Содержание
«Пушистая черная дыра». Последняя работа Стивена Хокинга опубликована посмертно
- Николай Воронин
- Корреспондент по вопросам науки и технологий
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Автор фото, Getty Images
Коллеги Стивена Хокинга опубликовали его последнюю научную статью, над которой британский физик работал в последние недели жизни.
Хокинг успел закончить работу — буквально за несколько дней до своей смерти в марте текущего года, — но саму статью пришлось дописывать уже его соавтору, профессору Кембриджского университета Малькольму Перри.
Она посвящена так называемому информационному парадоксу: ученый несколько десятилетий пытался понять, что происходит с информацией в черных дырах.
- Стивен Хокинг: ученый, изменивший наше представление о Вселенной
- «Жизнь была бы трагичной, если бы не была забавной»: Стивен Хокинг в цитатах
Широкой публике Хокинг известен в первую очередь как популяризатор науки.
Его книга «Краткая история времени», изданная в 1988 году, стала мировым бестселлером.
Тяжелая болезнь, в результате которой физик оказался почти полностью парализован, не помешала ему стать одним из самых известных и уважаемых ученых современности.
Опубликованная накануне статья Хокинга и Перри называется Black Hole Entropy and Soft Hair («Энтропия черной дыры и легкий пушок») и продолжает серию работ британского физика, посвященных изучению природы черных дыр.
Столь странное, на первый взгляд, название статьи, является отсылкой к физической «теореме об отсутствии волос» у черной дыры, где «волосы» являются метафорой информации о материи, которую черная дыра поглощает и не выпускает обратно.
Пропустить Подкаст и продолжить чтение.
Подкаст
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
эпизоды
Конец истории Подкаст
Согласно расчетам Хокинга, черные дыры должны излучать элементарные частицы и со временем испаряться, однако это противоречит общим принципам квантовой механики. Противоречие это получило название «информационный парадокс», и над его разрешением ученый работал последние 40 лет.
Последняя работа не решает парадокс целиком, но указывает возможный путь объяснения — за счет фотонов, окружающих горизонт событий «лысой» черной дыры.
Хокинг и Перри и назвали эту фотонную пленку «легкий пушок» — и по нему можно судить об энтропии черной дыры, а это важный шаг на пути построения теории квантовой гравитации.
Как рассказал Малькольм Перри в интервью газете Guardian, в марте он позвонил Хокингу из Гарварда, где работал над статьей, чтобы рассказать о последних успехах.
«Стивену было очень трудно общаться, и меня перевели на громкую связь, чтобы я мог объяснить ему, как сильно мы продвинулись в расчетах.
И когда я закончил говорить, он просто широко улыбнулся. Я только сказал ему, что у нас есть прогресс. Но он уже знал конечный результат», — уверен профессор.
Через несколько дней Стивена Хокинга не стало.
Гравитационные волны подтверждают гипотезу Стивена Хокинга о черных дырах
«Закон площадей» гласит, что площадь поверхности
черной дыры не может уменьшаться со временем, — пишет sciencenews.org со
ссылкой на Physical Review Letters.
Несмотря на свою загадочную природу, считается, что черные дыры
подчиняются определенным простым правилам. Теперь один из самых
известных законов черной дыры, предсказанный физиком Стивеном
Хокингом, был подтвержден гравитационными волнами.
Согласно теореме о площади черной дыры, разработанной Хокингом в
начале 1970-х годов, черные дыры не могут со временем уменьшаться
в площади поверхности. Теорема площадей очаровывает физиков,
потому что она отражает известное физическое правило, согласно
которому беспорядок или энтропия не может уменьшаться со
временем.
Вместо этого энтропия постоянно увеличивается.
Это «захватывающий намек на то, что области черных дыр являются
чем-то фундаментальным и важным», — говорит астрофизик Уилл Фарр
из Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке и Института Флэтайрон в
Нью-Йорке.
Площадь поверхности одинокой черной дыры не изменится — в конце
концов, ничто не может вырваться изнутри. Однако, если вы бросите
что-то в черную дыру, она наберет больше массы, увеличивая
площадь своей поверхности. Но входящий объект также может
заставить черную дыру вращаться, что уменьшает площадь
поверхности. Закон площадей гласит, что увеличение площади
поверхности из-за дополнительной массы всегда перевешивает
уменьшение площади поверхности из-за добавленного вращения.
Чтобы проверить это правило области, астрофизики из
Массачусетского технологического института Максимилиано Иси, Фарр
и другие использовали рябь в пространстве-времени, вызванную
двумя черными дырами, которые скручивались внутрь и слились в
одну большую черную дыру.
Площадь поверхности черной дыры
определяется ее горизонтом событий — границей, из которой
невозможно выбраться. Согласно теореме площадей, площадь
горизонта событий вновь образованной черной дыры должна быть не
меньше, чем площади горизонтов событий двух исходных черных дыр
вместе взятых.
Команда проанализировала данные о первых когда-либо обнаруженных
гравитационных волнах, которые были обнаружены
Гравитационно-волновой обсерваторией Advanced Laser
Interferometer, LIGO, в 2015 году. Исследователи разделили данные
о гравитационных волнах на два временных сегмента, до и после
слияния, и рассчитали площади поверхности черных дыр в каждый
период. Площадь поверхности вновь образованной черной дыры была
больше, чем у двух исходных черных дыр вместе взятых, что
соответствовало закону площади с уровнем достоверности 95
процентов, сообщает команда.
«Это первый раз, когда мы можем назвать это численно», — говорит
Иси.
Теорема площади является результатом общей теории
относительности, которая описывает физику черных дыр и
гравитационных волн.
Предыдущий анализ гравитационных волн
согласовывался с предсказаниями общей теории относительности и,
таким образом, уже намекнул, что закон площадей не может сильно
отклоняться. Но новое исследование «является более явным
подтверждением» закона площадей, говорит физик Сесилия Чиренти из
Университета Мэриленда в Колледж-Парке, которая не принимала
участия в исследовании.
Пока что общая теория относительности хорошо описывает черные
дыры. Но ученые не до конца понимают, что происходит там, где
общая теория относительности, которая обычно применяется к
большим объектам, таким как черные дыры, встречается с квантовой
механикой, которая описывает такие мелкие предметы, как атомы и
субатомные частицы. В этом квантовом мире могут происходить
странные вещи.
Например, черные дыры могут испускать слабый туман из частиц,
называемый излучением Хокинга — еще одна идея, разработанная
Хокингом в 1970-х годах. Этот эффект может позволить черным дырам
сжиматься, нарушая закон площадей, но только в течение
чрезвычайно длительного периода времени, поэтому он не повлияет
на относительно быстрое слияние черных дыр, которое наблюдал
LIGO.
Физики ищут улучшенную теорию, которая объединит две дисциплины в
одну новую улучшенную теорию квантовой гравитации. Любое
несоблюдение черными дырами правил общей теории относительности
может указать физикам правильное направление для открытия этой
новой теории.
[Фото: sciencenews.org]
ученых утверждают, что волосатые черные отверстия объясняют Paradox
Опубликовано
Источник изображения, EHT
.
Научный корреспондент
Ученые говорят, что они решили один из самых больших парадоксов в науке, впервые выявленный профессором Стивеном Хокингом.
Он подчеркнул, что черные дыры ведут себя таким образом, что две фундаментальные теории противоречат друг другу.
Черные дыры — это мертвые звезды, которые схлопнулись и имеют такую сильную гравитацию, что даже свет не может вырваться.
Новое исследование утверждает, что разрешило этот парадокс, показав, что черные дыры обладают свойством, которое они называют «квантовыми волосами».
«Проблема решена!» Об этом эксклюзивно для BBC News заявил профессор Ксавьер Кальмет из Университета Сассекса с большим удовлетворением. Он был среди тех, кто разработал математические методы, которые, как говорят, разрешили парадокс.
В основе парадокса лежит проблема, угрожающая подорвать две наиболее важные теории физики. Общая теория относительности Эйнштейна говорит, что информация о том, что входит в черную дыру, не может выйти наружу, но квантовая механика утверждает, что это невозможно.
Профессор Кальмет и его коллеги говорят, что они показали, что составляющие звезды оставляют отпечаток в гравитационном поле черной дыры.
Ученые назвали отпечаток «квантовыми волосами», потому что их теория заменяет более раннюю идею под названием «теорема об отсутствии волос», разработанную профессором Джоном Арчибальдом Уилером из Принстонского университета в Нью-Джерси в 1960-е годы.
Источник изображения, BBC/Richard Ansett
Image caption,
Профессор Стивен Хокинг в 1970-х годах придумал парадокс, который предполагал, что либо общая теория относительности, либо квантовая механика не совсем верны.
Профессор Уилер придумал это название, потому что оно передает математическое описание черной дыры: сущности, которая имеет массу, вращение и заряд, но в остальном не имеет других физических характеристик, лысой, если хотите.
Теорема профессора Кальмета «Да волосы», опубликованная в журнале Physical Review Letters, является революционной. Он утверждает, что разрешает парадокс Хокинга, который глубоко беспокоил физиков с тех пор, как профессор Хокинг предложил его в 19 веке.70-е годы.
Парадокс поднял вероятность того, что либо квантовая механика, либо общая теория относительности могут иметь недостатки, что является ужасающей перспективой для физиков-теоретиков, поскольку они являются двумя столпами, на которых держится большая часть нашего понимания Вселенной.
- Опубликовано первое изображение черной дыры
- Измерение температуры черных дыр
- Хокинг: Черные дыры хранят информацию
Источник изображения, DR JEAN LORRE/SCIENCE PHOTO LIBRARY
Image caption,
Это изображение в искусственных цветах предполагает, что в центре галактик есть черная дыра. Но что происходит с материалом, который в них всасывается?
«Теорема о волосах да» претендует на разрешение парадокса путем преодоления разрыва между общей теорией относительности и квантовой механикой. Понятие квантовых волос позволяет информации о том, что попадает в черную дыру, снова выходить, не нарушая ни одного из важных принципов любой из теорий. Это простое и элегантное решение.
«Но пройдет некоторое время, прежде чем люди это примут, — говорит профессор Кальме.
Потому что это очень важно в мире теоретической физики.
«Хокинг придумал парадокс в год моего рождения, — говорит профессор Кальме.
С тех пор многие известные физики со всего мира работали над этим, предлагая очень драматические вещи для его объяснения, включая тех, кто предположил, что некоторые аспекты квантовой механики неверны.
«Поэтому потребуется некоторое время, чтобы люди признали, что для решения проблемы не нужно радикальное решение», — сказал профессор Кальме.
Если «теорема о волосах» выдержит проверку, он сказал, что это может стать первым шагом в соединении теорий относительности, которые касаются гравитации и квантовой механики, которые в основном сосредоточены на трех других силах природы, а именно электромагнетизме и две ядерные силы.
«Одним из следствий парадокса Хокинга была несовместимость общей теории относительности и квантовой механики. Мы обнаружили, что они очень совместимы.»
Исследовательская группа, в которую также входят профессор Роберто Касадио из Болонского университета и профессор Стивен Хсу из Мичиганского государственного университета, опиралась на работу профессора Суврата Раджу из Международного центра теоретических наук в Бангалоре, Индия.
Профессор Раджу с несколькими сотрудниками ранее показал, что вся информация внутри черной дыры может быть извлечена извне благодаря эффектам квантовой гравитации.
«За последние несколько лет было признано, что теорема об отсутствии волос неверна из-за квантовых эффектов, и это разрешает парадокс Хокинга», — сказал он.
Follow Pallab в Twitter
- Физика
- Черные дыры
- Стивен Хокинг
Теорема Хокинга о черных дырах, подтвержденная наблюдениями
Даже самые экстремальные объекты во Вселенной, включая черные дыры, должны подчиняться определенным правилам.
Центральный закон для черных дыр предсказывает, что общая площадь их горизонта событий — граница, за которую ничто не может выйти — никогда не должна уменьшаться. Этот закон — теорема площадей Хокинга, названная в честь физика Стивена Хокинга, который вывел теорему в 1971.
Пятьдесят лет спустя физики из Корнелла, Массачусетского технологического института и других организаций впервые подтвердили теорему Хокинга о площади, используя наблюдения гравитационных волн.
Их результаты были опубликованы в Physical Review Letters 1 июля. используя теоретическую модель, разработанную в Корнелле. Сигнал был продуктом двух вдохновляющих черных дыр, которые слились, чтобы создать новую черную дыру, а также огромное количество энергии, которая пульсировала в пространстве-времени в виде гравитационных волн.
«Идея о том, что вы действительно можете проверить теорему Хокинга о площади, кажется безумной», — сказал Сол Теукольски, профессор физики Ганса Бете в Колледже искусств и наук и соавтор статьи. «Вы должны пойти куда-нибудь и найти несколько черных дыр, измерить их площади и сложить их, а затем вернуться позже, когда они сольются, и измерить площадь последней черной дыры. К счастью, это то, что мы можем сделать, анализируя гравитационные волны, которые излучает система».
Если теорема Хокинга о площади верна, то площадь горизонта новой черной дыры не должна быть меньше общей площади горизонта ее родительских черных дыр. В новом исследовании физики повторно проанализировали сигнал от GW1509.
14 до и после космического столкновения и обнаружили, что действительно общая площадь горизонта событий не уменьшилась после слияния — результат, о котором они сообщают с 95-процентной достоверностью.
Их результаты знаменуют собой первое прямое наблюдательное подтверждение теоремы Хокинга о площади, которая была доказана математически, но до сих пор никогда не наблюдалась в природе. Команда планирует протестировать будущие сигналы гравитационных волн, чтобы увидеть, могут ли они еще больше подтвердить теорему Хокинга или стать признаком новой, законопослушной физики.
В 1971 году Стивен Хокинг предложил теорему о площади, которая положила начало ряду фундаментальных открытий о механике черных дыр. Это заявление было любопытной параллелью второму закону термодинамики, утверждающему, что энтропия, или степень беспорядка внутри объекта, также никогда не должна уменьшаться.
Сходство между двумя теориями предполагало, что черные дыры могут вести себя как термальные, излучающие тепло объекты — сбивающее с толку предположение, поскольку считалось, что черные дыры по самой своей природе никогда не пропускают энергию или излучают.
В конце концов Хокинг сопоставил две идеи в 1919 году.74, показывающий, что черные дыры могут иметь энтропию и излучать излучение в течение очень длительного времени, если принять во внимание их квантовые эффекты. Это явление было названо «излучением Хокинга» и остается одним из самых фундаментальных открытий о черных дырах.
«Все началось с осознания Хокингом того, что общая площадь горизонта черных дыр никогда не может уменьшиться. Закон площадей отражает золотой век 70-х годов, когда все эти идеи были получены», — сказал ведущий автор Максимилиано Иси, сотрудник НАСА. Постдокторант Эйнштейна в Массачусетском технологическом институте.
Хокинг и другие с тех пор показали, что теорема площади работает математически, но не было никакого способа проверить ее против природы до первого обнаружения LIGO гравитационных волн.
В 2019 году Мэтью Гислер, научный сотрудник Корнельского центра астрофизики и планетологии (A&S), и другие соавторы новой статьи разработали метод извлечения реверберации сразу после пика GW150914 — момента, когда два родителя черные дыры столкнулись, образовав новую черную дыру.
Команда использовала эту технику, чтобы выбрать определенные частоты или тона шумных последствий, которые они могли использовать для расчета окончательной массы и вращения черной дыры.
Затем они разработали модель для анализа сигнала до пика, соответствующего двум вдохновляющим черным дырам, и для определения массы и вращения обеих черных дыр до их слияния. Исходя из этих оценок, они рассчитали общую площадь их горизонта — примерно 235 000 квадратных километров, или примерно в два раза больше площади штата Нью-Йорк.
Они использовали свою предыдущую технику для извлечения «кольца» или реверберации вновь образованной черной дыры, из чего они рассчитали ее массу и вращение, а в конечном итоге площадь ее горизонта, которая, как они обнаружили, была эквивалентна 367 000 квадратных километров (приблизительно три раз больше площади Нью-Йорка).
«Данные показывают с подавляющей уверенностью, что площадь горизонта увеличилась после слияния и что закон площадей выполняется с очень высокой вероятностью», — сказал Иси.