Содержание
Подтвердилась теория Хокинга об аномальных свойствах черных дыр
Физики из Университета Сассекса впервые доказали, что черные дыры способны оказывать давление на окружающую среду. Этом необычное свойство черных дыр предположил известный физик-теоретик Стивен Хокинг в 1974 году, но до сих пор оставалось лишь теорией.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review D, а коротко о нем рассказывает Phys.org. Сообщается, что открытие было сделано профессором Ксавье Кальме и Фолкертом Кейперсом, причем совершили они его отчасти случайно.
Физики проводили исследование, не связанное напрямую с последовавшим открытием. Они занимались расчетами, связанными с природой так называемых черных дыр Шварцшильда. В астрономии принято считать, что это простейшая черная дыра, в которой сердечник не вращается. Этот тип черной дыры имеет только сингулярность и горизонт событий.
Однако новое исследование показало, что на самом деле эти загадочные объекты представляют собой гораздо более сложные термодинамические системы, чем считалось до сих пор, причем они обладают не только температурой, но и давлением.
Присутствие давления Кальме и Кейперс обнаружили, когда использовали в своих расчетах дополнительные величины — они применили квантовые гравитационные поправки к энтропии черной дыры. Сами ученые говорят, что полученные данные настолько озадачили их, что они производили расчеты снова и снова. Но каждый раз полученный результат говорил о том, что квантовая гравитация может приводить к появлению давления в черных дырах.
«Наше открытие заключается в том, что черные дыры Шварцшильда имеют давление, а также температуру, и оно является еще более захватывающим, учитывая то, что это было для нас полной неожиданностью», — говорит Ксавье Кальме.
Эксперт напомнил, что еще в 1974 году Стивен Хокинг предсказал то, что было обнаружено сейчас. Тогда знаменитый физик сформулировал теорию о том, что черные дыры испускают тепловое излучение. До этого считалось, что они инертны, что это последняя стадия жизни умирающей тяжелой звезды.
Новое исследование пока не дало ответа на вопрос, что именно вызывает давление.
Согласно расчетам ученых, оно к тому же является не просто маленьким, а обладает отрицательным значением. Это означает, что при подобных условиях черная дыра будет сокращаться, а не расти, что согласуется с предсказанием Хокинга.
Теперь ученые намерены определить, как именно отрицательное давление связано с излучением Хокинга. Открытие может иметь интересные последствия и для попыток увязать общую теорию относительности, работающую на макроуровне, с квантовой механикой, которая работает в чрезвычайно малых масштабах.
Считается, что черные дыры играют ключевую роль в этом понимании. Согласно общей теории относительности, информация, которая исчезает за пределами черной дыры, может исчезнуть навсегда. Но законы квантовой механики говорят, что такого просто не может быть. Этот парадокс назван информационным, и эта одна из главных загадок черных дыр. Возможно, новое открытие поможет его разрешить.
«Наша работа — шаг в этом направлении, — сказал Кальме. — И хотя давление, оказываемое черной дырой, которую мы изучали, крошечное, тот факт, что оно присутствует, открывает множество новых возможностей для исследований… Знаменательная интуиция Хокинга сказала нам о том, что черные дыры не являются черными, но имеют спектр излучения, очень похожий на спектр излучения черного тела.
Это делает черные дыры идеальной лабораторией для исследования взаимодействия между квантовой механикой, гравитацией и термодинамикой».
Разгадан главный парадокс Стивена Хокинга о черных дырах
Ученые заявили, что им удалось решить один из самых больших парадоксов в науке. Впервые он был озвучен профессором Стивеном Хокингом и касался черных дыр. По мнению ученого, поведение черных дыр противоречит двум фундаментальным теориям. Новое исследование утверждает, что разрешило этот парадокс, показав, что черные дыры обладают свойством, известным как «квантовый волос».
Черные дыры оказались «волосатыми»
Черные дыры — это мертвые звезды, которые схлопнулись и обладают настолько сильной гравитацией, что даже свет не может вырваться из них. В первой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи показали, что черные дыры более сложны, чем предполагалось изначально.
У них есть гравитационные поля, содержащие информацию о том, как они образовались. Исследователи показали, что вещество, схлопывающееся в черную дыру, оставляет след в ее гравитационном поле — отпечаток, называемый «квантовым волосом».
Парадокс Стивена Хокинга
Парадокс Хокинга объясняется следующим образом: согласно правилам квантовой физики, информация сохраняется и не может быть уничтожена. Это бросает вызов закону Хокинга. Потому что, как только объект попадает в черную дыру, он исчезает навсегда — вместе с любой закодированной в нем информацией. Это явление несовместимо с общими принципами квантовой механики, что представляет собой серьезнейшую проблему. Хокинг определил этот парадокс, и на протяжении десятилетий продолжал сбивать ученых с толку.
Профессор Ксавьер Кальметт из Университета Сассекса, руководивший работой, объяснил, что после десятилетнего труда над математикой, лежащей в основе проблемы, его команда за последний год добилась быстрого прогресса.
Это вселило в них уверенность и, наконец, проблема была решена.
Варианты решения
Было предложено множество решений. Например, «теория брандмауэра», согласно которой информация должна была «сгореть» перед попаданием в черную дыру. Согласно «теории пушистых шаров», черные дыры имеют размытые границы и различные ответвления струн. Но большинство этих предложений требовало переписывания законов квантовой механики или теории гравитации Эйнштейна — двух столпов современной физики.
Новая теория «квантовой поэзии» претендует на разрешение парадокса, преодолевая разрыв между общей теорией относительности и квантовой механикой, используя новую математическую формулу. Название является намеком на мнение, основанное на классической физике, что черные дыры можно считать удивительно простыми объектами, определяемыми только их массой и скоростью вращения. Предсказание о «безликих лысых черных дырах» с 1970-х годов называют «теоремой об отсутствии волос».
«
Волосатые» черные дыры
Кальметт и его сотрудники считают, что черная дыра более сложна.
Они предполагают, что когда материя коллапсирует в черную дыру, она оставляет слабый отпечаток в ее гравитационном поле. Этот отпечаток называется «квантовым волосом». Авторы говорят, что он обеспечит механизм сохранения информации во время коллапса черной дыры. Согласно этой теории, две черные дыры с одинаковыми массами и радиусами, но с разной внутренней конфигурацией, будут иметь очень тонкие различия в своих гравитационных полях.
На данный момент не существует очевидного способа проверить теорию астрономическими наблюдениями. Все потому, что гравитационные флуктуации слишком малы, чтобы их можно было измерить. Но теория, скорее всего, подвергнется тщательному анализу со стороны научного сообщества.
Если «теорема о квантовых волосах» черных дыр выдержит проверку, это может стать первым шагом в объединении общей теории относительности Эйнштейна с квантовой механикой. Это является еще одной нерешенной проблемой физики.
Напомним, что ранее во Млечном Пути найдена блуждающая черная дыра.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
открытия Стивен Хокинг теория относительности Черная дыра
Ученые, возможно, решили парадокс черных дыр Стивена Хокинга
Кредит: общественное достояние CC0
Исследователи, возможно, разгадали знаменитый парадокс черной дыры профессора Стивена Хокинга — загадку, которая озадачивала ученых почти полвека.
Согласно двум новым исследованиям, нечто, называемое «квантовыми волосами», является ответом на проблему.
В первой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters , исследователи продемонстрировали, что черные дыры более сложны, чем предполагалось изначально, и имеют гравитационные поля, содержащие информацию о том, как они образовались.
Исследователи показали, что материя, коллапсирующая в черную дыру, оставляет след в ее гравитационном поле — отпечаток, называемый «квантовым волосом».
В последующей статье, опубликованной в отдельном журнале Physics Letters B , профессор Ксавьер Калмет из Школы математических и физических наук Университета Сассекса и профессор Стивен Хсу из Мичиганского государственного университета заявили, что квантовые волоски разрешают черную дыру Хокинга. Информационный парадокс.
В 1976 году Хокинг предположил, что по мере испарения черные дыры уничтожают информацию о том, что их сформировало.
Эта идея противоречит фундаментальному закону квантовой механики, согласно которому любой процесс в физике можно математически обратить вспять.
В 1960-х годах физик Джон Арчибальд Уилер, обсуждая отсутствие у черных дыр наблюдаемых характеристик, помимо их общей массы, вращения и заряда, придумал фразу «у черных дыр нет волос», известную как теорема об отсутствии волос.
Тем не менее, недавно обнаруженные «квантовые волосы» обеспечивают способ сохранения информации при коллапсе черной дыры и, как таковой, решают одну из самых известных проблем современной науки, говорят эксперты.
Профессор Кальме сказал: «Черные дыры долгое время считались идеальной лабораторией для изучения того, как объединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. сдвиг в физике, вынуждающий потенциально переформулировать либо квантовую механику, либо общую теорию относительности.
«Что мы обнаружили — и я думаю, что это особенно интересно — так это то, что в этом нет необходимости».
Объясняя открытие «квантовых волос», Роберто Касадио, профессор теоретической физики Болонского университета, сказал: «Ключевым аспектом является то, что черные дыры образуются в результате коллапса компактных объектов, а затем, в соответствии с квантовой теории, не существует абсолютного разделения между внутренней и внешней частью черной дыры.
«В классической теории горизонт действует как совершенная односторонняя мембрана, которая ничего не пропускает наружу, поэтому внешняя поверхность одинакова для все черные дыры данной массы. Это классическая теорема об отсутствии волос», — добавил Касадио.
0003
«Однако в квантовой теории состояние материи, которая коллапсирует и образует черную дыру, продолжает влиять на внешнее состояние, хотя и таким образом, который совместим с существующими экспериментальными границами. Это то, что известно как ‘ квантовые волосы».
Узнать больше
Червоточины помогают решить информационный парадокс черных дыр
Дополнительная информация:
Ксавьер Кальмет и др., Квантовые волосы и информация о черных дырах, Physics Letters B (2022). DOI: 10.1016/j.physletb.2022.136995
Xavier Calmet et al, Quantum Hair from Gravity, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.111301
Информация журнала:
Буквы по физике B
,
Письма о физическом обзоре
2022 дпа ГмбХ.
Распространяется Tribune Content Agency, LLC.
Цитата :
Ученые, возможно, решили парадокс черной дыры Стивена Хокинга (2022, 18 марта)
получено 22 октября 2022 г.
из https://phys.org/news/2022-03-scientists-stephen-hawking-black-hole.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Как Стивен Хокинг пролил свет на черные дыры
Художественная иллюстрация когда-либо обнаруженной сверхмассивной черной дыры.
(Изображение предоставлено Робином Динелем, предоставлено Институтом науки Карнеги)
Мы еще многого не знаем о черных дырах, но эти пожирающие свет бегемоты были бы еще более загадочными, если бы Стивен Хокинг не проник в их чернильные глубины.
Во-первых, знаменитый космолог, скончавшийся вчера (14 марта) в возрасте 76 лет, помог дать более прочную математическую поддержку концепции черных дыр, существование которых было предсказано общей теорией относительности Альберта Эйнштейна 1915 года.
«Хокинг фактически доказал некоторые строгие математические теоремы об уравнениях Эйнштейна для гравитации, которые показали, что при довольно общих обстоятельствах были места, где уравнения нарушались — так называемые сингулярности», — сказал Том Бэнкс, профессор физики и астрономии в Университет Рутгерса-Нью-Брансуик в Нью-Джерси. «И, в частности, такой сингулярностью является область внутри черной дыры». [Стивен Хокинг: икона физики, запечатленная на фотографиях]
Но именно исследование Хокингом природы черных дыр оказалось революционным. Первоначально его работа предполагала, что черная дыра никогда не может стать меньше, в частности, что площадь поверхности ее сферического горизонта событий, точки, за которую ничто не может выйти, никогда не может уменьшиться.
Точно так же второй закон термодинамики утверждает, что «энтропия» или беспорядок закрытой системы никогда не может уменьшаться. А в начале 1970-х физик Джейкоб Бекенштейн явно связал эти концепции, предположив, что энтропия черной дыры связана с площадью ее горизонта событий.
Хокинг изначально скептически отнесся к этой идее, сказал Бэнкс. В конце концов, энтропия и черные дыры, похоже, несовместимы: предполагалось, что черные дыры не излучают никакой энергии — отсюда и название — и у вас не может быть энтропии без излучения.
Но затем Хокинг подсчитал так, как никто раньше не делал.
«Затем он показал, что если добавить в игру квантовую механику, можно показать, что на самом деле черные дыры не совсем черные», — сказал Бэнкс Space.com. «Они действительно излучали радиацию».
Это излучение исходит от «виртуальных частиц», которые постоянно появляются и исчезают в причудливом квантовом мире. Они делают это в парах материя-антиматерия, одна из которых имеет положительную энергию, а другая отрицательную.
100 лет или около того.)
Хокинг, безусловно, гений, не всегда был прав, и одна из его громких ошибок касалась черных дыр. Известное утверждение космолога о том, что информация, которую несет каждая частица — данные, характеризующие ее вращение и массу, например, — собранная черной дырой, будет потеряна, когда черная дыра испарится. [Самые далекие идеи Стивена Хокинга о черных дырах]
Большинство других физиков не согласились, и на то есть веские причины, сказал Бэнкс.
«Это приводит к уравнениям, которые находятся в полном противоречии с известными экспериментальными фактами», сказал он. «Есть определенные типы идеализированных черных дыр, которые можно построить в моделях теории струн, и совершенно ясно, что потери информации нет».
Вместо этого эта информация должна просочиться обратно во Вселенную через излучение Хокинга, прежде чем черная дыра рассеется, считают большинство физиков. Хокинг в конце концов пришел к этой позиции, сказал Бэнкс.
Работа Хокинга с черной дырой также побудила физиков переосмыслить свое понимание Вселенной на более общем уровне, сказал Бэнкс.
Раньше физики предполагали, что энтропия зависит от объема системы, поэтому установленная Хокингом и Бекенштейном связь между энтропией и площадью стала большим сюрпризом.
«В некотором смысле наблюдение Хокинга привело к потенциальной революции в том, как мы моделируем природу, и точка», — сказал Бэнкс. «Часть этого еще не реализована. На самом деле у нас нет такой теории, которую все согласны с тем, что она верна, но это своего рода большая проблема, которую создала работа Хокинга».
Хокинг вдохновил на глубокие размышления и размышления не только своих коллег-физиков и космологов, конечно. На протяжении десятилетий неспециалисты во всем мире восхищались тем, как Хокинг боролся со своей изнурительной болезнью двигательных нейронов, чтобы совершать прорывные открытия и доносить интересные исследования до масс в своих книгах-бестселлерах.
«Удивительно, насколько он был стойким и решительным», — сказал Бэнкс, лично знавший Хокинга. «Это была одна из самых впечатляющих частей того, что было рядом с ним».
Подписывайтесь на Майка Уолла в Твиттере @michaeldwall и Google+ . Следуйте за нами @Spacedotcom , Facebook или Google+ . Первоначально опубликовано на Space.com .
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Майкл Уолл — старший космический писатель Space.com (открывается в новой вкладке) , присоединился к команде в 2010 году. В основном он освещает экзопланеты, космические полеты и военный космос, но, как известно, увлекается космическим искусством. Его книга о поисках инопланетной жизни «Out There» была опубликована 13 ноября 2018 года. Прежде чем стать научным писателем, Майкл работал герпетологом и биологом дикой природы.