено пространство-время вокруг объектов.

Вода, расщеплённая электричеством на водород и кислород, — давняя мечта о чистом топливе. Но на пути встают крошечные пузырьки газа: они облепляют электроды, как пена на стенках стакана с газировкой, и мешают току делать свою работу. Каждый такой пузырёк — это крошечная пробка, блокирующая часть поверхности, где должна идти реакция.

Некоторые чёрные дыры — это реликты Большого взрыва. Обычно они испаряются за счёт медленной утечки излучения, предсказанной Стивеном Хокингом (излучение Хокинга).

Классические чёрные дыры — области пространства-времени с гравитацией настолько мощной, что даже свет не может их покинуть, — согласно общей теории относительности скрывают в своём центре сингулярность: точку бесконечной плотности и кривизны, где известные законы физики теряют смысл.

Первичные чёрные дыры — гипотетические объекты, возникшие в первые мгновения после Большого взрыва из коллапса сверхплотных флуктуаций — по классическому предсказанию Стивена Хокинга должны были давно исчезнуть: полностью испариться за счёт квантового излучения, подобно лужице воды, исчезающей под солнечными лучами.