Черных дыр больше нет? Существование черных дыр опровергли математически Черных дыр нет

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.

Черные дыры, по крайней мере, не такие, какими мы их представляли

Черных дыр не существует - по крайней мере, в обычном понимании, считает известный физик Стивен Хокинг, подталкивая нас к переосмыслению одного из самых загадочных явлений космоса, сообщается в National Geographic .

Результаты нового исследования Хокинга также указывают на то, что черные дыры не имеют «стены огня» - разрушительного поля излучения, которое, по предположениям некоторых ученых, сжигает все, что через них проходит.

Согласно традиционному пониманию черных дыр, их гравитационные силы настолько огромны, что ничто не может их покинуть - даже свет, поэтому их и называют черными дырами. Граница, после прохождения которой, предположительно, нет возврата, известна как «горизонт событий».

В общеизвестном понимании, вся информация, которая проходит через горизонт событий черной дыры, исчезает. С другой стороны, согласно квантовой физике, которая лучше всего объясняет все, что происходит во Вселенной на уровне элементарных частиц, информация не может исчезнуть в никуда; это несоответствие привело к фундаментальному конфликту теорий.

Горизонта событий не существует

В настоящее время Хокинг предлагает следующее решение парадокса: черные дыры не имеют горизонта событий и, следовательно, не уничтожают информацию.

«Отсутствие горизонта событий означает, что черных дыр не существует - по крайней мере, в виде феноменов, которые не может покинуть свет», - пишет Хокинг в своей статье.

Хокинг предположил, что черные дыры имеют «видимый горизонт событий», который только временно задерживает материю и энергию, которые в конце концов вновь появляются в виде излучения. Это излучение обладает первоначальной информацией обо всем, что попадает в черные дыры, хотя в совершенно другом виде. Так как исходящая информация зашифрована, пишет Хокинг, нет практического способа воссоздать все, что попадает в черную дыру, основываясь на том, что из нее выходит. Зашифровка происходит из-за того, что видимый горизонт событий по своей природе хаотичен.

«Мы не можем воссоздать объекты, попавшие в черные дыры в их первоначальном виде, основываясь на исходящей информации», - пишет Хокинг.

Хокинг отменил стену огня

Предположения ученого о том, что горизонта событий нет, скорее всего, исключают существование так называемой стены огня - региона с мощным излучением, который мог находиться либо на самом горизонте событий, либо рядом с ним.

Стена огня подчиняется законам квантовой физики и объясняет загадку черных дыр с помощью так называемого AdS/CFT-соответствия . Но это ведет к другой проблеме, противопоставляемой эйнштейновскому принципу эквивалентности, который утверждает, что пересечение горизонта событий черной дыры является незаметным событием. Теоретически, астронавт, падающий в черную дыру, не поймет, что пересекает горизонт событий. Но если бы существовала стена огня, астронавт мгновенно сгорел бы заживо. Так как при этом нарушается принцип Эйнштейна, Хокинг и другие решили попытаться доказать, что видимой стены огня не существует.

«Все это выглядит так, как будто Хокинг меняет концепцию стены огня на «хаотическую стену», - говорит физик Джозеф Полчински из Института Кавли.

В своей последней работе Хокинг попытался объединить разногласия классической и квантовой физики. В классической теории из черной дыры ничто не способно «вырваться», но квантовая физика говорит о том, что материя и информация могут покидать черную дыру. Если Хокинг прав - то, что попадает в черную дыру, остается там «на хранении», а если информация и материя высвободятся, они будут иметь совершенно новый вид, и восстановить облик прежних объектов будет невозможно.

Ученый признаёт, что для объяснения всех процессов, происходящих как в черных дырах, так и вне их, придется решать еще многие задачи, в том числе объединение гравитации и других сил природы.

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.

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.

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.

Черных дыр не существует? September 29th, 2014

И как будто всего этого было недостаточно: сейчас появилась информация, что они и вовсе не существуют. Женщина математически доказала , что таких астрофизических объектов, как черные дыры, в природе просто не может существовать.

Давайте узнаем подробнее, что же это за версия в науке …

Объединив две, на первый взгляд, противоположные теории, Лаура Мерсини-Хьюстон (Laura Mersini-Houghton), профессор физики Колледжа наук и искусств Университета Северной Каролины (США), математически доказала, что черные дыры вообще не могли существовать. Ее исследование не только заставляет ученых переосмыслить ткань пространства-времени, но также и вновь задуматься над происхождением Вселенной.

Черные дыры - термин, популяризированный полвека назад американским теоретиком Джоном Уилером, - 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 Хокинг 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.

Исследование, которое было направлено в базу ArXiv , онлайн хранилище исследований в области физики, которые не рецензируются, содержит точные математические решения этой проблемы и подготовлено в сотрудничестве с Гаральдом Пайффером (Harald Peiffer), экспертом в области математической относительности из Университета Торонто (Канада). Более раннее исследование Мерсини-Хьюстон, также направленное в ArXiv в июне, было опубликовано в журнале Physics Letters B и содержит приблизительное решение исследуемой проблемы.

Экспериментальные данные когда-нибудь могут представить физическое доказательство, существуют ли черные дыры во Вселенной. Однако на данный момент, по словам Мерсини-Хьюстон, математические выводы являются окончательными.

Многие физики и астрономы полагают, что наша Вселенная возникла из сингулярности, которая стала расширяться после Большой взрыва. Однако если сингулярностей не существует, ученым придется вновь обдумать теорию Большого взрыва и даже вопрос о том, произошел ли он в действительности.

«Физики пытались объединить эти две теории – теорию гравитации Эйнштейна и квантовую механику – на протяжении десятилетий, и этот сценарий приводит теории в гармонию, — говорит Мерсини-Хьюстон. – Это очень важно».

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.