Почему черные дыры — это кот Шредингера

Недавно ученые открыли кое-что классное: черные дыры Шрёдингера. Да, самые страшные объекты в нашей Вселенной оказались еще более страшными. Теперь мы знаем, что они могут существовать во многих состояниях одновременно. Но что это значит? Давайте разберемся. Черные дыры — загадочные титаны нашей Вселенной. Иногда кажется, что чем больше мы узнаём о них, тем меньше знаем. Мы открыли их совсем недавно, в двадцатом веке. И с тех пор мы находим черные дыры по всей Вселенной. Их размеры колеблются от размеров небольшого города до ужасающе невообразимых. Но самой важной их особенностью, вероятно, является огромная масса. И вот тут-то мы подходим к недавнему исследованию. Ученые обнаружили, что черные дыры обладают очень необычными «квантовыми свойствами». Они выяснили, что каждая черная дыра может быть одновременно большой и маленькой, легкой и тяжелой, неживой и живой. Ну, может быть, кроме последней части — будем надеяться, что «живых» черных дыр на самом деле не существует.

Суть в том, что каждая черная дыра может находиться во всех возможных состояниях одновременно. Звучит странно, не так ли? Что же это на самом деле значит? Ну, способность «быть всем одновременно» — не новая концепция в науке. Это то, что физики называют «суперпозицией», или «состоянием неопределенности». Квантовые физики впервые обнаружили это в крошечных квантовых частицах. Они заметили странную вещь: пока мы не наблюдаем за частицей, она буквально существует во всех состояниях одновременно. И только когда мы начинаем взаимодействовать с ней — например, смотрим на нее, измеряем или просто делаем... что-то, — только тогда частица решает, в каком состоянии она должна находиться.

Вот пример. Представьте, что у вас есть мяч в коробке. Вы не знаете, как он выглядит. И дело в том, что, пока мяч находится в коробке, он всех цветов одновременно. Только когда вы достаете его, он наконец-то выбирает один цвет. Всё это происходит мгновенно, поэтому вы этого не замечаете — для вас мяч всегда был синим. Звучит пугающе, правда? И вызывает много вопросов. Например, как эти частицы понимают, что мы наблюдаем за ними? Как они решают, в каком состоянии им находиться? И как на самом деле выглядит наш мир, если мы видим только то, что нам показывают? Конечно, это открытие вызвало огромный переполох в научном сообществе. Неудивительно — оно было довольно... необычным. В начале двадцатого века так думал и физик Эрвин Шрёдингер. Идеи квантовых теорий казались ему бредовыми. Поэтому он решил бросить им вызов.

Он провел знаменитый эксперимент. Вы наверняка слышали о нем, даже если вы вообще ничего не знаете о науке. Да. Эксперимент с котом Шредингера. Итак, в чем суть эксперимента? Прежде всего у нас есть коробка и кот. В коробке находится контейнер с токсичным газом и специальный механизм. Каждый час есть пятидесятипроцентная вероятность того, что этот механизм либо откроет контейнер с газом, либо нет. Если это произойдет, то ядовитый газ будет выпущен, и бедный кот не выживет. Если этого не произойдет, кот останется жив и здоров. Не волнуйтесь, это был чисто гипотетический эксперимент. Ни один кот не пострадал! Но давайте представим, что мы все-таки заперли кота в коробке... и подождали час. Пришло время проверить результат. И вот тут мы подходим к самому интересному. Как вы думаете, чем бы закончилась эта ситуация в нашем обычном мире? Ну, в течение часа контейнер бы либо открылся, либо нет. И это был бы момент, решивший судьбу кота. После этого нам просто нужно было бы открыть крышку, чтобы узнать ответ.

Но в квантовой физике всё более странно. Согласно ей, пока мы не откроем коробку, кот внутри будет одновременно и живым, и неживым. Другими словами, сама Вселенная не знает, что делать с этим котом. Как будто бедное животное находится на грани двух миров внутри коробки. А когда вы откроете крышку, Вселенная выберет случайный результат эксперимента. Так зачем же мы проделали всё это с бедным котом? Изначально Эрвин Шрёдингер хотел показать, как глупо всё это звучит. Но затем он случайно доказал, что квантовые физики были правы. Ситуация получилась довольно забавной. Всё происходило примерно так: «Ха-ха, эти квантовые физики понятия не имеют, о чем говорят. Согласно их логике, кот в моей коробке должен быть одновременно и живым, и неживым... Стойте-стойте... О-у. Они правы».

Шредингер получил Нобелевскую премию в тысяча девятьсот тридцать третьем году, хотя и не за это открытие. А в две тысячи двадцать втором году еще трое ученых получили Нобелевскую премию за другое открытие в этой области. Этими учеными были Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер. Они получили ее за эксперименты с запутанными квантовыми состояниями. О чем это нам говорит? Видимо, теперь нам придется искать объяснения в какой-то квантово-механической магии. К сожалению, человечество пока недостаточно развито, чтобы проверить любую из этих теорий. Но у нас есть много классных предположений. Например, теория параллельных вселенных — одна из попыток объяснить этот феномен. Помните мяч в коробке? По сути, согласно теории мультивселенной, существует бесконечное количество различных реальностей. Поэтому, если вы не знаете, как выглядит мяч, он как бы существует в межпространственном, неопределенном состоянии. Но когда вы открываете коробку и смотрите на мяч, вы переноситесь в случайную реальность — например, в ту, где он синий. Звучит безумно, но всё же захватывающе.

Хорошо, но к чему нам сейчас вся эта информация? Как она связана с недавним открытием? Дело в том, что ученые подумали: если крошечные частицы в нашей Вселенной ведут себя подобным образом, то как насчет гигантских космических объектов? И они решили направить свои приборы не в микромир, а в далекий космос. Израильский физик-теоретик Яаков Бекенштейн первым предположил, что черные дыры могут обладать такими же странными свойствами. Но эту теорию необходимо было проверить. Само исследование было направлено на поиск связи между квантовыми частицами и черными дырами. Исследователи создали компьютерную структуру, в которой они поместили смоделированную квантовую частицу за пределами гигантской смоделированной черной дыры. И в итоге этот анализ подтвердил, что черные дыры могут существовать в нескольких состояниях одновременно. Например, они могут быть невероятно массивными и в то же время вообще не иметь массы. И каждые из этих загадочных космических врат могут иметь несколько масс одновременно.

«Моделирование показало, что эти массы на самом деле находились в определенных диапазонах или соотношениях — как и предсказывал Бекенштейн», — сказала физик Магдалена Зых, ссылаясь на исследование. Пока еще не совсем ясно, что это значит. И само по себе открытие не приблизило нас к пониманию того, как устроена наша Вселенная или что происходит внутри черных дыр. Мы поняли только одно: всё вокруг нас гораздо сложнее, чем мы думаем. Кто знает? Может быть, черные дыры — это порталы между параллельными вселенными? На данном этапе опровергнуть это невозможно! В общем, Вселенная в очередной раз показала нам, что она более странная, загадочная и увлекательная, чем мы могли себе представить. Будем надеяться, что в будущем мы сможем понять хотя бы часть того, что в ней происходит.