Доказано ли существование черной дыры. Существуют ли черные дыры. Хокинг отменил стену огня

Черные дыры — термин, придуманный в 1967 году американским физиком-теоретиком Джоном Уилером. Так он назвал область в пространстве, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Существование черных дыр лежит в основе множества теорий, описывающих эволюцию галактик и звезд, хотя вопрос об их реальном существовании связан с тем, насколько верна теория гравитации. Несмотря на то, что их существование у большинства ученых не вызывает сомнений, формально эти объекты считаются гипотетическими.

Поскольку черные дыры не излучают свет и не отражают его, выявить их наличие можно только теоретическими методами — например, ученые указывают на быстрое вращение звезд и отклонение лучей света рядом с центрами галактик. Основной характеристикой черной дыры является размер ее горизонта событий — границы, попав за которую, уже ничто не сможет вернуться обратно.

В 1974 году знаменитый ученый Стивен Хокинг высказал гипотезу, согласно которой черные дыры должны исчезать. Мерсини-Хоутон описывает совершенно новый сценарий: ее расчеты показали, что при коллапсе звезды возникает так называемое излучение Хокинга, которое заставляет звезду стремительно терять свою массу под действием собственной гравитации. Причем настолько стремительно, что она не становится черной дырой, а просто взрывается, не образуя никаких горизонтов событий.

«Мы изучали эту проблему более 50 лет, но это решение заставляет нас о многом задуматься», — говорит Мерсини-Хоутон. Многие астрофизики считают, что наша Вселенная возникла из сингулярности, которая начала расширяться с момента Большого взрыва, однако, если черных дыр не существует, то им, очевидно, придется переосмыслить свои идеи.

— Видишь черную дыру?
— Нет.
— А ее и нет.

Примерно такой диалог мог бы состояться между каким-нибудь астрономом и профессором физики Лаурой Марсини-Хоутон из Университета Северной Каролины, которая выступила с сенсационным заявлением. Женщина математически доказала , что таких астрофизических объектов, как черные дыры, в природе просто не может существовать.

Загвоздка в том, что доказать обратное на данный момент никому не под силу.

Черные дыры — термин, популяризированный полвека назад американским теоретиком , — сверхмассивные релятивистские объекты, существование которых лежит в основе множества астрофизических теорий, описывающих эволюцию галактик, звезд, квазаров. И хотя сегодня их существование у большинства астрономов не вызывает сомнений, формально эти объекты считаются гипотетическими.

Поскольку эти объекты ни излучают свой, ни отражают чужой свет, определять их наличие можно только косвенными методами. Так, ученых убеждает в их существовании быстрое вращение звезд рядом с центрами галактик и отклонение лучей света (линзирование), которое наблюдается в окрестностях этих сильно гравитирующих объектов.

Астрономам известны черные дыры двух типов — звездных масс и сверхмассивные черные дыры массой в миллиарды масс Солнца.

Ведутся споры о существовании черных дыр промежуточных масс. Считается, что первый тип образуется при коллапсе массивных звезд, когда звезда, раздувшись, сбрасывает внешние слои и коллапсирует внутрь себя под действием собственной гравитации. Происхождение же сверхмассивных черных дыр вызывает у астрономов споры: то ли они формировались одновременно со Вселенной в сгустках темной материи, то ли при коллапсе больших газовых облаков.

То же самое произойдет, если Землю сжать до размеров грецкого ореха: ее плотность возрастет настолько,

что ни одно тело не сможет оторваться от ее поверхности, даже двигаясь со скоростью света.

Основной характеристикой черной дыры является размер ее горизонта событий — воображаемой поверхности, попав за которую ни тело, ни информация уже не могут попасть обратно. Прелесть черных дыр в том, что они противопоставляют друг другу две фундаментальные физические теории — эйнштейновскую теорию гравитации, из которой вытекает возможность их существования, и квантовую теорию, которая постулирует, что никакая информация во Вселенной не может никуда исчезнуть.

В 1974 году известный британский ученый Стивен предсказал, что черные дыры должны испаряться. Квантовая теория гласит, что в физическом вакууме постоянно рождаются пары частица — античастица. При этом рождение таких пар у горизонта событий допускает возможность, что одна частица упадет на черную дыру, а другая — нет. Так, улетевшие частицы могут уносить массу дыр за счет так называемого излучения Хокинга.

Примечательно, что свою теорию Хокинг выдвинул вскоре после того, как в 1973 году встречался в Москве с советскими физиками Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским.

Они убедили Хокинга в том, что вращающаяся черная дыра может испускать электромагнитные волны и частицы.

Марсини-Хоутон математически описала процесс коллапса массивных звезд и пришла к парадоксу. Ее расчеты показали, что при коллапсе звезды возникает излучение Хоккинга, которое заставляет звезду стремительно терять свою массу.

Причем настолько стремительно, что плотность внутренних областей перестает расти и образование черной дыры останавливается.

«Я сама не могу оправиться от шока. Мы изучали эту проблему более 50 лет, и это решение заставляет нас о многом задуматься», — сказала исследовательница.

Что на самом деле остается на месте массивных звезд, могут дать дальнейшие наблюдения. Взрывы массивных звезд уже наблюдались в новейшую историю, так, в 1987 году астрономы наблюдали ярчайшую вспышку сверхновой SN 1987A. Однако ни черной дыры, ни нейтронной звезды на ее месте пока не обнаружено.

Свое мнение на эту тему ранее высказал академик .

«Я жду, что в ближайшее десятилетие будет получена Нобелевская премия за открытие черных дыр. Мы к этому подходим все ближе и ближе. Во-первых, этих черных дыр уже как собак нерезаных. Для звездных черных дыр — 23 штуки (сейчас их уже несколько десятков ), — для них измерены массы, даны ограничения на размеры. А сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик уже многие тысячи», — сказал ученый.

Под горизонтом событий черной дыры подразумевается точка невозврата при приближении к черной дыре. В общей теории относительности Эйнштейна, горизонт событий - это место, где пространство и время настолько деформированы под воздействием силы тяжести, что вы никогда не сможете оттуда уйти. Пересекая горизонт событий, вы можете двигаться только внутрь, никогда наружу. Однако односторонний горизонт событий приводит к тому, что известно как информационный парадокс.

Информационный парадокс берет начало в термодинамике, в частности во втором ее законе. В простейшей форме его можно объяснить, как "тепло переносится от горячего тела к холодному". Но закон более полезен, когда выражен в терминах энтропии. Таким образом, он формулируется как "энтропия системы не может уменьшаться". Многие люди интерпретируют энтропию, как уровень беспорядка в системе, или непригодную часть системы. Это означало бы, что вещи всегда должны становиться менее полезными с течением времени. Но энтропия зависит от уровня информации, необходимой для описания системы. Упорядоченную систему (например, шарики равномерно распределены по решетке) легко описать, так как объекты имеют простые связи друг с другом. С другой стороны, неупорядоченная система (шарики распределены беспорядочно) займет больше информации для описания, потому что это не простой шаблон на них. Таким образом, когда второй закон гласит, что энтропия никогда не может уменьшаться, предполагается, что физическая информация системы не может уменьшаться. Другими словами, информация не может быть уничтожена.

Проблема горизонта событий состоит в том, что вы могли бы бросить объект (с большой долей энтропии) в черную дыру, и энтропия должна просто уйти. Другими словами, энтропия Вселенной получится меньше, что будет нарушать второй закон термодинамики. Конечно, это не принимает во внимание квантовые эффекты, именно те, которые известны как излучение Хокинга, впервые предложенные Стивеном Хокингом в 1974 году.

Оригинальная идея излучения Хокинга связана с принципом неопределенности в квантовой теории. В квантовой теории есть пределы тому, что может быть известно об объекте. Например, вы не можете знать точно энергию объекта. Из-за этой неопределенности, энергия системы может колебаться спонтанно, при условии, что ее средний показатель остается неизменным. Хокинг показал, что вблизи горизонта событий черной дыры пары частиц могут появиться, когда одна частица оказывается в ловушке внутри горизонта событий (немного снижая массу черной дыры), а другая может избежать этого, в виде излучения (унося немного энергии черной дыры).

Так как эти квантовые частицы появляются парами, они "спутанны" (связаны в квантовом смысле). Это не имеет большого значения, если вы не хотите, чтобы излучение Хокинга излучало информацию, содержащуюся внутри черной дыры. В первоначальной формулировке Хокинга, частицы появились случайно, поэтому излучение, исходящие от черной дыры, было чисто случайным. Таким образом, излучение Хокинга не позволит вам восстановить любую захваченную информацию.

Чтобы разрешить излучению Хокинга вынести информацию из черной дыры, запутанная связь между парами частиц должна быть разбита на горизонте событий, поэтому частицы смогут затеряться с информационно-несущими веществами внутри черной дыры. Это нарушение первоначальной запутанности должно сделать выделяющиеся частицы проявляющимися, подобно интенсивной "огненной стене" на поверхности горизонта событий. Это означало бы, что все, направляющееся к черной дыре, не будет попадать в черную дыру. Вместо этого оно будет испаряться излучением Хокинга, когда достигнет горизонта событий. Казалось бы, что либо физическая информация объекта теряется, когда он падает в черную дыру (информационный парадокс), или объекты испаряются перед входом в нее (парадокс огненной стены).

В этой новой работе, Хокинг предлагает другой подход. Он утверждает, что вместо гравитационной деформации космоса и времени в горизонте событий, квантовые флуктуации излучения Хокинга создают слой турбулентности в этом регионе. Таким образом, вместо резкого горизонта событий, черная дыра будет иметь «кажущийся горизонт», который выглядит как горизонт событий, но позволяет информации просачиваться.

Если Стивен Хокинг прав, то он может разрешить парадокс информации/огненной стены, который преследует теоретическую физику. Черные дыры все еще существуют в астрофизическом смысле (одна в центре нашей галактики никуда не денется), но они будут лишены горизонта событий. Следует подчеркнуть, что работа Хокинга не рецензируемая, и ей немного не хватает деталей. Это, скорее, презентация идеи, а не детальное решения парадокса. Дальнейшие исследования будут необходимы, чтобы определить, станет ли эта идея решением, которое так долго искали.

МОСКВА, 24 янв — РИА Новости. Британский физик-теоретик Стивен Хокинг, один из основателей современной теории черных дыр, предлагает пересмотреть одно из основных положений этой теории — существование "горизонта событий" черной дыры, из-за которого ни материя, ни энергия не могут вернуться во внешний мир; эта "тюрьма" только временная, а значит черных дыр в обычном понимании не существует, пишет физик в статье, размещенной в электронной библиотеке Корнеллского университета.

"В классической теории нет возможности покинуть черную дыру <…> (Квантовая теория) однако позволяет энергии и информации "бежать" из черной дыры", — говорит Хокинг, слова которого приводятся на сайте журнала Nature .

Установлены новые границы масс для гипотетических черных дыр в БАКе Физики, работающие на детекторе CMS Большого адронного коллайдера, проанализировали данные о столкновениях протонов, накопленные в 2012 году, и вновь не обнаружили признаков рождения в ускорителе микроскопических черных дыр, однако установили новые ограничения по массе для этих объектов.

Одним из основных свойств черных дыр — как "обычных", возникающих при гравитационном коллапсе на поздней стадии эволюции массивных звезд, так и сверхмассивных в центрах галактик — является наличие горизонта событий или сферы Шварцшильда, границы, за которой гравитация черной дыры становится настолько большой, что вырваться оттуда можно только превысив скорость света. Поскольку скорость света — предельная скорость, то, согласно господствующим представлениям, ничто покинуть черную дыру не может.

Согласно теории Эйнштейна, астронавт, пролетевший через горизонт событий, не почувствует ничего — только позже, по мере приближения к центру черной дыры и росту градиента гравитации (разнице в силе тяготения в разных точках) его тело будет вытягиваться, пока не превратится в "спагетти" и попадет в сингулярность в центре.

2014 год: каким научным идеям пора в отставку Известные ученые составили свой список популярных научных идей, которые потеряли свою актуальность в свете новейших исследований и современных взглядов.

В 2012 году американский физик Джозеф Полчински (Joseph Polchinski) основываясь на квантовой теории, пришел к выводу, что на горизонте событий должна возникать "стена огня" из частиц высоких энергий и потоков излучения. Однако это противоречило эйнштейновским представлениям. Хокинг предложил разрешить этот парадокс, "убрав" горизонт событий.

Согласно его предположениям, квантовые эффекты в окрестностях черной дыры настолько сильно искажают пространство-время, что четкая граница горизонта событий просто не может существовать. По мнению Хокинга, существует "кажущийся горизонт" (apparent horizon) — поверхность, на которой излучение, уходящее от центра черной дыры, лишь задерживается. В отличие от классического горизонта событий, "кажущийся" может в какой-то момент исчезнуть, и то, что было в черной дыре, может выйти наружу.

"Отсутствие горизонта событий означает, что не существует черных дыр как объектов, откуда излучение не может уйти никогда", — пишет Хокинг.

Сам ученый не описал причин, по которым кажущийся горизонт может исчезнуть, однако Дон Пэйдж (Don Page) из канадского университета Альберты полагает, что это может произойти, когда черная дыра за счет излучения Хокинга станет настолько малой, что гравитационные и квантовые эффекты станут неразличимы.

Чёрные дыры - области плотного вещества в пространстве, которые имеют настолько сильное притяжение, что никакие объекты, попавшиеся в поле тяготения черной дыры, не могут его покинуть. Черные дыры притягивают к себе даже свет, который проходит мимо. О том, что думает наука о существовании черных дыр и пойдет речь в нашей статье.

Границами черных дыр называются «горизонт событий», а ее величина – «гравитационный радиус».

Черные дыры, как и многие другие физические явления, сперва были открыты лишь в теории. Возможность их существования вытекает из некоторых уравнений Эйнштейна, они сходятся с теорией гравитации (но неизвестно, насколько она верна), которая, опять же теоретически, подтверждает их наличие.

В наше время возможность образования черных дыр подтверждает экспериментально проверенная общая теория относительности (ОТО). Регулярно появляются новые данные, которые анализируют и интерпретируют в рамках вышеназванной теории, которая подтверждает существование некоторых астрономических объектов, частично совпадающих с признаками чёрных дыр с массой 105-1010 масс Солнца. Следовательно, готовить о стопроцентном существовании черных дыр нельзя.

На сегодняшний день существует 2 реалистичных и 2 гипотетических варианта создания черных дыр: катастрофически быстрое сжатие массивной звезды или центра части галактики; и, соответственно, сотворение чёрных дыр как последствия Большого Взрыва и возникновение в ядерных реакциях высоких энергий.

Есть объекты, которые называют черными дырами просто из-за соответствия их некоторых свойств с черными дырами, к примеру, звезды, которые находятся на последней стадии гравитационного коллапса. Современная астрофизика этому различию не придаёт большого значения, так как наблюдаемые проявления «почти сколлапсировавшей» звезды и теоретически «настоящей» чёрной дыры практически идентичны.

Черные дыры не являются вечными. На первый взгляд кажется, что эти объекты лишь втягивают в себя все окружающее, но согласно квантовой теории тяготения, чёрная дыра, поглощая, должна непрерывно излучать, теряя при этом свою энергию. Чем больше «энергии-массы» потеряно, тем больше температура и скорость излучения, что в итоге приводит к взрыву. Остается что потом от черной дыры или нет, неизвестно, но ответ на этот вопрос даст квантовая теория гравитации, над которой собираются хорошенько поработать в ближайшие пару десятков лет.

Три теории существования черных дыр

Существует три интересные теории существования черных дыр:

Черных дыр во Вселенной конечное количество, они находятся в каждой галактике, следовательно, они могут являться способом перемещения в пространстве, своеобразным телепортом – зашел в эту черную дыру, вышел из другой. Причем можно «регулировать» не только место, в которое попадешь, но и время.

Согласно теории множественности миров Хью Эверетта, количество Вселенных бесконечно. Благодаря этому появилась гипотеза, что черные дыры являются проходом в другую Вселенную. Физические законы во всех Вселенных могут различаться, но лишь проходные пункты – черны дыры – незыблемы, хоть и не вечны.

Черные дыры поглощают все находящееся в поле тяготения. Если на черную дыру будет падать человек – внутренний наблюдатель, и за ним кто-то будет смотреть – внешний наблюдатель, то в теории может случиться такая ситуация: падающий на черную дыру человек увидит, как время для него замедляется и останавливается на вечность, а «окружающее» время, согласно теории английского математика и физика-теоретика Пенроуза, время развития Вселенной, увеличивается с такой скоростью, что он, внутренний наблюдатель, успевает увидеть и коллапс нашего пространства, и все существующие реальности, и все объекты, которые когда-то попались в черную дыру. С точки зрения внешнего наблюдателя, внутренний подлетит к черной дыре и остановится, словно чего-то ожидая. Вселенная, согласно теории, не допускает существования внутренних и внешних наблюдателей одновременно. Спустя минуту субъективного времени прыгнувшего на черную дыру человека, но спустя миллиарды лет с точки зрения внешнего наблюдателя, падающий с удивлением увидит, как в его дыру начинают попадать его сильно постаревшие «внешние» приятели, а его «родная» чёрная дыра начнет сливаться со всеми другими черными дырами… Следовательно, все внешние наблюдатели одновременно станут внутренними, и вот они уже все вместе летят к Коллапсу Вселенной.

С учетом вышеназванных фактов существования черных дыр, есть и те, кто их опровергает. Профессора физики Лаура Марсини-Хоутон из Северной Каролины утверждает, что черных дыр просто не может быть. Аргументирует она это тем, что прямых доказательств их существования нет, а косвенные могут быть ошибочными. Впрочем, пока это лишь теория.

На данном этапе развития наука не в состоянии ни подтвердить или опровергнуть существование черных дыр. Остается ждать новых наблюдений, их анализа и каких-то последующих ответов на эти вопросы.