Содержание
Информационный парадокс черных дыр
Вы наверняка слышали, что черные дыры уничтожают информацию, которая в них попадает. Почему это является такой огромной проблемой для физики, что ученые всеми силами пытаются избавиться от этой нелепой и нелогичной формулировки? Что ж, мир стал довольно сложным. В моем детстве все было проще. Трава была зеленее, газировка вкуснее, а черные дыры были черными. То есть черные дыры сжимали материю и энергию в бесконечно плотные сингулярности, не создавая непреодолимых парадоксов. Это были хорошие дни.
Но им пришел конец. Сегодня черные дыры вмещают все пятьдесят оттенков серого, изгибая законы физики один за другим. Что же такое информационный парадокс черной дыры?
Для начала давайте поговорим об информации. Когда физики говорят «Информация», они имеют в виду конкретное состояние каждой частицы во вселенной: масса, положение, спин, температура и т. д. отпечаток пальца, который уникальным образом идентифицирует каждого, и вероятность того, что эти частицы собираются делать во вселенной. Вы можете взять атомы, раздавить их или сжать вместе, но квантово — волновая функция, которая их описывает, всегда будет сохраняться.
Квантовая физика позволяет вам запускать всю вселенную вперед и назад до тех пор, пока вы обращаете все в своей математике: заряд, четность и время
Это важно. Светлые умы говорят нам, что информация должна жить, несмотря ни на что
Представьте ее в виде энергии. Вы не можете уничтожить энергию: только преобразовать.
Что такое черная дыра? Она образуется, когда крупнейшая звезда с массой в 20 раз превышающей солнечную жестоко коллапсирует и взрывается. Ее плотность материи чрезвычайно высока, скорость убегания превышает скорость света. Особо прикольные имеют перегретый диск аккреции с материей, которая кружится вокруг горизонта событий черной дыры, за пределы которого свет уже не может вырваться никак.
И тут у нас появляется один из самых странных побочных эффектов относительности: замедление времени. Представьте себе часы, падающие в направлении черной дыры, которые засасывает гравитационный колодец. Время будет идти медленнее по мере приближения к черной дыре, пока наконец не замерзнет на краю горизонта событий. Фотоны от часов вытянутся, и цвет часов пройдет через красное смещение. В конце концов, он исчезнет, поскольку фотоны вытянутся за пределы того, что могут обнаружить наши глаза.
Лишь в том случае, если бы вы смотрели на черную дыру миллиарды лет, вы увидели бы все, что она собрала, что застряло внутри, как на липучке. Вы нашли бы и часы, и «Титаник», и теоретически смогли бы определить квантовое состояние каждой отдельной частицы и фотона, который попал в черную дыру. Поскольку потребуется практически бесконечное количество времени, чтобы все испарилось совершенно, все в порядке.
Информация навсегда на поверхности черной дыры сохраняется. Все, что туда попало, определенно погибло, но их информация, их драгоценная квантовая информация, в полном порядке.
В 1975 году Стивен хокинг сбросил на черные дыры бомбу. Он осознал, что у черных дыр есть температура, и с течением огромного периода времени они совершенно испарятся, выпустив массу и энергию обратно во вселенную. Этот процесс был обозначен как излучение хокинга.
Но эта же идея парадокс породила. Информация о том, что попало в черную дыру сохраняется замедлением времени, но сама масса черной дыры испаряется. В конце концов, она совершенно исчезнет, и тогда куда денется информация? Та информация, которая не может быть уничтожена?
Астрономы в шоке. Десятками лет они работают, пытаясь решить этот вопрос. Есть небольшой набор вариантов:
Черные дыры не испаряются вовсе, хокинг ошибся.
Информация в черной дыре каким-то образом утекает вместе с излучением хокинга.
Черная дыра удерживает ее до самого конца, и когда испаряются две последних частицы, вся информация внезапно высвобождается во вселенную.
Информация сжимается в микроскопическое пространство, которое остается после испарения черной дыры.
Черная дыра.
Возможно, физики никогда не смогут выяснить это. Недавно хокинг выдвинул новую идею, которая могла бы разрешить информационный парадокс черной дыры. Он предположил, что есть некий способ, которым излучение хокинга могло бы уносить в себе информацию о новой материи, падающей в черную дыру.
Таким образом, информация обо всем, что падает, сохраняется уходящим излучением, возвращается во вселенную и разрешает парадокс. Но это догадка, поскольку и само излучение хокинга никто не обнаружил. Возможно, мы через много десятков лет узнаем не только то, в правильном направлении мы движемся или нет, но и собственно решение парадокса.
В ситуациях вроде этой мы вспоминаем, как мало знаем о вселенной на самом деле.
Существует несколько типов черных дыр
В зависимости от происхождения черной дыры, ее местоположения в космосе и по большей степени ее массы, ученые классифицировали их на несколько подгрупп.
Черная дыра звездной массы
Является одним из возможных этапов «жизни» звезды. Черная дыра звездной массы является самой маленькой в космическом пространстве по классификации. После полного выгорания термоядерного топлива звезда остывает, снижается ее внутреннее давление и она начинает сжиматься под действием собственной гравитации. Станет ли звезда в конечном итоге черной дырой зависит от ее массы и скорости вращения. Процесс сжатия может остановиться на определенном этапе, тогда звезда станет сверхплотной нейтронной звездой, а может наступить и стремительный гравитационный коллапс, вследствие чего она станет черной дырой.
Чтобы звезда превратилась в черную дыру, теоретически ее масса должна превышать в 3-4 раза массу нашего солнца. Однако, это лишь теория, так как необходимо знать как ведет себя вещество при чрезвычайно сильных плотностях, а это недоступно в условиях экспериментального изучения.
Данный тип значительно массивнее чем черная дыра звездной массы (от 10 до нескольких десятков масс солнца), но значительно меньше чем сверхмассивные черные дыры (от миллиона до сотен миллиардов масс солнца). Считается, что черных дыр средней массы относительно немного, если сравнивать их с меньшими или большими «собратьями». Природа происхождения черных дыр средней массы неизвестна человечеству, по одной из теорий это черные дыры звездной массы увеличившиеся до настоящих размеров за счет поглощения материи, которая входила в ее зону притяжения.
Сверхмассивные (ультрамассивные) черные дыры
Это огромные объекты даже по космическим меркам. Сверхмассивные черные дыры располагаются в центре большинства галактик, они как бы формируют ядро галактики. Сложно представить размер ультрамассивной черной дыры, но он превышает размер нашего солнца в миллионы и миллиарды раз!
В центре нашей галактики Млечный Путь также обнаружена сверхмассивная черная дыра, и называется она Стрелец A*. Масса этой ЧД по разным оценкам превышает массу солнца от 3 до 6,4 млрд раз.
Квантовые черные дыры
Существует гипотеза, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические черные дыры (квантовые черные дыры). На большом адронном коллайдере проводился эксперимент, целью которого было проверить теорию формирования квантовых черных дыр. Однако эксперимент показал, что энергии, которую выдает ускоритель недостаточно для синтеза черных дыр. В теории такие черные дыры живут мгновения и затем исчезают выбрасывая в окружающее пространство большое количество энергии.
Квантовая черная дыра – это предположение, основанное на теории квантовой физики, однако экспериментальных подтверждений ее существования пока получить не удалось.
Обнаружение черных дыр
Прежде, чем рассматривать методы обнаружения ЧД, следует ответить на вопрос — почему черная дыра черная? – ответ на него не требует глубоких познаний в астрофизике и космологии
Дело в том, что черная дыра поглощает все падающее на нее излучение и совсем не излучает, если не брать во внимание гипотетическое излучение Хокинга. Если рассмотреть данный феномен подробнее, можно предположить, что внутри черных дыр не протекают процессы, приводящие к высвобождению энергии в виде электромагнитного излучения
Тогда если ЧД и излучает, то в спектре Хокинга (который совпадает со спектром нагретого, абсолютно черного тела). Однако, как было сказано ранее, данное излучение не было зарегистрировано, что позволяет предположить о совершенно низкой температуре черных дыр.
Искривление света вблизи черной дыры
Другая же общепринятая теория говорит о том, что электромагнитное излучение и вовсе не способно покинуть горизонт событий. Наиболее вероятно, что фотоны (частицы света) не притягиваются массивными объектами, так как согласно теории – сами не имеют массы. Однако, черная дыра все же «притягивает» фотоны света посредством искажения пространства-времени. Если представить ЧД в космосе в виде некой впадины на гладкой поверхности пространства-времени, то существует некоторое расстояние от центра черный дыры, приблизившись на которое к ней свет уже не сможет отдалиться. То есть грубо говоря, свет начинает «падать» в «яму», которая даже не имеет «дна».
В дополнение к этому, если учесть эффект гравитационного красного смещения, то возможно в черной дыре свет теряет свою частоту, смещаясь по спектру в область низкочастотного длинноволнового излучения, пока вовсе не утратит энергию.
Итак, черная дыра имеет черный цвет и потому ее сложно обнаружить в космосе.
Существует ли угроза для Земли?
Есть две черные дыры, которые могут представлять реальную угрозу нашей планете, но находятся они, к счастью, для нас далеко на расстоянии примерно 1600 световых лет. Ученые смогли обнаружить эти объекты только потому, что находились они вблизи Солнечной Системы и специальные приборы, улавливающие рентгеновские лучи, смогли их увидеть. Есть предположение, что огромная сила гравитации способна повлиять на черные дыры таким образом, что они сольются в одну.
Вряд ли кто-то из современников сможет застать тот момент, когда эти таинственные объекты исчезнут. Настолько медленно происходит процесс гибели дыр.
Черная дыра – это звезда в прошлом
Как образуются черные дыры в космосе? Звезды имеют внушительный запас термоядерного топлива, из-за чего они и светятся так ярко. Но все ресурсы заканчиваются, и звезда охлаждается, постепенно теряя свое свечение и превращаясь в черного карлика. Известно, что в остывшей звезде происходит процесс сжатия, в итоге она взрывается, а ее частицы разлетаются на огромные расстояния в космосе, притягивая соседние объекты, тем самым увеличивая размер черной дыры.
Самое интересное про черные дыры в космосе нам еще предстоит изучить, но удивительно, плотность ее, несмотря на внушительные размеры, может равняться плотности воздуха. Это говорит о том, что даже самые крупные объекты космоса могут иметь такой же вес, как воздух, то есть быть невероятно легкими. Вот как появляются черные дыры в космосе.
Время в самой черной дыре и возле течет очень медленно, поэтому объекты, пролетающие рядом замедляют свое движение. Причиной всему огромная сила гравитации, еще более удивительный факт, все процессы, происходящие в самой дыре, имеют невероятную скорость. Допустим, если наблюдать за тем как выглядит черная дыра в космосе, находясь за границами всепоглощающей массы, кажется, что все стоит на месте. Однако стоит только попасть внутрь объекту, его в мгновение бы разорвало. Сегодня нам показывают, как выглядит черная дыра в космосе фото, смоделированное специальными программами.
Определение черной дыры?
Теперь мы знаем откуда берутся черные дыры в космосе. Но что в них еще особенного? Сказать, что черная дыра – это планета или звезда невозможно априори, потому что это тело не газовое и не твердое. Это объект, который способен искажать не только ширину, длину и высоту, но и временную шкалу. Что совершенно не поддается физическим законам. Ученые утверждают, что время в районе горизонта пространственной единицы может двигаться вперед и назад. Что находится в черной дыре в космосе невозможно себе представить, световые кванты, попадающие туда, умножаются в несколько раз на массу сингулярности, этот процесс увеличивает мощь гравитационной силы. Поэтому, если взять с собой фонарик и отправиться черную дыру, светиться он не будет. Сингулярность – точка, в которой все стремится к бесконечности.
Структура черной дыры – это сингулярность и горизонт событий. Внутри сингулярности физические теории полностью теряют свой смысл, поэтому до сих пор она остается загадкой для ученых. Пересекая границу (горизонт событий), физический объект теряет возможность вернуться. Мы знаем далеко не все о черных дырах в космосе, но интерес к ним не угасает.
https://youtube.com/watch?v=yEv2CMt99X0
Откуда они вообще берутся?
Мы уже писали о том как образуются черные дыры (1 из вариантов) – это возможная, следующая фаза эволюции звезды. Это было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна, которая говорит о том что когда умирает массивная звезда, от нее остается относительно небольшое и плотное ядро. Как показывает уравнение – если масса ядра более чем в 3 раза превышает массу солнца, то сила гравитации подавляет все остальные силы и создает черную дыру, вследствие критического сжатия материи.
как образуются черные дыры
Более того, во время коллапса происходит очень странная вещь, о чем описано на официальном сайте НАСА… По теории, звезда должна разрушиться вследствие сверхмощного сжатия, однако, так как ее поверхность приближается к аномальной зоне, именуемой «горизонтом событий» время замедляется, относительно времени внешнего наблюдателя, а когда звезда достигает горизонта событий, то оно вовсе останавливается и звезда уже не может разрушиться, получается замороженный коллапсирующий объект.
Кроме того, есть вероятность существования так называемых первичных черных дыр, которые были образованы во время зарождения вселенной. Гипотетически, если допустить что на начальной стадии развития вселенной были отклонения в неоднородности гравитационного поля и плотности материи, то путем гравитационного коллапса могли образовываться черные дыры. До сих пор такие объекты не были обнаружены, хотя и представляют ценность для изучения эффекта «испарения черных дыр» Стивена Хокинга.
Стивен Хокинг
В результате звездных столкновений, когда сталкиваются нейтронные звезды и черные дыры, возникает еще одна черная дыра. Такие выводы были сделаны учеными после анализа информации (мощные гамма-всплески), которая была зафиксирована телескопами Свифт и Хаббл.
Судя по количеству звезд, достаточно больших для образования черных дыр, ученые считают, что в одном только Млечном Пути насчитывается от десяти миллионов, до миллиардов черных дыр.
Еще одним из возможных механизмов образования сверхмассивных черных дыр является цепная реакция столкновений звезд в компактных звездных скоплениях, которая приводит к образованию чрезвычайно массивных звезд, которые затем разрушаются, образуя черные дыры средней массы. Звездные скопления затем опускаются в центр галактики, где черные дыры промежуточной массы сливаются, образуя сверхмассивную черную дыру.
Теория, не доказанная практикой
К сожалению, технологии человечества на данном этапе развития не позволяют нам проверить большинство теорий, разработанных астрофизиками и другими учеными. С одной стороны, существование черных дыр довольно убедительно доказано на бумаге и выведено с помощью формул, в которых все сошлось с каждой переменной. С другой, на практике нам пока не удалось увидеть воочию настоящую черную дыру.
https://youtube.com/watch?v=9LBZJqYqTD0
Несмотря на все разногласия, физики предполагают, что в центре каждой из галактик находится сверхмассивная черная дыра, которая собирает своей гравитацией звезды в скопления и заставляет путешествовать по Вселенной большой и дружной компанией. В нашей галактике Млечный путь по разным оценкам насчитывается от 200 до 400 миллиардов звезд. Все эти звезды вращаются вокруг чего-то, что обладает огромной массой, вокруг чего-то, что мы не можем увидеть в телескоп. С большой долей вероятности это черная дыра. Стоит ли ее бояться? – Нет, по-крайней мере не в ближайшие несколько миллиардов лет, но мы можем снять про нее еще один интересный фильм.
Теоретическая история
В зависимости от модели изначальные черные дыры могут иметь начальную массу от 10 -8 кг (так называемые Планки мощь) до более чем тысячи солнечных масс. Однако изначальные черные дыры изначально имели массу меньше, чем10 11 кг не дожили бы до настоящего времени из-за излучения Хокинга , которое вызывает полное испарение за время, намного меньшее, чем возраст Вселенной. Первичные черные дыры небарионны и, как таковые, являются вероятными кандидатами в темную материю . Первичные черные дыры также являются хорошими кандидатами на роль зародышей сверхмассивных черных дыр в центре массивных галактик, а также черных дыр промежуточных масс .
Первозданные черные дыры относятся к классу массивных компактных гало-объектов (МАЧО). Они, естественно, являются хорошими кандидатами на темную материю: они (почти) бесстолкновительные и стабильные (если достаточно массивны), у них нерелятивистские скорости, и они формируются очень рано в истории Вселенной (обычно менее чем через одну секунду после Big Bang ). Тем не менее, критики утверждают, что жесткие ограничения на их численность были установлены на основе различных астрофизических и космологических наблюдений, что исключает их значительный вклад в темную материю в большей части вероятного диапазона масс. Однако новое исследование снова предоставило возможность, согласно которой эти черные дыры будут располагаться в скоплениях с первичной черной дырой с массой 30 солнечных в центре.
В марте 2016 года, через месяц после объявления об обнаружении Advanced LIGO / VIRGO гравитационных волн, излучаемых слиянием двух черных дыр массой 30 солнечных масс (около6 × 10 31 кг ) три группы исследователей независимо друг от друга предположили, что обнаруженные черные дыры имеют изначальное происхождение. Две группы обнаружили, что скорости слияния, полученные с помощью LIGO, согласуются со сценарием, в котором вся темная материя состоит из первичных черных дыр, если значимая их часть каким-то образом сгруппирована в гало, таких как тусклые карликовые галактики или шаровые галактики. кластеры , как и ожидалось в стандартной теории образования космических структур . Третья группа утверждала, что эти скорости слияния несовместимы со сценарием, основанным на полной темной материи, и что первичные черные дыры могут составлять менее одного процента от общей темной материи. Неожиданно большая масса черных дыр, обнаруженная LIGO, сильно возродила интерес к первичным черным дырам с массами в диапазоне от 1 до 100 масс Солнца. Однако все еще обсуждается, исключается ли этот диапазон другими наблюдениями, такими как отсутствие микролинзирования звезд, анизотропия космического микроволнового фона , размер слабых карликовых галактик и отсутствие корреляции между рентгеновскими лучами и рентгеновскими лучами. радиоисточники в сторону центра Галактики.
В мае 2016 года Александр Кашлинский предположил, что наблюдаемые пространственные корреляции в неразрешенных гамма- и рентгеновских фоновых излучениях могут быть связаны с первичными черными дырами с аналогичными массами, если их количество сопоставимо с количеством темной материи.
В апреле 2019 года было опубликовано исследование, показывающее, что эта гипотеза может оказаться тупиковой. Международная группа исследователей подвергла теорию, выдвинутую покойным Стивеном Хокингом, самому строгому на сегодняшний день, и их результаты исключили возможность того, что первичные черные дыры размером менее одной десятой миллиметра (7 × 10 22 кг) создают вверх по большей части темной материи.
В августе 2019 года было опубликовано исследование, открывающее возможность создания всей темной материи из первичных черных дыр с массой астероидов (3,5 × 10 −17 — 4 × 10 −12 солнечных масс, или 7,0 × 10 13 — 8 × 10 18 кг).
В сентябре 2019 года в отчете Джеймса Анвина и Якуба Шольца была высказана мысль о возможности возникновения первичной черной дыры (ПЧД) с массой 5–15 M ⊕ (земных масс), примерно равной диаметру теннисного мяча , существующей в расширенном поясе Койпера до объяснить орбитальные аномалии, которые теоретически являются результатом 9-й планеты Солнечной системы.
Что излучает черная дыра?
Черная дыра рождает не только фотоны, но и другие частицы. Сравнительно большие черные дыры массой в несколько солнечных обладают столь низкой температурой, что могут производить только «безмассовые» частицы — частицы, всегда летящие со скоростью света и не имеющие собственной массы покоя. К ним относятся фотоны, электронные и мюонные нейтрино, их античастицы и, наконец, еще гравитоны — кванты гравитационных волн. Черная дыра массой, типичной, для звезд, рождает особенно много нейтрино (81% всего потока) всех сортов, затем фотонов (17%) и гравитонов (2%) (рис. 8). Тот факт, что разные частицы излучаются в разных количествах, объясняется различием их свойств. Нейтрино испускается больше всего, потому что их внутренний угловой момент (спин) минимален (V2), а гравитонов меньше всего, так как их спин максимален (2).
Черные дыры малой массы имеют большую температуру. Так, температура черных дыр массой, меньшей 1017—1016 г, выше 109—1010 К. Эти черные дыры порождают, помимо перечисленных частиц, электронно-позитронные пары. Заметим, что размеры таких черных дыр составляют всего 10-10 см (в 1000 раз меньше размера атома).
Еще меньшие черные дыры массой < 5 • 1014 г способны излучать мюоны и более тяжелые элементарные частицы. Черная дыра массой 1014 г излучает 12% тяжелых частиц и античастиц, 28% электронов и позитронов, 48% нейтрино всех сортов, 11% фотонов и 1% гравитонов (размер этих черных дыр меньше атомного ядра).
Как мы уже отмечали, такие карликовые черные дыры могли возникать только в далеком прошлом Вселенной
Особую важность квантовые процессы приобретают именно для первичных черных дыр. Если в начале расширения Вселенной, когда вещество было плотным, образовались черные дыры массой, меньшей 1015г, то все они должны к нашему времени испариться
По этой причине процесс, открытый Хоукингом, имеет очень важное значение для космологии. Процесс испарения первичных черных дыр ведет к излучению высокочастотных фотонов — гамма-излучения. Так, черные дыры массой около 1015 г должны излучать кванты с энергией около 100 МэВ.
Наблюдение таких квантов, приходящих из космоса, в принципе могло бы помочь обнаружению первичных черных дыр. Пока же они не обнаружены, и можно только сказать, что количество черных дыр массой около 1015 г во Вселенной должно быть в среднем не больше, чем десять тысяч на каждый кубический парсек. Если бы их было больше, то общее количество гамма-квантов с энергией около 100 МэВ было бы больше наблюдаемого сейчас потока гамма-квантов из космоса. Количество «десять тысяч» кажется большим, но вспомним, что масса первичных черных дыр ничтожна по сравнению, скажем, с массой звезды.
Скорее в плане «мечтаний» (хотя и строго научных) можно представить себе в. отдаленном будущем искусственное изготовление в космосе малых черных дыр. Они могли бы аккумулировать энергию, затраченную на их изготовление, и затем излучать ее в заданном темпе и с заданной энергией частиц, которые определяются массой черных дыр. Так, черная дыра массой 1015 г будет испускать 1017 эрг/с на протяжении 10 млрд. лет.
Много еще неясного в новом явлении. Например, неизвестно, испаряется ли черная дыра совсем без остатка или на ее месте остается частичка с так называемой лланковской массой, 10-5 г. Неясно, можно ли наблюдать процесс испарения черных дыр во Вселенной. И, конечно, пока только фантастическими представляются какие-либо эксперименты с черными дырами в лабораториях физиков. Однако уже то, что известно, заставляет по-новому осмыслить многие аспекты эволюции материи во Вселенной.
Могут ли две черные дыры столкнуться
Теоретически это возможно, о чем сказано на официальном сайте НАСА. При столкновении 2-х черных дыр происходит их слияние в единый объект, практически с теми же свойствами, получается сверхмассивная черная дыра.
При этом нужно понимать, что черная дыра это не космический пылесос, который всасывает в себя все что не попадя. Она, как и любой другой объект имеет собственную гравитацию, которая притягивает объекты в зоне досягаемости своей силы тяготения. Чтобы 2 черные дыры слились в одно целое, необходимо чтобы хотя бы 1 из них попала в зону действия гравитации другой. Вероятность такого события увеличивается в системах с двумя массивными звездами, которые переходят в следующую фазу. А также вблизи центра галактики, где, как правило, располагаются сверхмассивные черные дыры и имеется большое скопление звезд.
Теоретически, такое событие как слияние черных дыр во вселенной происходит периодически и в масштабах вселенной это мгновения, а по нашему, человеческому времени на это может уйти не одно десятилетие.
