Портрет далеких черных дыр размыла квантовая пена

Теоретики очень любят квантовую механику. Это невероятно логичная, изящная и кристально ясная конструкция. И при этом она буквально набита идеями, до которых пока еще никто не додумался. Есть о чем задуматься и есть чем любоваться.

У экспериментаторов же квантовая теория вызывает смешанные чувства. С одной стороны, конечно, она породила всевозможные лазеры, транзисторы, изощренные измерительные методики. Но, с другой стороны, стало невозможно применять привычную интуицию, предсказывать исход большинства экспериментов. А главное – везде и во всем появились всевозможные флуктуации. В небольших масштабах быстро, случайно и нерегулярно меняется абсолютно все. Впрочем, это касается лишь масштабов микромира: ждать положительной флуктуации денег у вас в кармане пришлось бы слишком долго.

Квантовая пена

Вместе с тем, если относиться к квантовым флуктуациям всерьез, то на очень маленьких масштабах им должно быть подвержено даже само пространство-время. На очень короткие промежутки времени в очень небольших областях пространства может самопроизвольно появляться энергия, достаточная для превращения этого кусочка пространства в черную дыру.

Собственно, случиться такой казус может в любой области пространства – хоть в той самой комнате, где вы сейчас сидите. Однако частота таких флуктуаций очень быстро убывает с количеством нужной для этого энергии. Например, чтобы образовалась черная дыра размером с комнату, нужно, чтобы из ничего появилась энергия, эквивалентная нескольким сотням масс Земли. Ждать этого придется куда дольше, чем квантового появления лишнего полтинника в кармане.

Зато на очень малых временных масштабах такое должно происходить сплошь и рядом. Так что при очень-очень-очень большом увеличении наше пространство-время должно сильно отличаться от жестких сцен развития событий в ньютоновской физике. Более того, и на податливый эластичный континуум эйнштейновской теории относительности пространство-время походить не должно. Чтобы представить его, можно вообразить некий непрерывно бурлящий котел возникающих и тут же исчезающих черных дыр. Иначе говоря – квантовую пену.

Соответствующий ей пространственно-временной масштаб носит название планковской длины и планковского времени, 10^{-33 см}и10^-43 с. Правда, как оно там все на самом деле выглядит – непонятно. Квантовую теорию гравитации пока еще никто не создал, так что до тех пор все разговоры про пространственно-временную пену – штука условная.

Пузырек за пузырьком

Тем интереснее попробовать поискать следы этого явления в реальном мире. В конце прошлого века ученые даже нашли одну наблюдательную лазейку в устройство квантовой пены: это астрономические наблюдения очень далеких объектов. Свет от них шел к нам миллиарды лет, и каждый луч путешествовал по своей собственной траектории, пронизывая свою собственную цепочку «пузырей» квантовой пены. Значит, любой сигнал, который эти лучи несут вместе, окажется размытым. В частности, размытым должны оказываться и изображения далеких объектов.

И пусть размытие в каждом пузырьке очень невелико, на дистанции в 10 миллиардов световых лет каждому лучу пришлось пересечь что-то порядка 10⁶⁰ пузырей – это триллион триллионов триллионов триллионов триллионов штук. Даже небольшие вклады при таком количестве вкладчиков могут дать вполне ощутимый финальный результат.

Вопрос в том, как эти вклады складываются. Самый простой вариант, что каждый пузырек добавляет примерно одну и ту же величину в общую копилку, был исключен экспериментальными данными почти сразу – уж слишком сильно бы размывались в этом случае изображения далеких квазаров. Впрочем, этот вариант с самого начала не казался ученым особенно правдоподобным.

Блуждания и голограмма

Но существуют и другие возможности. Одна из них – так называемые случайные блуждания: это тот случай, когда каждый пузырек может как добавить в копилку определенную сумму, так и что-то забрать из нее – все по воле случая. Тогда общему числу пузырьков на пути оказывается пропорциональна не величина размытия, а ее квадрат; соответственно, сама величина растет пропорционально квадратному корню из числа пузырьков. По такому же закону, кстати, растет со временем расстояние от кабака до пьяницы, который идет от столба к столбу, и при встрече с каждым из них забывает, куда шел только что. Отсюда и название – случайные блуждания.

Есть и другой вариант, навеянный так называемыми голографическими теориями, согласно которым вся доступная экспериментам информация о нашем трехмерном мире должна умещаться на его двумерной границе. Это странное утверждение, смысл которого не очень понятен и самим физикам, однако если его принять, некоторые странные сближения результатов в разных областях физики получают естественное объяснение. Из голографического принципа можно вывести, что величина размытия должна расти еще медленнее – пропорционально кубическому корню из числа «пузырьков», а значит, и расстояния.

Разумеется, возможен и вариант, при котором размытие с расстоянием («числом пузырьков») вообще не растет. Например, при идеальной компенсации – если каждый следующий пузырек забирает из копилки ровно столько, сколько внес предыдущий, или если никакой квантовой пены нет вовсе. В отсутствие полноценной квантовой теории гравитации этот вариант ничем не хуже, а в классической теории гравитации даже есть похожий эффект. Если размытие не растет, искать его в экспериментальных данных – занятие бесперспективное: измерять расстояние или время с точностью до планковских величин мы не умеем, да и вряд ли когда научимся.

«Хаббл» против пьяниц

Ученые из США и Австралии под руководством Уэйна Кристиансена из университета Северной Каролины попробовали экспериментально выяснить, какая модель квантовой пены реализуется в нашем мире. Из-за размытия у каждого далекого объекта появится слабый протяженный ореол. Его-то и предлагается поискать. Кристиансен и его коллеги вычислили, в пятна каких размеров будут превращаться точечные источники на краю Вселенной в зависимости от длины волны излучения, на которой они наблюдаются, и принятой модели пены. На тот же график ученые нанесли возможности различных телескопов.

Размер пятна тем больше, чем меньше длина волны, на которой идут наблюдения, и способности телескопов разглядеть эти пятна с уменьшением длины волны возрастают. Поэтому в идеале наблюдения следовало бы проводить в рентгеновском диапазоне. К сожалению, особенности устройства современных рентгеновских телескопов не позволяют заметить слабый ореол на фоне яркого объекта, так что лучшие ограничения на модель квантовой пены пространства-времени дает все тот же Космический телескоп имени Хаббла, а точнее – наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне.

По словам ученых, внимательное изучение хаббловского сверхглубокого обзора неба позволяет сходу отмести модель случайных блужданий. На этом изображении видны несколько очень далеких квазаров – это сверхмассивные черные дыры, активно пожирающие газ из окружающей их галактики. Эти источники почти точечные, и если бы была верна модель случайных блужданий, размеры ореолов вокруг них можно было бы легко заметить. Так что как пьяница наша Вселенная себя точно не ведет.

А вот голографическая модель еще держится. Более того, ученые готовы принять неясное свечение, которое видно вокруг некоторых квазаров, за следы размытия изображений квантовой пеной пространства-времени. По крайней мере, их вид «не противоречит данной гипотезе», пишут авторы работы, которая должна выйти в Astrophysical Journal, а пока доступна в Архиве электронных препринтов Корнельского университета.

Непонятный ореол

Проблема, впрочем, в том, что проверить эту гипотезу не так просто. По современным представлениям, вокруг каждого квазара должно быть облако газа, которое и подпитывает яркое свечение. Более того, большинство квазаров – это центральные сверхмассивные черные дыры далеких галактик. В этих галактиках тоже есть звезды, и они светятся, просто их свечение обычно трудно заметить на фоне очень яркого центрального объекта.

Так что любой ореол вокруг далекого квазара еще долго можно будет объяснять свечением его хозяйской галактики. Никакую пространственно-временную пену для этой цели привлекать не надо.