19
декабряЧерные дыры
Интересные факты о черных дырах, которые полезно знать каждому!
1 Тайна космоса
Черные дыры — одни из самых загадочных объектов, с которыми сталкивается астрофизика — массивные образования, которые удерживают внутри себя материю, включая свет. Обычно ученые выделяют четыре сценария их образования. Эволюция массивных звёзд может заканчиваться гравитационным коллапсом, после исчерпания материала для термоядерных реакций они начинают сжиматься, буквально проваливаясь внутрь себя. Близкие по смыслу процессы могут проходить с центрами галактик или протогалактическим газом. Эти сценарии считаются реалистичными, в отличие от двух других, гипотетических — формирования (первичных) чёрных дыр сразу после Большого Взрыва и их возникновение в ядерных реакциях высоких энергий.
2 XVIII век
Теоретически возможность существования такого явления, как черные дыры, была продемонстрирована еще в XVIII веке, в рамках классической, всем известной по школе ньютоновской механики. Это сделал британский физик Джон Мичелл, рассуждения которого включил в свою книгу Лаплас. Тела падают на Землю благодаря гравитации. Чтобы объект преодолел притяжение, ему нужно придать определенную скорость (для Земли 11 км/с). Величина этой скорости зависит от массы и радиуса притягивающего тела (в нашем случае - Земли), следовательно, если многократно увеличивать ее массу при одинаковом радиусе или, наоборот, уменьшать радиус при сохранении массы, можно достигнуть такого значения, что преодолеть гравитацию можно будет лишь на такой скорости, что даже свет не сможет преодолеть ее. То есть сторонний наблюдатель такой объект просто не сможет увидеть. Для достижения такого эффекта Землю, например, нужно было бы сжать до шарика радиусом 9 миллиметров.
3 Теория относительности
На рубеже XIX и XX веков к физикам пришло понимание, что скорость света, по-видимому, является непреодолимой константой, и образ мира изменился. Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) представляет гравитацию как искривление пространства-времени вблизи объектов, имеющих большую массу или энергию (подобно тому, как тонкая пружинящая поверхность проминается под массой тяжелого металлического шарика). Например, время вблизи массивных объектов течет медленнее, чем на удалении от них. Черная дыра — это область, гравитация которой настолько велика, что объекты, даже двигаясь на скорости света (включая и сами кванты света), не могут преодолеть ее. Граница этой области называется горизонтом событий. Причем согласно ОТО, гипотетический наблюдатель, который оказался бы рядом с черной дырой, миновал бы горизонт событий, не заметив ничего примечательного, правда, пути назад уже бы не было, а приливные силы затем вытянули бы его, «как спагетти», и разорвали.
4 Они излучают!
Дальнейшая эволюция взглядов на черные дыры связана уже с квантовой физикой. Согласно ОТО, такие объекты по определению не имеют излучения, не могут терять массу, а могут только расти, поглощая новые объекты. Однако еще в 1970-е годы Стивен Хокинг показал, что черные дыры должны излучать. Этот тезис связан с представлением о вакууме как пространстве, где постоянно возникают и тут же аннигилируют пары «частица — античастица». Существует вероятность, что при возникновении очередная пара окажется по разную сторону от горизонта событий. Причем чем меньше черная дыра, тем интенсивнее она испаряет. Новый поворот мысли позволил ученым рассуждать о термодинамике и энтропии черных дыр, однако тезис Хокинга создал и две сложных вопроса: «информационный парадокс» и принципиальное разногласие с ОТО.
5 «Информационный парадокс»
«Чёрные дыры не имеют волос» - заявлял в середине XX века физик Джон Уилер, их состояние характеризуется максимум тремя параметрами: массой, скоростью вращения и зарядом. Если материя попадает сюда, иные параметры будут «забыты». При этом черная дыра может также излучать энергию, и согласно построениям Хокинга, это исключительно тепловое излучение, которое не зависит от исходного состояния черной дыры и попавшего в нее ранее объекта. Получается, что восстановить информацию о характере такого объекта уже не удастся. Но тем самым квантовая физика загоняет себя в тупик, поскольку ей необходимо знать и начальные, и конечные условия преобразований. Иными словами, чтобы сумма вероятностей всех возможных процессов была равна единице (так называемый "принцип унитарности"). Обойти этот парадокс, считает Хуан Малдасена (Принстон), может теория струн, которая соединяет квантовую механику и теорию гравитации Эйнштейна, однако пока удовлетворительные результаты были получены только на упрощенной (анти-де-ситтеровской (AdS) модели пространства-времени.
6 «Судьба астронавта»
В 2011 году команда физика-теоретика Джозефа Полчински (Университет Калифорнии) пересмотрела судьбу наблюдателя, который бы оказался рядом с черной дырой: он не смог бы незаметно для себя миновать горизонт событий, а просто сгорел бы, поскольку, излучение Хокинга неизбежно должно разогревать границу черной дыры до высоких температур. В то время как для ОТО важно, чтобы горизонт событий был незаметен — ведь, согласно ей, тело в свободном падении подчиняется одним и тем же законам в любой точке Вселенной. Полчински предложил решение своего парадокса, но такое, что пришлось бы отказаться уже от квантовой механики.
7 Черных дыр нет?
Теперь Хокинг предлагает решение, которое может примирить обе теории. Горизонта событий как такового вообще нет, утверждает ученый: квантовые взаимодействия, разворачивающиеся рядом с черной дыры, приводят к таким сильным флуктуациям пространства-времени, что четкой границы у нее быть не может. Существует только оптический горизонт, связанный с тем, что свет не может покинуть черную дыру. Если нет горизонта событий, нет и эффекта огненной стены, описанной Полчински. Информация в черной дыре должна сохраняться, продолжает Хокинг, который еще в 2004 году согласился с выкладками Малдасены, но поскольку излучение черной дыры будет хаотичным, восстановить эту информацию будет задачей столь же трудной, как и предсказать погоду на длительное время вперед.
1 Тайна космоса
Черные дыры — одни из самых загадочных объектов, с которыми сталкивается астрофизика — массивные образования, которые удерживают внутри себя материю, включая свет. Обычно ученые выделяют четыре сценария их образования. Эволюция массивных звёзд может заканчиваться гравитационным коллапсом, после исчерпания материала для термоядерных реакций они начинают сжиматься, буквально проваливаясь внутрь себя. Близкие по смыслу процессы могут проходить с центрами галактик или протогалактическим газом. Эти сценарии считаются реалистичными, в отличие от двух других, гипотетических — формирования (первичных) чёрных дыр сразу после Большого Взрыва и их возникновение в ядерных реакциях высоких энергий.
2 XVIII век
Теоретически возможность существования такого явления, как черные дыры, была продемонстрирована еще в XVIII веке, в рамках классической, всем известной по школе ньютоновской механики. Это сделал британский физик Джон Мичелл, рассуждения которого включил в свою книгу Лаплас. Тела падают на Землю благодаря гравитации. Чтобы объект преодолел притяжение, ему нужно придать определенную скорость (для Земли 11 км/с). Величина этой скорости зависит от массы и радиуса притягивающего тела (в нашем случае - Земли), следовательно, если многократно увеличивать ее массу при одинаковом радиусе или, наоборот, уменьшать радиус при сохранении массы, можно достигнуть такого значения, что преодолеть гравитацию можно будет лишь на такой скорости, что даже свет не сможет преодолеть ее. То есть сторонний наблюдатель такой объект просто не сможет увидеть. Для достижения такого эффекта Землю, например, нужно было бы сжать до шарика радиусом 9 миллиметров.
3 Теория относительности
На рубеже XIX и XX веков к физикам пришло понимание, что скорость света, по-видимому, является непреодолимой константой, и образ мира изменился. Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) представляет гравитацию как искривление пространства-времени вблизи объектов, имеющих большую массу или энергию (подобно тому, как тонкая пружинящая поверхность проминается под массой тяжелого металлического шарика). Например, время вблизи массивных объектов течет медленнее, чем на удалении от них. Черная дыра — это область, гравитация которой настолько велика, что объекты, даже двигаясь на скорости света (включая и сами кванты света), не могут преодолеть ее. Граница этой области называется горизонтом событий. Причем согласно ОТО, гипотетический наблюдатель, который оказался бы рядом с черной дырой, миновал бы горизонт событий, не заметив ничего примечательного, правда, пути назад уже бы не было, а приливные силы затем вытянули бы его, «как спагетти», и разорвали.
4 Они излучают!
Дальнейшая эволюция взглядов на черные дыры связана уже с квантовой физикой. Согласно ОТО, такие объекты по определению не имеют излучения, не могут терять массу, а могут только расти, поглощая новые объекты. Однако еще в 1970-е годы Стивен Хокинг показал, что черные дыры должны излучать. Этот тезис связан с представлением о вакууме как пространстве, где постоянно возникают и тут же аннигилируют пары «частица — античастица». Существует вероятность, что при возникновении очередная пара окажется по разную сторону от горизонта событий. Причем чем меньше черная дыра, тем интенсивнее она испаряет. Новый поворот мысли позволил ученым рассуждать о термодинамике и энтропии черных дыр, однако тезис Хокинга создал и две сложных вопроса: «информационный парадокс» и принципиальное разногласие с ОТО.
5 «Информационный парадокс»
«Чёрные дыры не имеют волос» - заявлял в середине XX века физик Джон Уилер, их состояние характеризуется максимум тремя параметрами: массой, скоростью вращения и зарядом. Если материя попадает сюда, иные параметры будут «забыты». При этом черная дыра может также излучать энергию, и согласно построениям Хокинга, это исключительно тепловое излучение, которое не зависит от исходного состояния черной дыры и попавшего в нее ранее объекта. Получается, что восстановить информацию о характере такого объекта уже не удастся. Но тем самым квантовая физика загоняет себя в тупик, поскольку ей необходимо знать и начальные, и конечные условия преобразований. Иными словами, чтобы сумма вероятностей всех возможных процессов была равна единице (так называемый "принцип унитарности"). Обойти этот парадокс, считает Хуан Малдасена (Принстон), может теория струн, которая соединяет квантовую механику и теорию гравитации Эйнштейна, однако пока удовлетворительные результаты были получены только на упрощенной (анти-де-ситтеровской (AdS) модели пространства-времени.
6 «Судьба астронавта»
В 2011 году команда физика-теоретика Джозефа Полчински (Университет Калифорнии) пересмотрела судьбу наблюдателя, который бы оказался рядом с черной дырой: он не смог бы незаметно для себя миновать горизонт событий, а просто сгорел бы, поскольку, излучение Хокинга неизбежно должно разогревать границу черной дыры до высоких температур. В то время как для ОТО важно, чтобы горизонт событий был незаметен — ведь, согласно ей, тело в свободном падении подчиняется одним и тем же законам в любой точке Вселенной. Полчински предложил решение своего парадокса, но такое, что пришлось бы отказаться уже от квантовой механики.
7 Черных дыр нет?
Теперь Хокинг предлагает решение, которое может примирить обе теории. Горизонта событий как такового вообще нет, утверждает ученый: квантовые взаимодействия, разворачивающиеся рядом с черной дыры, приводят к таким сильным флуктуациям пространства-времени, что четкой границы у нее быть не может. Существует только оптический горизонт, связанный с тем, что свет не может покинуть черную дыру. Если нет горизонта событий, нет и эффекта огненной стены, описанной Полчински. Информация в черной дыре должна сохраняться, продолжает Хокинг, который еще в 2004 году согласился с выкладками Малдасены, но поскольку излучение черной дыры будет хаотичным, восстановить эту информацию будет задачей столь же трудной, как и предсказать погоду на длительное время вперед.
© Артем Анохин
