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.
Прическа для черных дыр: физики разгадали знаменитый парадокс черных дыр Стивена Хокинга
Черные дыры, наверное, самые странные объекты во Вселенной. Само их существование и поведение не вписывается в систему представлений современной физики о мире. Однако сейчас считается, что, если удастся их понять и объяснить, это будет великим прорывом и закроет большую часть вопросов о понимании Вселенной.
Одна из самых больших загадок — куда девается материя, которую втягивает в себя черная дыра? Согласно классическим представлениям считалось, что она просто хранится внутри черной дыры в крайне сжатом состоянии. Масса самой дыры при этом увеличивается. Также традиционно считалось, что черная дыра вечна и неуничтожима. Для описания такого подхода когда-то прижилась научная метафора: астрофизик Джон Уилер образно сказал, что «черные дыры не имеют волос» в том смысле, что это совершенно «лысый» объект с минимальным количеством характеристик.
То есть две черные дыры одинаковой массы будут совершенно неотличимы.
В 1975 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры на самом деле смертны. Он подсчитал: то, как эти объекты искривляют Вселенную, должно менять природу окружающих квантовых полей. А это взаимодействие, в свою очередь, должно приводить к «испарению» черных дыр. Но в этом случае открытым остается вопрос: куда все же девается материя, которую втянула в себя черная дыра? По законам физики ничего в этом мире просто так исчезнуть не может — всё всегда превращается во что-то другое.
В 2015 году Стивен Хокинг озвучил новую идею: вся материя, которая всасывается в черную дыру, оставляет свой отпечаток возле горизонта событий (граница, за которую ничего не может вырваться). Информация хранится там в виде частиц с почти нулевой энергией. Это и есть так называемые «волосы» черной дыры. Если это так, то две черные дыры с одинаковой массой будут, конечно же, различаться по своим внешним характеристикам. Если говорить упрощенно, когда дыра испарится, «волосы» останутся, а значит, материя не исчезнет.
На роль частиц, которые составляют «прическу» черной дыры, предлагались фотоны (частицы света) и гравитоны (теоретическая частица гравитационного взаимодействия, существование которой не доказано).
Стивен Хокинг не успел довести до конца математические расчеты, доказывающие эту теорию. В 2016 году вместе с коллегами он опубликовал статью с расчетами для фотонов, при этом несколько вопросов так и остались открытыми. Физики-теоретики продолжили дело ученого после его смерти.
17 марта в журнале Physical Review Letters вышла статья ученых из Великобритании, США и Италии, где были представлены расчеты «волос» черных дыр для гравитонов. Кратко об этом рассказывают Science Alert, Guardian.
В публикации физики показывают, как гравитоны потенциально могут вести себя при определенных энергетических условиях. Ученые сформулировали логичную модель того, как информация, втянутая черной дырой, может оставаться связанной с окружающим пространством даже через горизонт событий с помощью небольших возмущений гравитационного поля (те самые «волосы»).
Таким образом, здесь гравитационное взаимодействие представляется в виде квантовой структуры с участием специальных частиц. Это еще один серьезный шаг к объединению общей теории относительности Эйнштейна с квантовой физикой, а значит, формулированию теории всего, объясняющей Вселенную.
«Наше решение не требует спекулятивной идеи. Вместо этого наше исследование демонстрирует, что две теории можно использовать для последовательных расчетов черных дыр и объяснения того, как хранится информация, без необходимости в радикально новой физике», — сказал профессор Ксавье Кальме из Университета Сассекса, руководивший работой.
Пока нет очевидного способа проверить новую теорию с помощью астрономических наблюдений — гравитационные «волосы» слишком малы, чтобы их можно было измерить. Так что в научном сообществе, скорее всего, будут снова идти активные дискуссии.
Между тем в физике распространена практика, когда теоретические расчеты со временем, с развитием науки и техники, подтверждаются экспериментально.
Яркий пример — бозон Хиггса, предсказанный еще в 1964 году, а открытый лишь в 2012-м. Сами черные дыры, кстати, тоже долго считались лишь теоретическим построением, а в 2019 году мир увидел первое фото этого объекта.
На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации
Теорема Хокинга о черной дыре подтверждена 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 Хокинга о площади, названная в честь физика Стивена Хокинга, который вывел эту теорему в 1971 году.
Пятьдесят лет спустя физики из Корнелла, Массачусетского технологического института и других организаций впервые подтвердили теорему Хокинга о площади, используя наблюдения за гравитационными волнами.
Их результаты появились в журнале Physical Review Letters 1 июля.0003
В ходе исследования исследователи более внимательно изучили GW150914, первый сигнал гравитационной волны, обнаруженный лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в 2015 году, что было подтверждено с помощью теоретической модели, разработанной 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 GW150914 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 утверждение 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 о площади работает математически, но не было никакого способа проверить ее на природе 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, на основании 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. «Было облегчением то, что наш результат действительно согласуется с парадигмой, которую мы ожидаем, и подтверждает наше понимание этих сложных слияний черных дыр».
Команда планирует продолжить проверку теоремы Хокинга о площади и других давних теорий механики черных дыр, используя данные LIGO и Virgo, ее аналога в Италии.
«Удивительно, что новые методы, которые мы разработали для повторного анализа первого слияния, теперь позволили нам, наконец, проверить предложение Хокинга», — сказал Гислер. «Теорема площади на самом деле является утверждением теории относительности Эйнштейна, поэтому мы проверяем Эйнштейна здесь. По мере совершенствования детекторов мы продолжим исследовать гравитационные волны от черных дыр с исключительной точностью, постоянно ища точку, в которой теория Эйнштейна может окончательно рухнуть».
Другими соавторами статьи являются Уилл Фарр из Университета Стоуни-Брук и Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон и Марк Шил из Калифорнийского технологического института.
Исследование частично поддержали НАСА, Фонд Саймонса и Национальный научный фонд.
Версия этой истории также появляется в Cornell Chronicle.
Стивен Хокинг и наука о черных дырах
Он был последним физиком, чей уникальный профиль вышел за рамки науки и стал, подобно Эйнштейну, иконой популярной культуры. Его образ по-прежнему связан с полем, на долю которого приходится основная часть его работ, — черными дырами. Открытия Стивена Хокинга (8 января 1942 – 14 апреля 2018 г.) пролили свет на тьму этих загадочных астрономических объектов, но в то же время подняли вопросы, которые будут беспокоить ученых еще десятилетия.
В сознании людей черные дыры часто представляются как огромные космические пылесосы, всасывающие все на своем пути, включая свет.
Это вызывающая воспоминания, но неверная идея. Черная дыра не является и не создает вакуума, а совсем наоборот; оно притягивается под действием гравитации, потому что плотность его массы так огромна. Отсюда следует, что нам нечего бояться, если Солнце будет заменено черной дырой той же массы — хотя наш мир был бы намного холоднее и темнее, планеты продолжали бы беспрепятственно вращаться по орбитам, потому что масса черной дыры быть эквивалентным Солнцу.
Существование черных дыр вытекает из общей теории относительности, опубликованной Альбертом Эйнштейном в 1915 году, и последующих работ Роберта Оппенгеймера, Карла Шварцшильда, Субрахманьяна Чандрасекара и других. Пространство и время образуют ткань, искривленную массой, как батут. Черная дыра — это шар настолько тяжелый, что в его центре есть сингулярность, область настолько бесконечно плотная, что она схлопывает бездонный трамплин. Любой объект, который мы поместим рядом, будет стремиться упасть на шар, поэтому гравитационный эффект черной дыры ощущается в его окружении.
Астрофизики смогли идентифицировать множество таких черных дыр, обнаружив космические объекты, вращающиеся вокруг кажущейся пустоты; это гравитационное притяжение выявляет присутствие чего-то, что иначе совершенно невидимо.
Решетчатая аналогия деформации пространства-времени, вызванная планетарной массой. Кредит:
Mysid
Эти черные дыры часто называют звездными черными дырами; они возникают после смерти звезды, чье внутреннее газовое давление, выталкиваемое наружу, больше не может противодействовать огромной силе гравитации, которая сжимает ее оставшееся вещество, пока она не коллапсирует в черную дыру, масса которой в пару десятков раз превышает массу Солнца. Они крошечные по сравнению с теми, которые могут хранить до миллионов солнечных масс, сверхмассивными, которые находятся в центре многих галактик. С другой стороны, есть черные дыры, еще мельче звездных, микрочерные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной.
Точка невозврата
Независимо от их размера, все они окружены невидимой границей, называемой горизонтом событий, точкой невозврата, за которую ничто не может выйти, даже свет.
Вокруг этого горизонта массы пыли и газа настолько ускоряются гигантским приливом гравитации, что нагреваются и светятся, излучая излучение и иногда образуя аккреционный диск, что позволяет нам наблюдать тень, которую сама черная дыра отбрасывает на светящуюся звенеть. Благодаря этому эффекту 10 апреля 2019 года удалось добиться успеха Телескопу горизонта событий (EHT), международному сотрудничеству наземных радиотелескопов.в предоставлении человечеству первого изображения черной дыры, которая занимает центр галактики M87.
Открытия Стивена Хокинга пролили свет на тьму черных дыр, но в то же время подняли вопросы. Авторы и права: NASA
В 1974 году исследование Хокинга, опубликованное в журнале Nature , потрясло науку того времени, предположив, что черные дыры не такие уж черные и что они не растут бесконечно, как предполагали физики, в том числе и он сам. Его гениальность заключалась в том, чтобы объединить два традиционно непримиримых мира: общую теорию относительности — эйнштейновскую гравитацию, используемую для объяснения образования и эволюции черных дыр, — и квантовую механику, описывающую природу субатомного мира.
В своих более ранних работах Хокинг показал, как теория относительности привела к сингулярности черной дыры, но тогда нужно было вскрыть квантовый сундук, чтобы объяснить, что там происходит.
Как объяснил Хокинг в общедоступной версии своей теории — формально неверной для облегчения понимания, как объяснил физик Итан Сигел, — квантовая теория предполагает непрерывное создание виртуальных пар частица-античастица, которые почти мгновенно аннигилируют друг друга. Но если это произойдет прямо на краю горизонта событий черной дыры, это может привести к тому, что античастица с отрицательной энергией упадет внутрь, похитив энергию у черной дыры, а ее партнер улетит в космос с такой же положительной энергией. В конце концов, это привело бы к полному испарению черной дыры без выхода из нее материи или энергии; хотя, как указал Хокинг в своем исследовании, «для черной дыры солнечной массы это намного больше, чем возраст Вселенной». В гораздо меньших черных дырах это было бы быстрее и завершилось бы финальным взрывом, эквивалентным «1 миллиону 1-мегатонных водородных бомб», писал он.
Визуализация имитирует внешний вид черной дыры, в которой падающая материя собирается в тонкую горячую структуру, называемую аккреционным диском. Авторы и права: Event Horizon Telescope Collaboration
Излучение Хокинга
Демонстрация Хокингом того, что черные дыры могут излучать излучение, является «самым важным его результатом», — Хуан Малдасена, физик из Принстонского института перспективных исследований, внесший значительный вклад в теорию струн и квантовую теорию гравитация, говорит OpenMind . Но в то время это излучение Хокинга открыло настоящий раскол между релятивистами и квантовыми физиками, поскольку у последних теперь была радикальная проблема: если, согласно квантовой физике, информация, связанная с частицами, никогда не уничтожается, но никакая материя или энергия никогда не ускользает черная дыра, как черная дыра может просто исчезнуть, унеся с собой эту информацию?
Излучение Хокинга широко распространено в современной физике, хотя его практически невозможно измерить и, следовательно, проверить.
Как это ни парадоксально, оно выбрасывается в больших количествах меньшими, необнаружимыми черными дырами, в то время как более крупные, те, которые астрофизики могут изучать непосредственно, производят так мало, что его невозможно отличить от космического фонового излучения. Но, по крайней мере, подобное явление воссоздано в лаборатории: исследователи Технионского технологического института Израиля создали аналоги крошечных черных дыр, которые работают со звуком, а не со светом, и сумели продемонстрировать нечто похожее на излучение Хокинга. Эти эксперименты подтвердили два предсказания физиков: излучение спонтанно — оно генерируется из пустого пространства — и что оно стационарно — его интенсивность не меняется со временем.
«Мягкие волосы» черных дыр
Но со своей стороны, так называемый информационный парадокс, по мнению Малдасены, остается самым важным из вопросов, поднятых работой Хокинга. Этот вопрос занимал физиков последние полвека, включая самого Хокинга, который до самой смерти неустанно искал теорию, способную объединить общую теорию относительности и квантовую механику, другими словами, квантовую теорию гравитации, описывающую то, что происходит внутри черных дыр.
.
Стивен Хокинг объясняет черные дыры за 90 секунд. Фото:
BBC
В последних работах известного физика было предложено решение проблемы поиска информации. В 1970-х годах Джон Уилер, популяризировавший термин «черная дыра», и Джейкоб Бекенштейн утверждали, что «черные дыры не имеют волос» в том смысле, что «единственные свойства, которыми может обладать черная дыра, — это ее масса, ее электрический заряд и угловой момент», — рассказывает физик из Кембриджского университета Малкольм Перри, сотрудник Хокинга.0069 OpenMind . Таким образом, «если бы кто-то наблюдал черную дыру, вы ничего не могли бы сказать о том, как она образовалась», поскольку вся остальная информация внутри нее теряется; горизонт событий — это, так сказать, оголенная граница, лишенная всякой информации.
Однако в 2018 году Хокинг, Перри и их сотрудники нашли теоретический способ предположить, что черные дыры могут иметь «мягкие волосы», «бесконечный набор дополнительных свойств, которыми может обладать черная дыра», — говорит Перри.
Как рассказывает Марика Тейлор, физик из Саутгемптонского университета, чья докторская диссертация была написана под руководством Хокинга, OpenMind , эти метафорические волосы «предлагают способы, с помощью которых черные дыры могут отслеживать информацию на своих поверхностях, чтобы в конечном итоге эта информация была восстановлена».
Но Перри предупреждает, что, хотя эти идеи способствуют возможному разрешению информационного парадокса, они не являются окончательным словом. «Я считаю, что мягкие волосы — часть решения этих загадок, но не все; есть еще куда идти», — говорит он. В последнее время помимо мягких волос появились и другие модели. «За последние год или два произошли захватывающие события в области извлечения информации из черных дыр, — добавляет Тейлор. Для Малдасены эти новые разработки представляют собой «важные вехи в анализе информационного парадокса».
По словам Тома Бэнкса, физика из Университета Рутгерса, который участвовал в научных дискуссиях с Хокингом, вклад британца был «наиболее важной отдельной частью работы, которая способствовала нашему пониманию — все еще очень ограниченному — связи между квантовой механикой и общей теорией относительности.
— говорит он OpenMind . Это путь, по которому пройдены полвека и по которому еще многое предстоит сделать. «Прогресс — это хорошо, но сроки решения этих самых серьезных проблем очень велики», — говорит Эндрю Строминджер, соавтор исследования мягких волос в Гарвардском университете.0069 OpenMind . «Мы пытались понять черные дыры сто лет. Я надеюсь, что мы сможем завершить это еще за 50».
Анимация, представляющая один год эволюции изображения M87 в соответствии с численным моделированием. Источник:
Illinois Physics
К сожалению, Хокинг никогда не получит Нобелевскую премию, которая не присуждается посмертно и которую так и не получил самый популярный ученый своего времени, поскольку она присуждается только за результаты в теоретической физике, когда они экспериментально проверяются. Последний парадокс Хокинга заключался в том, что его коллега Роджер Пенроуз получил награду в 2020 году за работу, которую они в значительной степени разработали в сотрудничестве.