Что может покинуть черную дыру
Можно ли “сбежать” из черной дыры? в закладки
Черные дыры представляют собой объекты, у которых так много материи сосредоточено в одной точке, что ничто — даже свет — не может выйти из определенной области вокруг них. Это было особенностью ньютоновой гравитации; это особенность общей теории относительности Эйнштейна; и когда у нас будет полная квантовая теория гравитации, мы в полной мере ожидаем от нее того же. Когда достаточно массивная звезда умирает и ее ядро коллапсирует, проходя стадию атомов, ядер, нейтронов и свободных кварков, происходит забавное событие: даже двигаясь со скоростью света, ничто не может покинуть эту область пространства.
Преодолевая этот порог, все сжимается в сингулярность в центре этой бывшей звезды. Так рождается черная дыра, и следующие триллионы лет она будет расти, пожирая все, до чего сможет дотянуться.
Вы могли бы подумать, что в чем-то подвох:
Но нет, все это непреложные истины. Никакого «возможно». И несмотря на заявления Стивена Хокинга о том, что может существовать возможный выход, никакая смекалка не позволит чему-либо, что попало в черную дыру, ее покинуть.
Скорость убегания — забавная штука: она говорит, что в конкретной области пространства имеется есть гравитационная «тяга», и если ваша скорость превысит определенный порог — скорость убегания — вы сможете ее преодолеть. При более низком ее значении скорость позволит вам оставаться на стабильной орбите, где вы не будете убегать, но будете вечно падать и никогда не упадете. И если ваша скорость будет недостаточно велика, вы упадете на гравитационный источник, от которого пытаетесь убежать.
Что это означает, если ваша скорость убегания больше скорости света? Поскольку ничто не может превышать скорость света, это значит, что нет никакой возможности сбежать. И более того. Если вы внутри горизонта событий и хотите приложить силу, чтобы «вытолкнуть» что-то, что пытается вас сдавить, вы не сможете. Приложить силу или вытолкнуть означает передвинуть частицу наружу. Но все частицы ограничены скоростью света. И если скорость убегания больше скорости света, вы не сможете преодолеть точку, в которой вас сдавливает; вы не сможете выйти из сингулярности. Кроме того, и это забавно, из этого следует, что как только вы упадете за пределы горизонта событий черной дыры, вы будете видеть сингулярность во всех направлениях. Сингулярность неизбежна.
Это также означает, что если вы подойдете к горизонту событий и попытаетесь что-то опустить за его пределы, словно потрогать кончиком пальца воду, его уже не вернуть. Часть вашего тела за пределами горизонта событий все еще будет затягиваться, но часть внутри уже нельзя будет вернуть; нет никакого способа извлечь из черной дыры материал — даже частицы-переносчики сил — засосанный в сингулярность. Вашей единственной надеждой будет то, что кто-то милостивый рядом отрубит вам ногу.
Почему же в таком случае Стивен Хокинг заявил, что есть возможность сбежать из черной дыры? Почему он сказал, выступая в Гарварде:
«Они не являются вечными тюрьмами, как думали раньше. Если вы чувствуете, что попали в черную дыру, не сдавайтесь. Существует выход».
Потому что он говорил не о вас. Он говорил об информации, которая составляет вас на момент падения: когда вы пересекаете горизонт событий. Когда объекты падают в черную дыру, они обладают информацией любого сорта: будь то материя или антиматерия, барионы или лептоны, электроны или мюоны, нейтрино или нейтроны. Но согласно общей теории относительности (классической, во всяком случае), черная дыра обладает тремя информационными свойствами: массой, электрическим зарядом и угловым моментом.
Знаменитый «информационный парадокс черной дыры» заключается в том, что когда черная дыра наконец распадается (благодаря излучению Хокинга), остается лишь полная энергия, электрический заряд и угловой момент; все остальное случайно. Другими словами, вся лишняя информация уничтожается. Последняя работа Хокинга говорит о вещах куда менее фантастических, чем побег из черной дыры; она говорит о том, что всякий раз, когда новая частица падает в черную дыру, она меняет информацию, закодированную на поверхности черной дыры. И поскольку поверхность черной дыры (или площадь поверхности) зависит от массы и энергии внутри нее, эта информация должна выходить наружу, перемолотая, но закодированная в излучении Хокинга. Подобно тому, как сожженная книга содержит информацию на страницах (хотя и не в очень удобном формате), выходящее излучение Хокинга может содержать информацию о том, что упало в черную дыру.
Это далеко от побега из черной дыры, но представляет собой возможное решение информационного парадокса, как ни крути. Тем не менее, если вы полны решимости выбраться из черной дыры, есть только один способ сделать это, который подчиняется известным законам физики: не попадайте туда.
Что может вырваться из черной дыры?
Черная дыра – это область пространства-времени с огромным гравитационным притяжением. Любое тело в космосе обладает гравитационным полем, которое хоть сколько-нибудь искривляет пространство-время. Например, чтобы преодолеть гравитационное поле нашей Земли, объекту необходимо достигнуть первой и второй космической скорости. Современные двигатели вполне способны придать космическому кораблю необходимый импульс.
Но чтобы покинуть пределы черной дыры, объекту необходимо разогнаться до скорости, превышающей скорость света. Современная физика считает, что ничто во Вселенной не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света – и кванты самого света, конечно, тоже. Именно поэтому мы можем утверждать, что ничто, даже свет, не может покинуть черную дыру.
Или все-таки может? Удивительный мир квантовой механики утверждает, что и черная дыра может излучать в пространство. Чтобы понять, как это становится возможно, необходимо рассказать о том, что представляет наше пространство на уровне элементарных частиц.
Квантовая теория поля утверждает, что все пространство-время Вселенной в любой точке различными энергетическими полями. Если взять пустое пространство – физический вакуум — измерить его точнейшими современными приборами и увидеть, что в этом пространстве не наблюдается ни одного фотона, то можно сказать что поле находится в состоянии наименьшей энергии, то есть не способно отдавать энергию. Получается, энергия поля равна нулю? Вовсе нет. Даже в этом случае невозможно точно (определенно) измерить энергию данного поля, иначе это нарушило бы принцип неопределенности (или принцип Гейзенберга) – основу квантовой механики. Получается, что даже в состоянии с наименьшей энергией мы можем задать значение энергии поля только лишь распределением вероятности. А это значит, что в физическом вакууме будут всегда происходить различные флуктуации.
А теперь представим, что пары виртуальных частиц рождаются на самом горизонте событий черной дыры. Среди бесчисленного множество таких пар может возникнуть и такая, которая под воздействием гравитационного поля перейдет в реальное состояние. При этом когда-нибудь наступит такой момент, что одна из частиц упадет в черную дыру, а другая сможет избежать падения, выйдя на удачную траекторию полета, которая словно из пращи «отшвырнет» частицу обратно в космос, придав ей огромное ускорение.
Заметим, что реальные частицы не родились сами по себе – их своей энергией создала черная дыра, излучив затем одну из частиц в космос. Можно подсчитать, что упавшая за горизонт событий первая частица не смогла компенсировать черной дыре потерю в энергии, которую она расходовала на превращение виртуальных частиц в реальные, а затем на придание импульса второй частице. Получается, черная дыра не только излучила в космос частицу, но и потеряла из-за этого часть своей энергии, а значит и массы. Теоретически, со временем она должна просто испариться – ведь каждое мгновение рождается бесчисленное множество виртуальных частиц, а материя вблизи черной дыры рано или поздно заканчивается.
Стивен Хокинг — один из самых известных физиков-теоретиков современности
Данное излучение носит имя известного физика-теоретика Стивена Хокинга и называется «излучением Хокинга». Доказать или опровергнуть теорию Стивена Хокинга можно измерив тепловой спектр излучения вблизи горизонта событий черной дыры, однако современная техника пока что не достигла должного уровня для столь сложных наблюдений. Вокруг существования излучения Хокинга по сей день ведутся ожесточенные дискуссии.
| Это интересно: некоторые физики полагают, что именно излучение Хокинга испаряет те микроскопические черные дыры, которые могли бы теоретически возникнуть во время экспериментов на Большом адронном коллайдере. |
Точку в спорах могло бы поставить обнаружение исчезающих черных дыр – каждое испарение теоретически должно оканчиваться грандиозным взрывом. Однако пока что никаких следов подобных происшествий не обнаружено – скорее всего, возраст Вселенной пока еще слишком мал, чтобы даже первые образовавшиеся в ней черные дыры подошли к концу своей жизни.
Иллюстрация: depositphotos | aaronrutten
Никто не знает, куда черные дыры девают информацию
Если «погуглить», Стивен Хокинг будет среди самых известных физиков последнего времени. Его самая известная работа касается информационного парадокса черной дыры. Если вы интересуетесь физикой, вам это, конечно же, известно. До Хокинга черные дыры не были парадоксальными. Да, если бы вы бросили книгу в черную дыру, вы бы не смогли ее прочитать. Потому что все, что пересекает горизонт событий черной дыры, уже недоступно извне. Горизонт событий — это замкнутая поверхность, которую не может покинуть изнутри даже свет. Нет никакого способа извлечь информацию из черной дыры; книги больше нет. Это печально, но не особо расстраивает физиков. Информацию из книги уже не извлечь, но в этом нет ничего парадоксального.
В черных дырах еще слишком много загадок
Излучение черных дыр
И затем пришел Стивен Хокинг. В 1974 году он показал, что черные дыры испускают излучение, и это излучение не переносит информацию. Оно совершенно случайно, за исключением распределения частиц в зависимости от энергии, которая является спектром Планка с температурой, обратно пропорциональной массе черной дыры. Если черная дыра излучает частицы, она теряет массу, сжимается и становится горячее. По прошествии достаточного количества времени и излучив достаточно частиц, черная дыра исчезнет, и вы уже никак не сможете достать информацию, попавшую в нее. Черная дыра испарилась, книги внутри больше нет. Куда же делась информация?
Вы можете пожать плечами и сказать: «Ну и хрен с ней, делась и всё. Разве мы не теряем информацию постоянно?». Нет, не теряем. По крайней мере не принципиально. На практике мы постоянно теряем информацию, это правда. Если вы сожжете книгу, вы уже не сможете прочитать то, что в ней было. Однако, с фундаментальной точки зрения, вся информация, представляющая собой книгу, по-прежнему содержится в дыму и пепле.
Что будет с информацией?
Потому что законы природы, насколько известно лучшим нашим физикам, можно прокручивать вперед и назад — каждое уникальное изначальное состояние соответствует уникальному конечному состоянию. Не бывает два изначальных состояния, которые оказываются в одном конечном состоянии. История сожженной вами книги будет совершенно другой задом-наперед. Если бы вы могли очень и очень аккуратно собрать дым и пепел нужным образом, вы могли бы сжечь книгу наоборот и восстановить ее, буквально собрав из пепла. Это крайне маловероятный процесс, и вряд ли вы когда-нибудь засвидетельствуете его на практике. Но, в принципе, это возможно.
Все происходит именно тут.
Только не с черными дырами. Из чего бы черная дыра ни сложилась, это уже будет не важно, когда вы заглянете на последнюю страницу. В конечном счете у вас останется только тепловое излучение, которое — в честь его первооткрывателя — называется «излучение Хокинга». В этом парадокс: процесс испарения черной дыры нельзя провернуть задом наперед. Он необратим. И это очень печалит физиков, потому что громогласно заявляет: вы не понимаете законов природы.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Куда девается информация в черной дыре
Потеря информации в черной дыре парадоксальна, потому что указывает на внутреннюю несогласованность наших теорий. Когда мы «женим» общую теорию относительности на квантовых теориях поля стандартной модели, и Хокинг проделал это в своих расчетах, результаты больше не совместимы с квантовой теорией. На фундаментальном уровне каждое взаимодействие с участием частиц должно быть обратимым. Но поскольку процесс испарения черной дыры необратим, Хокинг показал, что две этих теории, увы, не сочетаются.
Казалось бы, это противоречие, очевидно, вытекает из того, что необратимое испарение было получено без принятия во внимание квантовых свойств пространства и времени. Для этого нам понадобилась бы квантовая теория гравитации, которой у нас пока нет. Поэтому большинство физиков верят в то, что квантовая гравитация устранит парадокс — пока они просто не знают, как он работает.
Как правило, вопросов больше, чем ответов.
Сложность обвинения квантовой гравитации, однако, в том, что на горизонте не происходит ничего интересного — это царство, в котором прекрасно работает общая теория относительности. Потому что сила квантовой гравитации должна зависеть от кривизны пространства-времени, но эта кривизна на горизонте черной дыры обратно зависит от массы черной дыры. То есть чем больше черная дыра, тем меньше будут ожидаемые квантово-гравитационных эффекты на горизонте.
Квантово-гравитационные эффекты станут заметны только тогда, когда черная дыра достигнет массы Планка, примерно 10 микрограммов. Когда черная дыра усыхает до такого размера, информация может быть высвобождена благодаря квантовой гравитации. Но в зависимости от того, из чего сформировалась черная дыра, в ней к тому моменту может застрять сколь угодно большое количество информации. И когда остается только масса Планка, выудить так много информации при наличии столь малой энергии для ее декодирования будет трудно.
В течение последних сорока лет решить эту загадку пытались самые светлые умы планеты. Может показаться странным, что такая далекая от нас проблема привлекает так много внимания, но у физиков есть на то веские причины. Испарение черных дыр — лучше всего изученный случай взаимодействия квантовой теории и гравитации, а значит, в этом может быть ключ к созданию правильной теории квантовой гравитации. Решение этого парадокса может быть прорывным и, без сомнения, приведет к принципиально новому пониманию природы.
Что происходит с информацией в черный дырах
До сих пор большинство попыток разрешить потерю информации в черной дыре попадали в одну из четырех больших категорий, каждая со своими плюсами и минусами.
1. Информация рано высвобождается. Информация начинает утекать задолго до того, как черная дыра достигает планковской массы. Сейчас этот вариант самый популярный. Но до сих пор неясно, каким образом эта информация кодируется в излучении и как обходит расчеты Хокинга.
Преимущество этого решения заключается в его совместимости с тем, что мы знаем о термодинамике черных дыр. Недостаток же в том, что для этой работы будет неизбежным своего рода нелокальность — жуткое действие на расстоянии. Что еще хуже, недавно было заявлено, что если информация будет утекать рано, черные дыры будут окружены высокоэнергетическим барьером: огненной стеной (firewall). Если файрвол существует, это будет означать, что будет нарушаться лежащий в основе общей теории относительности принцип эквивалентности. Не очень красиво.
Красота черной дыры
2. Информация хранится либо высвобождается позднее. В этом случае информация остается в черной дыре, пока квантово-гравитационные эффекты не станут сильными, когда черная дыра достигнет планковской массы. Тогда информация будет либо высвобождена с оставшейся энергией, либо навсегда останется в ее остатке.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Преимущество этого варианта в том, что он не требует модификации общей теории относительности или квантовой теории в тех местах, где нам этого не хотелось бы. Они ломаются именно там, где должны ломаться: когда кривизна пространства-времени становится чересчур большой. Недостаток заключается в том, что все это приводит к еще одному парадоксу: в слабом фоновом поле могут бесконечно появляться пары черных дыр, то есть постоянно вокруг нас. Теоретическое подкрепление этому аргументу есть, но очень слабенькое.
3. Информация уничтожается. Сторонники этого подхода просто соглашаются с тем, что информация теряется, попадая в черную дыру. Но этот вариант давно считается грубым нарушением закона сохранения энергии и приводит к куче несоответствий. За последние годы, однако, появились лазейки, указывающие на возможность сохранения энергии при потере информации, и вариант воскресили. Хоть он и не очень популярный.
Но как и с первым вариантом, чтобы проверить возможность уничтожения информации, нужно модифицировать квантовую теорию. Потребуется такая модификация, которая не приведет к конфликту с какими-либо другими экспериментами, проверившими и подтвердившими квантовую механику. Но поскольку квантовая механика — экспериментально самая проверенная наука, сделать это будет сложнее.
4. Черной дыры нет. Черная дыра никогда не сформировалась, и информация никогда не пересекла горизонт. Это решение всплывало раньше и всплывает сейчас, но так и не нашло широкого круга сторонников. Преимущество его в том, что оно обходит расчеты Хокинга. Недостаток в том, что оно требует серьезных отклонений в ОТО в малых режимах кривизны и его трудно совместить с точными тестами гравитации.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
Есть несколько других решений, которые пока не вошли ни в одну из категорий, но мы не будем сегодня их затрагивать. По сути, нет ни одного хорошего обзора на эту тему — наверное, потому что одна мысль о его компиляции ввергает в ужас и шок. Литературы очень много. Потеря информации в черной дыре, наверное, остается самым обсуждаемым парадоксом современности. И будет оставаться таковым.
Температура черных дыр, которые мы можем наблюдать сегодня, слишком мала, чтобы мы могли ее уловить. Таким образом, в обозримом будущем никто не сможет измерить, что происходит с информацией, которая пересекает горизонт. И спустя десять лет проблема, вероятно, останется нерешенной.
Как умирают черные дыры?
Самыми таинственными объектами во Вселенной по праву можно назвать черные дыры – области пространства-времени гравитация которых настолько сильна, что ничто, даже свет, не может их покинуть. Интересно, что на просторах бесконечной Вселенной существуют черные дыры, масса которых превышает массу Солнца в пять-сто раз, но есть и такие, чья масса превышает миллиард солнечных. Сегодня астрономы считают, что сверхмассивные черные дыры скрываются в сердце большинства галактик, отмечая при этом, что Вселенная находится в так называемой «звездной эре» – этапе эволюции Вселенной, во время которого звезды и галактики рождаются непрерывно. Но что лежит за границей звездной эры? Исследователи полагают, что в конечном итоге все ингредиенты для создания черных дыр будут исчерпаны, а звезды в ночном небе медленно погаснут, превратив тем самым черные дыры в единственных обитателей Вселенной. Но даже эти космические монстры не могут существовать вечно. Когда-нибудь и они погибнут, озарив, на прощание, пустое и безжизненное пространство фейерверком.
Доказать существование черных дыр ученым удалось совсем недавно.
Как появляются черные дыры?
Та часть вещества, которую не выбросило в межзвездную среду, как правило, преобразуется либо в компактный объект – нейтронную звезду (в случае, если масса звезды до взрыва составляла более 8 солнечных масс), либо в черную дыру – область пространства-времени, в которой всем управляет ее величество гравитация (в случае, если масса оставшегося после взрыва ядра превышает солнечную в пять раз).
Так выглядит вспышка сверхновой в объективе космического телескопа NASA Hubble.
Как отмечают астрономы, подобная связь между рождением черной дыры и смертью звезды, которая ее образовала, довольно распространенное явление во Вселенной. Особенно близки черные дыры с другими звездами в тех ее уголках, где звездообразование происходит с высокой скоростью. Напомним также, что звездообразование является крупномасштабным процессом, в ходе которого из межзвездного газа в галактике начинают массово формироваться звезды.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира астрономии и физики? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
Эволюция черных дыр
Итак, после рождения черной дыры в результате гибели массивной звезды, ее главным занятием становится поглощение любых объектов, оказавшихся поблизости. В некоторых случаях поглощенный материал (газ и звезды) окружает этих космических монстров, двигаясь все быстрее и скапливаясь вокруг. Так как трение между пылью генерирует тепло, аккреционный диск черной дыры начинает светиться, очерчивая ее тень или горизонт событий. Именно его в 2019 году удалось сфотографировать ученым, о чем подробно рассказал мой коллега Николай Хижняк в своем материале.
Но помимо того, что горизонт событий окружает черную дыру, он также является ключом к ее гибели. Все потому, что любой поглощенный черной дырой материал пропадает навсегда, по крайней мере, это следует из нашего понимания гравитации. Однако эта так называемая точка невозврата не учитывает квантовую механику – да, да, физики по-прежнему трудятся над созданием единой теории квантовой гравитации и, кстати, недавно добились довольно интересных результатов.
Стивен Хокинг – английский физик-теоретик, космолог и астрофизик. Хокинг первым изложил космологическую теорию, в которой были объединены представления общей теории относительности и квантовой механики.
Исследователи сравнивают этот процесс с песочными часами, где песок наверху – это количество времени, оставшееся у черной дыры. Поглощая все больше звезд и газа, прожорливый космический монстр продолжает добавлять песчинки в «тикающие» песочные часы, даже когда отдельные частицы просачиваются наружу. Но по мере старения Вселенной материал вокруг черной дыры иссякнет, знаменуя ее неминуемую погибель.
Кстати, самая мощная из когда-либо зарегистрированных сверхновых (ASSASN-15lh) сегодня считается в 22 триллиона раз более взрывоопасной, чем черная дыра в ее последние мгновения. А как вы думаете, каким будет конец Вселенной? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.