Существуют ли черные дыры: Черные дыры. Восемь научных подтверждений, что они действительно существуют |

Содержание

Черные дыры. Восемь научных подтверждений, что они действительно существуют

Для некоторых черные дыры звучат как научная фантастика, но есть серьезные доказательства, подтверждающие то, что они реальны.

Предсказание Эйнштейна

Альберт Эйнштейн

Фото: LiveScience

О том, что черные дыры существуют заявил в 1916 году Карло Шварцшильд, который обнаружил, что черные дыры являются неизбежным следствием общей теории относительности Эйнштейна. Если теория Эйнштейна верна, а пока что нет других данных, черные дыры должны существовать. Более прочный фундамент под этой теорией создали Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг, которые обосновали, что любой объект, коллапсирующий в черную дыру, образует сингулярность, в которой традиционные законы физики нарушаются. Впоследствии Пенроуз даже удостоился Нобелевской премии по физике 2020 года «за открытие того, что образование черных дыр является следствием предсказаний общей теории относительности».

Гамма-всплески

Гамма-всплеск

Фото: NASA

Еще в 1930-х годах индийский астрофизик Субраманиан Чандрасекар пытался выяснить, что происходит со звездой, когда у нее закончится ее внутреннее топливо. Он обнаружил, что все зависит от массы звезды. По данным астрофизиков NASA, если звезда большого размера, например, в 20 масс Солнца, то ее плотное ядро, которое может быть в 3 или более раз больше массы Солнца, сжимается вплоть до появления черной дыры. Окончательное сжатие ядра происходит за считанные секунды. При этом освобождается огромное количество энергии в виде гамма-всплеска. В результате в космос излучается столько же энергии, сколько излучает обычная звезда за всю свою жизнь. С помощью наземных телескопов ученые обнаружили многие из этих всплесков, некоторые из них прилетели из галактик, которые находятся на расстоянии миллиардов световых лет. Ученые говорят, что таким образом мы действительно видим рождение черных дыр.

Гравитационные волны

Фото: NASA

Черные дыры иногда возникают парами, вращаясь вокруг друг друга. В результате их совместного гравитационного взаимодействия возникает пульсация в пространстве-времени, которая выходит наружу в виде гравитационных волн. Это также предсказывал в своей теории Альберт Эйнштейн. Современные обсерватории на Земле имеют возможность обнаруживать эти волны. Впервые о гравитационных волнах, которые возникли в результате слияния двух черных дыр объявили в 2016 году. С тех пор ученые выяснили, что существуют и другие события, которые создают гравитационные волны. Например, столкновение черной дыры и нейтронной звезды, которое произошло на расстоянии от 650 миллионов до 1,5 миллиарда световых лет от Земли.

Невидимый напарник

Фото: NASA

Напрямую черные дыры очень тяжело обнаружить. Но сделать это можно с помощью их гравитационного воздействия на другие звезды. При наблюдении за двойной звездной системой HR 6819 в 2020 году, астрономы заметили странное поведение во время движения двух видимых звезд. Это можно было бы объяснить только присутствием третьего, невидимого объекта. Когда ученые вычислили его массу, которая превышает массу Солнца как минимум в 4 раза, они сделали вывод, что там может находится только черная дыра. Это ближайшая к Земле известная черная дыра, которая находится на расстоянии всего в 1000 световых лет внутри нашей галактики.

Рентгеновское излучение

Фото: NASA

Впервые наблюдаемое доказательство существования черной дыры было получено в 1971 году после наблюдения за двойной звездной системой Cygnus X-1, которая находится в нашей галактике. Эта система отправляет в космос одно из самых ярких рентгеновских излучений во Вселенной. Но излучение исходит не от самой черной дыры или ее видимой звезды-компаньона, которая имеет в 33 раза больше массы нашего Солнца. По мнению ученых вещество постоянно отделяется от гигантской звезды и втягивается в аккреционный диск вокруг черной дыры, и именно от него излучаются рентгеновские лучи. Согласно расчетам ученых, темный объект с массой в 21 массу Солнца сконцентрирован в таком маленьком пространстве, что это не может быть ничем иным, как черной дырой.

Сверхмассивные черные дыры

Фото: NASA

Кроме черных дыр, которые созданы в результате сжатия звезды, по данным ученых с самого начала существования Вселенной в центрах галактик скрывались сверхмассивные черные дыры, каждая из которых имеет миллионы или даже миллиарды масс Солнца. По данным NASA, черные дыры в этих галактиках окружены аккреционными дисками, которые производят интенсивное излучение на всех длинах волн света. Также существуют свидетельства того, что в центре нашей галактики находится черная дыра. А все потому, что в этой части пространства звезды вращаются с высокой скоростью возле маленького, но массивного объекта. По оценкам ученых черная дыра в центре Млечного Пути составляет около 4 миллионов масс Солнца.

Спагеттификация

Еще одно свидетельство существования черных дыр — это спагеттификация. Это процесс, который происходит, когда вещество попадает в черную дыру. Там огромная гравитационная сила черной дыры растягивает вещество на тонкие нити. В октябре 2020 года астрономы стали свидетелями такого события, когда звезда рядом с черной дырой исчезла в результате спагеттификации. Это произошло в галактике на расстоянии в 215 миллионов световых лет от нас.

Прямое изображение

Сверхмассивная черная дыра в центре галактики Мессье 87

Фото: NASA

Убедительным доказательством существования черных дыр стало прямое изображения сверхмассивной черной дыры с массой в 6,5 миллиардов масс Солнца в центре активной галактики Мессье 87, полученное в апреле 2019 года. Эта фотография была сделана сетью телескопов по всему миру под общим названием Event Horizon Telescope.

Существуют ли черные дыры?. Почему наш мир таков, каков он есть [Природа. Человек. Общество (сборник)]

Существуют ли черные дыры?

Самые естественные черные дыры возникают из звезд. Звезда живет, пока в ее недрах легкие элементы превращаются в тяжелые. Так она поддерживает устойчивость. Гравитация стремится схлопнуть звезду, а внутреннее давление этому противодействует. Чтобы было внутреннее давление, нужно, чтобы была энергия. Ее звезда берет из термоядерного синтеза. Когда эта энергия заканчивается, звезда начинает схлопываться. Если масса очень большая, то она схлопнется в черную дыру – это и есть самый естественный процесс образования черных дыр.

Я думаю, что черные дыры есть. Я бы не задумываясь поклялся правой рукой директора своего института в том, что черные дыры существуют. Считается, что в центрах галактик, в том числе и в нашей, есть очень массивные черные дыры. Пока не совсем понятно, откуда они взялись. Скорее всего, часть из них развилась из самых первых черных дыр, образованных из самых первых звезд. Они поглощали вещество и таким образом нарастили массу. Есть предсказание о первичных черных дырах, промежуточных черных дырах, но их пока никто не наблюдал.

Самые лучшие кандидаты в черные дыры появились в 1970-е годы в системах двойных звезд. Звезды, особенно массивные, по большей части рождаются парами. Идея тоже очень проста, все мы помним, как образовывалась Солнечная система: было облако газа и пыли, оно сжималось. Мы все смотрим фигурное катание и помним, что, когда объект сжимается, он начинает вращаться быстрее. Сжимаясь, это облако может начать вращаться настолько быстро, что разделится на две части: его разрывает вращением, и тогда образуются две звезды. Это общий случай, он часто встречается в природе.

В двойной звезде нет ничего необычного. Если на небе ясно, их можно наблюдать, и особенно красиво, когда они разного цвета. Как и глаза у людей, звезды тоже бывают разных цветов. Две звезды живут, и одна из них – та, которая быстрее эволюционирует, – может превратиться в черную дыру. Дальше, чтобы ее стало видно, вещество второй звезды должно начать перетекать на первую. Это происходит, если звезда раздулась и вещество с нее захватывается черной дырой. Образуется красивый диск, в котором у самой внутренней его границы вещество двигается с половиной скорости света. Вещество разогревается до миллионов градусов, и мы видим яркий рентгеновский источник.

Именно такие явления стали открывать в 1970-е годы, когда начали запускать спутники с рентгеновскими детекторами. Таких двойных звездных систем сейчас известно множество. Часто это большие системы с гигантскими звездами, которые в десятки раз тяжелее Солнца и намного ярче. В названиях звезд использовались названия спутников, их открывших, координаты звезды, созвездий; часто фигурирует буква Х (икс), потому что на всех языках, кроме русского и немецкого, рентгеновские лучи называются Х-лучами. Есть замечательная история о том, как в советские времена ученый отправил из-за границы телеграмму в свой институт, потому что было сообщение о вспышке в одной из таких двойных систем. Телеграмма не дошла, а в КГБ долго изучали сообщение: «Следите за Лебедем Х-3».

Сегодня считается, что в таких системах невидимым объектом является черная дыра. Для этого есть причины. В первую очередь это связано с отсутствием пульсаций. Если в рентгеновской системе находится не черная дыра, то это должна быть нейтронная звезда. В двойных с такими объектами часто наблюдают пульсации излучения. На самом деле они не пульсируют так, как пульсирует сердце, просто на поверхности нейтронной звезды есть яркое пятно, а звезда вращается. Периодически, как в маяке, сигнал попадает на Землю, и тогда мы видим объект, регулярно меняющий свою яркость – пульсар[18]. Чтобы объект пульсировал, у него должна быть поверхность. Если рентгеновский объект не пульсирует, скорее всего, у него нет поверхности, а единственный объект, у которого нет поверхности, – это черная дыра.

Есть также некоторые особенности излучения, которые говорят нам о том, что объект, скорее всего, является черной дырой. Но главное – они очень тяжелые. Мы представляем себе примерно, до какой степени можем издеваться над веществом и пытаться его сжать. При некотором усилии вещество отказывается дальше сопротивляться и проваливается в никуда, в черную дыру. Нижняя граница массы черных дыр соответствует трем массам Солнца. Если мы видим темный объект с массой четыре массы Солнца, то это не может быть тяжелая нейтронная звезда. Вы можете сделать кресло, но если вы сделаете кресло с массой в три массы Солнца, оно схлопнется в черную дыру. Такого предмета существовать просто не может, и его нельзя придумать. Это главная причина, почему мы считаем эти объекты черными дырами. Никаких других хороших моделей, позволяющих объяснить тяжелый темный объект, у нас сегодня нет.

Интересно рассмотреть аргумент отсутствия поверхности. Если не черная дыра, то что? В данном случае альтернатива – это нейтронные звезды. У нейтронных звезд есть поверхность, они иногда могут не пульсировать. Итак, вещество с соседней звезды начинает перетекать на нейтронную звезду. Вещество в этом случае – водород. Водород накапливается, становится горячее и плотнее. Когда водород становится все горячее и плотнее, происходит термоядерный взрыв. И это наблюдается! Однако есть точно такие же системы, где нет никаких вспышек. Единственный здравый аргумент состоит в том, что в такой системе у компактного объекта, на который течет вещество, нет поверхности. По сути это не могут объяснить иначе, чем сказав, что там находится черная дыра.

Черная дыра для физиков – это самая консервативная гипотеза. Вообще говоря, вся экзотика современной науки – темное вещество, темная энергия, черные дыры, вообще все непривычное и таинственное, что есть в современной физике, – это в то же время и самое консервативное, то есть простейшее объяснение наблюдаемых феноменов.

Самая надежная на сегодняшний день черная дыра существует в центре нашей Галактики. Мы можем сейчас наблюдать, фотографировать, складывать фото и получать реальную картину того, что там происходит. Мы видим, что звезды двигаются в центре Галактики, мы можем видеть кривые вращения, прописать их орбиты, измерить, какая масса заставляет эти звезды крутиться. И мы видим, что в самом-самом центре нашей Галактики сидит объект размером намного меньше земной орбиты, но с массой четыре миллиона масс Солнца. Его называют Sgr A*[19]. Все это мы четко видим по орбитам, так что объект там точно есть, это уже не обсуждается. Единственное здравое объяснение, которое пока придумали, – что тусклый объект с массой четыре миллиона масс Солнца – черная дыра.

А вдруг это не дыра? Расчеты показывают, что если вы разместите в области размером меньше радиуса земной орбиты практически что угодно, то это довольно быстро сколлапсирует в черную дыру. А недавно появился совсем, на мой взгляд, потрясающий аргумент в пользу того, что в центре нашей Галактики находится именно черная дыра. Космос, естественно, не пустой, в нем всегда что-то есть: какой-то мусор, газ. Если есть тяготеющий центр, то газ туда будет стремиться течь – гравитацию никто не отменял. Мы видим, как в центр течет газ, и если бы там была какая-то стенка, газ бы ударился о нее почти со скоростью света и выделил очень много энергии. Мы, напротив, видим, что более 99,6 % энергии выделяется в самом потоке: газ течет и, ни во что не врезаясь, куда-то исчезает. Единственное здравое объяснение опять – черная дыра.

Несмотря на все это никому Нобелевскую премию за черные дыры пока не дали. Существование горизонта черной дыры реально не доказано, сделать это технически сложно. Тем не менее есть надежда в ближайшие годы прямо увидеть этот горизонт. Связано это с совсем экзотическим процессом. Мы знаем, что есть двойные звезды. Одна звезда уже превратилась в черную дыру. Теперь, говорю я, вторая звезда тоже может превратиться в черную дыру. Первая превратилась, а если вторая достаточно массивна, то и ей ничего не мешает тоже превратиться в черную дыру. Итак, у нас получилось две черные дыры. Обе они крутятся в двойной системе, и эта система начинает испускать гравитационное излучение. Идея гравитационных волн на самом деле довольно простая. Известно, что общая теория относительности – это геометрическая теория гравитации. Соответственно, тяжелые тела искажают пространство. Если взять айпад и надавить на него пальцем, то есть массивным телом, поверхность исказится. Если же будет два пальца, которые, вращаясь, воздействуют на экран, будет видно, как по нему бегут волны. Примерно то же и с искривлением пространства. Теперь представьте вместо айпада пространство-время. Если взять пространство-время, то обычные волны превратятся в гравитационные. Они предсказаны теорией относительности, но до сих пор напрямую не открыты, хотя люди очень стараются и надеются. Двойные черные дыры – самый мощный источник гравитационных волн. Когда они совсем сливаются, волн становится очень много. Были построены специальные детекторы, которые заработают через несколько лет. Тогда мы прямо увидим, как искажается пространство и время в момент слияния черных дыр.

Идея детектора примерно такая. Берется труба длиной около километра. В трубе вакуум и висят зеркала массой где-то под тонну. Между ними бегает лазерный луч. Проходит гравитационная волна, и зеркала немножко сближаются-отдаляются. Они колеблются, и получается сигнал. Колебание подвешенных зеркал можно заметить. Таким образом, мы не просто увидим гравитационные волны, но увидим прямой сигнал от взаимодействия горизонтов в черных дырах. Тогда Нобелевская премия будет дана одновременно за открытие гравитационных волн и черных дыр.

«В искусстве я ничего не понимаю, но науку могу сделать немножко понятнее».

Сергей Попов

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

«Метод дыры»

«Метод дыры»
Примерно 20 лет назад, когда Россия вошла в эпоху монетократии (всевластия денег), стало модно оценивать человека и его физическую жизнь в финансовых цифрах. Например, если у кого-то есть активы на 10 млрд долларов, то этот кто-то стоит $10 млрд. А если у кого-то

5. Сверхновые звезды, пульсары и черные дыры

5. Сверхновые звезды, пульсары и черные дыры
В предыдущей главе была набросана картина эволюции «нормальной» звезды от момента ее зарождения в виде сгустка сжимающейся газопылевой туманности до глубокой «старости» — сверхплотного холодного «черного» карлика. Однако

Приложение III Существуют ли внеземные цивилизации?[68]

Приложение III
Существуют ли внеземные цивилизации?[68]
Не приходится доказывать то давно известное обстоятельство, что наука не может получить достаточно полное представление об изучаемом объекте, если он известен в одном-единственном экземпляре. Изучение природы всегда

Факты между тем существуют

Факты между тем существуют
Формалисты (ОПОЯЗ) в то же время не хотят сопротивляться научному факту. Если факты разрушают теорию, то тем лучше для теории.Она создана нами, а не дана нам на хранение.Изменение эстетического материала – социальный факт, проследим его хотя бы

«Черные дыры» мировой экономики

«Черные дыры» мировой экономики
Признаки и виды офшоров. Важнейшим элементом современного механизма мировой экономики являются офшоры. Под офшорами понимаются страны и территории, которые обладают следующими признаками:— обеспечивают конфиденциальность финансовых,

7/2/2005 Озоновые дыры

7/2/2005
Озоновые дыры
Не все неизменно плохо, и самый упертый критикан должен отдать справедливость петербургскому начальству. Ведь могут, когда хотят. Погода, во всяком случае, на этой неделе налажена.С городского неба сдернули намокшее ватное одеяло — весна введена в

Глава 22.

«Черные дыры» мировой экономики

Глава 22. «Черные дыры» мировой экономики
1. Признаки и виды офшоровВажнейшим элементом современного механизма мировой экономики являются офшоры. Под офшорами понимаются страны и территории, которые обладают следующими признаками:— обеспечивают конфиденциальность

Временные дыры

Временные дыры
«Секрет фирмы»N17 (152), МАЙ 2006компания: «Айтек»сфера: продажа компьютерного оборудования, информационные технологиипроблема:тайм-менеджментМногие руководители признают эту ситуацию типичной: менеджеры по продажам, вроде бы, загружены, а результат нулевой.

Рукотворные дыры

Рукотворные дыры
К августу 1986 г. сооружение саркофага уже не позволяло вести вертолетную засыпку «по площадям», но до завершения его кровли было еще очень далеко. Родилось решение: для прекращения или хотя бы минимизации предполагавшегося тогда выброса из шахты реактора

Глава 2 Черные дыры Гарварда

Глава 2
Черные дыры Гарварда
Гарвард всегда представлялся мне просто бумажным символом, неким сертификатом на дорогой бумаге, печатью, скипетром, памятником нерукотворным человеческой престижности, какими, в общем, наверное, и многим видятся обшарпанные столетиями

Дыры в ядерном зонтике

Дыры в ядерном зонтике
Дискуссия Дыры в ядерном зонтике ПОЛИТПРОСВЕТ
Сегодня в сфере стратегических ядерных вооружений США и России складывается ситуация, угрожающая мирному будущему не только России, но и США и всего мира. Проблема касается всех. Что же происходит? С

ДЕНЬ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ

ДЕНЬ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ
19 августа 2003
0
34(509)
Date: 20-08-2003
Author: Александр БРЕЖНЕВ
ДЕНЬ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ
22 августа устанавливался в 1991 году как всенародный праздник. День флага, день торжества либеральных и демократических ценностей. День победы демократической общественности над

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ГЛОБАЛИЗМА

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ГЛОБАЛИЗМА
Георгий Судовцев
29 июля 2003
0
31(506)
Date: 29-07-2003
Author: Георгий СУДОВЦЕВ
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ГЛОБАЛИЗМА
То, что происходит сегодня в Либерии и на Филиппинах, вроде бы не имеет прямого отношения к нашим собственным, российским проблемам. Где-то там, на других

Доказательство реальности черных дыр – Наука – Коммерсантъ

В Стокгольме назвали имена лауреатов Нобелевской премии по физике 2020 года. Это Роджер Пенроуз из Великобритании, Райнхард Генцель из Германии и Андреа Гез из США. Пенроуз получит половину денежного приза. Согласно официальной формулировке, он удостоился награды «за открытие, что образование черной дыры является надежным предсказанием общей теории относительности».

Фото: Reuters

Оставшуюся часть суммы поровну разделят Генцель и Гез. Они получат премию «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики». Именно это небесное тело (Стрелец А*) стало первым известным человечеству объектом, который, вне всяких сомнений, является черной дырой.

Все три нынешних лауреата внесли решающий вклад в доказательство того, что черные дыры — не гипотетические объекты, а реально существующие небесные тела.

Напомним, что черные дыры — это объекты с невероятно мощным тяготением. На определенном расстоянии от центра черной дыры оно так сильно, что ничто, даже свет, не может противостоять ему. Так что все, что подходит к такому монстру ближе этой дистанции невозврата, исчезает в черной дыре навеки без шансов вырваться.

Сама возможность существования черных дыр следует из общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. Но «может существовать» еще не значит «существует». При жизни великого физика не было известно ни одного процесса, который мог бы привести к образованию столь экзотического объекта.

И вот в 1965 году Роджер Пенроуз опубликовал прорывную научную работу. Он предложил новые математические методы, которые значительно расширили возможности теоретиков, занимающихся ОТО. Используя свои математические наработки, лауреат пришел к важнейшему астрофизическому выводу. Он показал, что, когда очень массивная звезда взрывается как сверхновая, на ее месте образуется черная дыра массой в несколько солнц.

Позже астрономы обнаружили объекты, очень похожие на черные дыры звездной массы. Окончательно существование таких черных дыр было установлено несколько лет назад, с открытием гравитационных волн, порожденных их столкновениями. (К слову, за это открытие в 2017 году тоже была присуждена Нобелевская премия по физике.) Тем самым теоретический результат Пенроуза блестяще подтвердился наблюдениями.

Объявление лауреатов Нобелевской премии по физике

Фото: Reuters

Объявление лауреатов Нобелевской премии по физике

Фото: Reuters

Однако реальность существования черных дыр была установлена еще раньше. И в этом заслуга других двух лауреатов — Генцеля и Гез.

Каждый из них возглавлял собственную научную группу, исследовавшую любопытный объект в центре Млечного Пути — Стрелец А*. Это мощный источник радиоволн и других видов электромагнитного излучения. Но что он представляет собой? Это и старались выяснить лауреаты.

Чтобы определить массу и размеры небесного тела, астрономы отслеживали движение обращающихся вокруг него звезд. Это было очень трудной задачей, ведь центр Галактики закрыт шлейфом газа и пыли. Генцелю и Гез пришлось накопить огромное количество данных и изобрести инновационные методы их обработки, чтобы справиться с этой трудностью.

Их труд увенчался успехом: орбиты звезд, обращающихся вокруг Стрельца А*, были отслежены с нужной точностью. И обе группы во главе с нынешними лауреатами пришли к одному и тому же выводу. Центральный объект по размерам не больше Солнечной системы, но при этом имеет массу 4 млн солнечных. Такое тело может быть только черной дырой. В рамках известных физических законов просто не остается других вариантов.

Таким образом, работы Генцеля и Гез и их сотрудников предоставили первые неоспоримые доказательства, что черные дыры существуют в реальности, а не только у теоретиков на бумаге.

Член Королевской шведской академии наук Ульф Даниэльсон произносит речь во время церемонии объявления лауреатов Нобелевской премии по физике 2020 года

Фото: Reuters

Сегодня никто из профессионалов не сомневается, что в сердце Стрельца А* находится сверхмассивная черная дыра. Его мощное излучение испускается падающей на «хищницу» материей.

Заметим, что собственные «стрельцы А*» есть в центрах практически всех галактик. Считается, что все это сверхмассивные черные дыры, окруженные падающим на них веществом. А в 2019 году большая коллаборация астрономов предоставила настолько детальное радиоизображение центрального объекта галактики М87, что на нем можно было непосредственно разглядеть черную дыру (точнее, темное пятно, в центре которого она находится). Теперь на очереди наша собственная галактика. Прямое изображение ее центральной черной дыры астрономы надеются получить в ближайшие годы.

Анатолий Глянцев

Ольга Квашенкина, руководитель лаборатории «Самоорганизующиеся высокотемпературные наноструктуры», доцент Высшей школы прикладной физики и космических технологий Санкт-Петербургского политехнического университета имени Петра Великого:

— Исследования ближнего и дальнего космоса являются очень важной областью не только для развития общей астрономии и физической науки, но и для жизни человечества. Нобелевская премия вручается за открытия, которые должны повлиять на судьбу всего мира, поэтому исследования и открытия в области астрономии соответствуют целям премии.

Ресурсы нашей планеты сильно ограниченны, поэтому исследования космоса являются перспективными для будущего комфортного жизнеобеспечения всего человечества. Изучение физических процессов, которые происходят в глубоком космосе и с теоретической, и с исследовательской точки зрения, важно для подтверждения теорий и результатов исследований, которые проводятся на Земле.

В рамках всевозможных исследований в области физики исследования по астрономии занимают особое место. С одной стороны, эти исследования пока напрямую не влияют на жизнь простых жителей планеты Земля. Однако без них невозможно дальнейшее развитие человечества как в ключе представлений об окружающей действительности, так и в ключе совершенствования технологий.

Подтверждением этого является первый полет человека в космос. Разве смогли бы в СССР или еще где бы то ни было отправить человека в полет на орбиту Земли, если бы в свое время ученые-астрономы не доказали, что у Земли вообще есть орбита и она эллипсоидная? Разве смогло бы человечество наладить спутниковую связь без исследования ближнего к Земле космического пространства и воздействия на космические объекты космического излучения? Ответы на эти и многие подобные вопросы — нет. Без исследований и открытий в области астрономии дальнейшее развитие человечества сложно представить.

Сергей Кетов, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета, профессор Токийского университета:

— Нобелевская премия по физике в этом году была присуждена за то, что ученые, ее получившие, доказали, что черные дыры — не фантастика, а реально существующие объекты. Это великое достижение.

Черные дыры были предсказаны более 100 лет назад в общей теории относительности Эйнштейна. И все это время никто не мог доказать, существуют они или нет. Было много ученых, которые считали, что их просто нет, что это выдумка. А вот примерно три года назад были обнаружены гравитационные волны, которые также были предсказаны более ста лет назад, они возникли в результате слияния черных дыр. Тогда были подтверждены два важных факта: существование самих гравитационных волн и, как следствие, существование черных дыр. И черные дыры перестали быть фантастикой. Также удалось подтвердить, что звезды в нашей галактике Млечный путь вращаются вокруг сверхмассивной черной дыры в ее центре.

Премия присуждена за то, что все эти гипотезы подтвердились экспериментально. Роджер Пенроуз развил теорию черных дыр, а Райнхард Генцель и Андреа Гез подтвердили на основании гравитационного поля существование сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики. Пенроуз, кстати, математик и один из лучших в мире популяризаторов науки, что тоже очень важно.

Второй год премия по физике вручается за открытия в области космоса — это говорит о тренде. Если раньше всех интересовали ускорители, частицы, то теперь космос. Эта тема выходит на первый план, так как оказалось, что можно получать больше информации о нашем мире более дешевым способом — из космоса. Да, нужны спутники, детекторы на орбите, но это дешевле, чем строить ускорители на Земле. И да, пока это чистая наука, но через какое-то время эти новые знания обязательно повлияют на нашу с вами жизнь.

Александр Горохов, профессор кафедры общей и теоретической физики Самарского университета имени Королева:

— В 2019 году Нобелевская премия по физике тоже была вручена за работы по космологии. Возможно, что повторное присуждение связано с впечатляющим экспериментальным подтверждением общей теории относительности Эйнштейна (эксперимент LIGO 2016 года). Эта область физики — астрофизика и космология — остается одной из самых горячих. Есть очень интересные результаты и в других областях, но они пока на получили такого яркого подтверждения.

Пока прямой пользы от этих работ нет, но, возможно, в будущем экспериментальные методы, позволившие открыть сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики, найдут применение. Ведь сейчас, используя ГЛОНАСС для управления автомобилем, большинство не знает, что в основе подобных систем заложены эффекты общей теории относительности.

Работы Роджера Пенроуза широко известны научной общественности. Он автор не только очень важных работ по космологии и теории черных дыр, но и книг по проблемам квантовой теории поля (твисторы), квантовой информатики, теории познания. Он также автор теории квазикристаллов Пенроуза (таких решеток, которые могут иметь локальную симметрию с углом поворота вокруг оси кратных 360 градусов, деленных на 5, 7 и т. п). Такие структуры казались совершенно невозможными, но также были экспериментально открыты. Пенроуз — один из немногих универсальных ученых, который инициировал исследования во многих областях современной физики и математики. Его награждение абсолютно заслужено.

Александр Герасимов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории сенсорики, доцент кафедры «Оптоинформатика» Института естественных и точных наук Южно-Уральского государственного университета:

— Начнем с того, что Нобелевская премия по физике в последнее время вручается исключительно нескольким физикам сразу, причем не всегда за исследования и работу над одной и той же проблемой. Последний раз Нобелевка в этой области вручалась «в одни руки» почти 30 лет назад — в 1992 году. Комитет каждый год пытается отметить сразу два-три направления, причем существует определенная «очередь», ведь во многих случаях премия была вручена чудом дожившим до этого высочайшего признания ученым через 30–40 лет после самого открытия. Например, Хиггс за исследования и предсказания происхождения массы субатомных частиц, сделанные в 1960–1970-е годы, премию получил в 2013-м, только после экспериментального подтверждения своих «предсказаний» в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере. А тот же Стивен Хокинг, несмотря на удивительно долгую для людей с его недугом жизнь, получить премию не успел, хотя наверняка его неоднократно на нее выдвигали (формально список номинантов держится в секрете 50 лет).

Открытия в области астрономии и космологии поражают прежде всего своим масштабом и тем, сколько смысла может содержаться в одной формуле или фотографии черной дыры. Никакой закономерности в двух последних годах и «космических» Нобелевках на самом деле нет. За открытия в этой области и раньше вручалась премия (2015, 2011, 2006, 2002 и т. д.). А на месте комитета я бы тоже вручил премию в этом не слишком радужном 2020 году за что-то глобальное и загадочное.

В данном случае получивший премию Пенроуз, элегантно уложивший в общую теорию относительности математический вопрос образования черных дыр во вселенной, опять-таки получил премию за работы более чем 40-летней давности. Открытие черной дыры в центре нашей Галактики, сделанное независимыми группами Андреа Гез и Рейнхарда Генцеля, отчасти является подтверждением теории Пенроуза и опирается на нее. Эти открытия важны абсолютно для каждого жителя Земли, и хотя из них, что называется, «не сварить на кухне суп», и практическое применение этим открытиям вряд ли найдется в ближайшие два-три десятилетия, но приятно думать, что есть умы, способные помыслить и доказать свои мысли так, что весь современный мир пока не в состоянии эти мысли воплотить во что-то осязаемое и практически значимое. Не успевает практическая наука за теоретической, и так было всегда. Не думаю, что Альфред Нобель обиделся бы на комитет за такое «расточительство».

Вопрос «выдачи» главной научной премии мира — это еще и политический вопрос. Количество лиц с американским гражданством в этой связи зашкаливает. И хотя формально Пенроуз — англичанин, а Генцель — немец, это лишь подтверждает некую избирательность по отношению к западным исследователям. Почему Нобелевскую премию не получают граждане Китая? Так ли слаба китайская наука? По многим показателям ее представители находятся далеко впереди западных коллег. Хотя тот Роджер Пенроуз точно премию заслужил — это современный аналог Леонардо да Винчи (достаточно посмотреть список дисциплин, в которых он отметился значимыми открытиями). А за спинами двух других лауреатов стоят возглавляемые ими коллективы не из одной сотни человек, обеспечившие эту победу.

Комментарии подготовлены при поддержке проекта «5-100»

Черных дыр не существует, говорит Стивен Хокинг — по крайней мере, не так, как мы думаем .

В новом исследовании Хокинга также говорится, что черные дыры могут не иметь «брандмауэров», разрушительных радиационных поясов, которые, по мнению некоторых исследователей, испепелят все, что проходит через них, но другие ученые считают это невозможным.

(Примечание редактора: следите за нашей статьей «Правда о черных дырах» в мартовском номере журнала National Geographic от 15 февраля. ) ускользнуть от них — даже от света, поэтому их называют черными дырами. Граница, за которой предположительно нет возврата, известна как горизонт событий.

В соответствии с этой концепцией вся информация обо всем, что выходит за горизонт событий черной дыры, уничтожается. С другой стороны, квантовая физика, лучшее на сегодняшний день описание того, как Вселенная ведет себя на субатомном уровне, предполагает, что информацию невозможно уничтожить, что приводит к фундаментальному теоретическому конфликту.

Горизонтов событий нет

Теперь Хокинг предлагает решение парадокса: в конце концов, у черных дыр нет горизонтов событий, поэтому они не уничтожают информацию.

«Отсутствие горизонтов событий означает, что не существует черных дыр в смысле режимов, из которых не может выйти свет», — написал Хокинг в статье, которую он разместил в Интернете 22 января. дал в августе прошлого года на семинаре в Институте теоретической физики им. Кавли в Санта-Барбаре, Калифорния.

Вместо этого Хокинг предполагает, что черные дыры обладают «видимыми горизонтами», которые лишь временно улавливают материю и энергию, которые в конечном итоге могут снова проявиться в виде излучения. Это уходящее излучение обладает всей исходной информацией о том, что попало в черную дыру, хотя и в радикально иной форме. Поскольку исходящая информация зашифрована, пишет Хокинг, нет практического способа реконструировать что-либо, что попало, на основе того, что выходит. Скремблирование происходит потому, что видимый горизонт хаотичен по своей природе, что-то вроде погоды на Земле.

Мы не можем реконструировать объект, упавший в черную дыру, на основе просочившейся из него информации, пишет Хокинг, так же как «нельзя предсказать погоду более чем на несколько дней вперед».

Брандмауэры удалены

Рассуждения Хокинга против горизонтов событий также, по-видимому, устраняют так называемые брандмауэры, которые представляют собой обжигающие зоны интенсивного излучения, которые некоторые ученые недавно (и противоречиво) предположили, что они могут существовать на горизонтах событий или вблизи них.

Чтобы понять значение этого пересмотра, полезно знать, что несколько десятилетий назад Хокинг открыл, что черные дыры не являются идеально «черными». Вместо этого они излучают излучение сразу за своим горизонтом событий, энергия их гравитационных полей заставляет пары частиц появляться в окружающем вакууме.

Со временем генерация так называемого излучения Хокинга заставляет черные дыры терять массу или даже полностью испаряться.

Согласно этой теории, пары частиц, созданные вокруг черных дыр, должны быть запутаны друг с другом. Это означает, что поведение частиц каждой пары связано независимо от расстояния. Один член каждой пары падает в черную дыру, а другой убегает.

Но недавние исследования показывают, что каждая частица, покидающая черную дыру, также должна быть запутана с каждой исходящей частицей, которая уже покинула ее. Это прямо противоречит хорошо проверенному принципу квантовой физики, утверждающему, что запутанность всегда «моногамна», то есть две частицы, и только две, являются парными с момента их создания.

Поскольку никакая частица не может одновременно иметь два вида запутанности — один из которых связывает ее с другой частицей в момент ее происхождения, а другой — со всеми другими частицами, покинувшими черную дыру, — теоретически одно из этих запутываний должно расцепляются, высвобождая огромное количество энергии и создавая брандмауэр.

Брандмауэры подчиняются квантовой физике, решая загадку черных дыр относительно запутанности. Но они создают еще одну проблему, поскольку противоречат хорошо проверенному «принципу эквивалентности» Эйнштейна, который подразумевает, что пересечение горизонта событий черной дыры должно быть ничем не примечательным событием. Гипотетический астронавт, проходящий через горизонт событий, даже не будет знать о прохождении. Однако если бы был брандмауэр, астронавт мгновенно сгорел бы. Поскольку это нарушает принцип Эйнштейна, Хокинг и другие пытались доказать, что брандмауэры невозможны.

«Похоже, что он заменяет брандмауэр стеной хаоса», — сказал физик из Института Кавли Джо Полчински, не участвовавший в работе Хокинга.

Открытые вопросы

Хотя квантовый физик Сет Ллойд из Массачусетского технологического института считает, что идея Хокинга является хорошим способом избежать брандмауэров, он сказал, что на самом деле она не решает проблем, которые создают брандмауэры.

«Я бы предостерег от любой веры в то, что Хокинг придумал радикальное новое решение, отвечающее на все вопросы, касающиеся черных дыр», — сказал физик-теоретик Шон Кэрролл из Калифорнийского технологического института, который не участвовал в этом исследовании. «Эти проблемы очень далеки от решения».

Физик-теоретик Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета в Калифорнии, который также не принимал участия в исследованиях Хокинга, предполагает, что может быть другое решение загадок, которые ставят черные дыры. Например, работа Сасскинда и его коллеги Хуана Малдасены намекает на то, что запутанность может быть связана с червоточинами: короткими путями, которые теоретически могут соединять удаленные точки в пространстве и времени. По словам Сасскинда, это направление мысли могло бы послужить основой для исследований, которые могли бы решить спор о брандмауэре.

Физик-теоретик Дон Пейдж из Университета Альберты в Эдмонтоне, Канада, отметил, что в ближайшем будущем не будет возможности найти доказательства, подтверждающие идею Хокинга. Астрономы не смогут обнаружить никаких отличий в поведении черных дыр от того, что они уже наблюдали.

Тем не менее, новое предложение Хокинга «может привести к более полной теории квантовой гравитации, которая делает другие предсказания, поддающиеся проверке», — сказал Пейдж.

Кэрролл планирует следить за Хокингом в ближайшие дни: «Вполне вероятно, что у Хокинга есть гораздо лучший аргумент, который он еще не изложил на бумаге».

Подписывайтесь на Charles Q. Choi в Twitter и Google+.

Читать дальше

Журнал
Декодер

Узнайте, почему осьминоги могут быть идеальными мамами-жертвами

Самки, заботящиеся о тысячах яиц, начинают самоуничтожаться, чтобы освободить место для нового поколения.

Эксклюзивный контент для подписчиков

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории

Узнайте, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету

Неужели люди настолько одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории

Посмотрите, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу будет исследовать красную планету

Подробнее

8 способов узнать, что черные дыры действительно существуют

Из всех выдающихся концепций астрономии черных дыр могут быть самыми странными. Область космоса, где материя настолько плотно упакована, что ничто, даже сам свет, не может ускользнуть, эти темные бегемоты также представляют довольно устрашающую перспективу. Поскольку внутри них нарушаются все обычные законы физики, заманчиво отмахнуться от черных дыр как от научной фантастики. Тем не менее, есть множество свидетельств — как прямых, так и косвенных — того, что они действительно существуют во Вселенной.

«Надежное предсказание» Эйнштейна

Черные дыры оказались неизбежным следствием общей теории относительности Альберта Эйнштейна. (Изображение предоставлено: Bettmann / Contributor)

В качестве теоретической возможности черные дыры были предсказаны в 1916 году Карлом Шварцшильдом, который обнаружил, что они являются неизбежным следствием общей теории относительности Эйнштейна . Другими словами, если теория Эйнштейна верна, а все факты говорят о том, что 0138 — значит, должны существовать черные дыры. Впоследствии они были еще более обоснованы Роджером Пенроузом и Стивеном Хокингом, которые показали, что любой объект, коллапсирующий в черную дыру, образует сингулярность, в которой традиционные законы физики нарушаются, согласно данным Кембриджского университета . Это стало настолько широко признано, что Пенроуз был удостоен доли в Нобелевской премии по физике 2020 года «за открытие того, что образование черных дыр является надежным предсказанием общей теории относительности».

Гамма-всплески

Гамма-всплески, вызванные рождением черных дыр, обнаружены наземным оборудованием. (Изображение предоставлено NASA/Swift/Cruz deWilde)

В 1930-х годах индийский астрофизик Субраманиан Чандрасекар наблюдал, что происходит со звездой, когда она израсходовала все свое ядерное топливо, по данным НАСА . . Он обнаружил, что конечный результат зависит от массы звезды. Если эта звезда действительно большая, скажем, 20 масс Солнца, то ее плотное ядро, которое само по себе может быть в три или более раз больше массы Солнца, коллапсирует вплоть до черной дыры, согласно НАСА. Окончательный коллапс ядра происходит невероятно быстро, за считанные секунды, и при этом высвобождается огромное количество энергии в виде гамма-всплеск . Этот всплеск может излучать в космос столько энергии, сколько обычная звезда излучает за всю свою жизнь. И телескопы на Земле зафиксировали многие из этих всплесков, некоторые из которых исходят из галактик, удаленных от нас на миллиарды световых лет; так что мы действительно можем видеть, как рождаются черные дыры.

Гравитационные волны

Гравитационные волны в представлении художника. Черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга, создают рябь в пространстве-времени, которая распространяется наружу в виде гравитационных волн. (Изображение предоставлено Р. Хёртом/Caltech-JPL)

Черные дыры не всегда существуют по отдельности — иногда они встречаются парами, вращаясь вокруг друг друга. Когда они это делают, гравитационное взаимодействие между ними создает рябь в пространстве-времени , которая распространяется наружу в виде гравитационных волн — еще одно предсказание теории относительности Эйнштейна. С такими обсерваториями, как лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория и Virgo, у нас теперь есть возможность обнаруживать эти волны.0137 Space.com сообщил . О первом открытии, связанном с слиянием двух черных дыр, было объявлено еще в 2016 году, и с тех пор было сделано еще много других. По мере улучшения чувствительности детектора обнаруживаются и другие события, генерирующие волны, помимо слияний черных дыр — например, столкновение черной дыры с нейтронной звездой, которое произошло далеко за пределами нашей галактики на расстоянии от 650 миллионов до 1,5 миллиардов световых волн. лет от Земли, Живая наука сообщила .

Невидимый спутник

Впечатление художника показывает орбиты объектов тройной системы HR 6819. (Изображение предоставлено L. Calçada/ESO)

Кратковременные высокоэнергетические события, вызывающие гамма-всплески и гравитационные волны, могут быть видны на полпути через наблюдаемую Вселенную, но для большей части в их жизни черные дыры по самой своей природе будут почти незаметны. Тот факт, что они не излучают никакого света или другого излучения, означает, что они могут скрываться в наших космических окрестностях без ведома астрономов. Однако есть один безошибочный способ обнаружить темных зверей — через их гравитационное воздействие на другие звезды. При наблюдении обычной двойной системы или пары вращающихся вокруг звезд, известной как HR 6819.в 2020 году астрономы заметили странности в движении двух видимых звезд, которые можно было бы объяснить, только если бы там был третий, совершенно невидимый объект. Когда они рассчитали его массу — по крайней мере, в четыре раза больше, чем у Солнца — исследователи поняли, что осталась только одна возможность. Это должна была быть черная дыра — самая близкая из обнаруженных к Земле, всего в тысяче световых лет от нас внутри нашей собственной галактики, как сообщал Live Science .

Рентгеновское зрение

Черная дыра Лебедь X-1 вытягивает материал из массивной синей звезды-компаньона. (Изображение предоставлено НАСА/CXC)

Первое наблюдательное свидетельство существования черной дыры появилось в 1971 году, и оно также пришло из двойной звездной системы в нашей собственной галактике. Система под названием Лебедь X-1 производит одни из самых ярких рентгеновских лучей во Вселенной. Они исходят не от самой черной дыры или ее видимой звезды-компаньона, которая огромна, в 33 раза больше массы нашего собственного Солнца, по данным НАСА . Скорее, материя постоянно отделяется от гигантской звезды и втягивается в аккреционный диск вокруг черной дыры, и именно из этого аккреционного диска, как заявили в НАСА, испускаются рентгеновские лучи. Как они сделали с HR 6819, астрономы могут использовать наблюдаемое движение звезды для оценки массы невидимого объекта в Лебеде X-1. Последние расчеты показывают, что темный объект массой 21 солнечная сконцентрирован в таком маленьком пространстве, что он не может быть ничем иным, как черной дырой, сообщает Live Science .

Сверхмассивные черные дыры

В центре нашей галактики находится сверхмассивная черная дыра в области, известной как Стрелец А. (Изображение предоставлено ESA–C. Carreau)

В дополнение к черным дырам, образовавшимся в результате звездного коллапса, данные свидетельствуют о том, что сверхмассивные черные дыры, каждая из которых имеет массу в миллионы или даже миллиарды солнечных масс, скрывались в центрах галактик с самого начала истории Вселенной, Live Science сообщает . В случае с так называемыми активными галактиками свидетельства существования этих тяжеловесов впечатляют. По данным НАСА , центральные черные дыры в этих галактиках окружены аккреционными дисками, производящими интенсивное излучение на всех длинах волн света. У нас также есть доказательства того, что в центре нашей галактики есть черная дыра. Это потому, что мы видим, как звезды в этом регионе вращаются так быстро — до 8% скорости света — что они должны вращаться вокруг чего-то очень маленького и массивного. По текущим оценкам, центральная черная дыра Млечного Пути имеет массу около 4 миллионов масс Солнца.

Спагеттификация

Еще одно доказательство существования черных дыр — это… спагеттификация. Вы можете задаться вопросом, что такое спагетификация? Это то, что происходит, когда вы падаете в черную дыру, и это довольно очевидно. Вы растягиваетесь в тонкие нити из-за сильного гравитационного притяжения черной дыры. К счастью, это вряд ли случится с вами или кем-либо из ваших знакомых, но вполне может быть судьбой звезды, которая слишком близко подобралась к сверхмассивной черной дыре 9. 0137 Живая наука сообщила . В октябре 2020 года астрономы стали свидетелями этого разрыва — или, по крайней мере, они увидели вспышку света от несчастной звезды, когда она была разорвана на части. К счастью, спагеттификация произошла не где-то рядом с Землей, а в галактике на расстоянии 215 миллионов световых лет от нас.

И наконец — прямое изображение

Первое в истории прямое изображение черной дыры. (Изображение предоставлено коллаборацией Event Horizon Telescope)

(открывается в новой вкладке)

До сих пор у нас было много убедительных косвенных доказательств существования черных дыр: всплески радиации или гравитационные волны или динамические воздействия на другие тела, которые не могли t были произведены любым другим объектом, известным науке. Но окончательное решение пришло в апреле 2019 года., в форме прямое изображение сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики Мессье 87. Эта потрясающая фотография была сделана Телескопом горизонта событий — название слегка вводящее в заблуждение, поскольку он состоит из большой сети телескопов, разбросанных по во всем мире, а не на одном инструменте. По данным НАСА, чем больше телескопов может участвовать и чем дальше они разнесены, тем лучше конечное качество изображения. Результат ясно показывает темную тень черной дыры массой 6,5 миллиардов солнечных на фоне оранжевого свечения окружающего ее аккреционного диска, как сообщает Live Science .

Первоначально опубликовано на Live Science.

Эндрю Мэй имеет докторскую степень. получил степень доктора астрофизики в Манчестерском университете, Великобритания. В течение 30 лет он работал в академическом, государственном и частном секторах, прежде чем стать научным писателем, где он писал для Fortean Times, How It Works, All About Space, BBC Science Focus и других. Он также написал ряд книг, в том числе «Космическое воздействие» и «Астробиология: поиск жизни в другом месте во Вселенной», изданные издательством Icon Books.

13.7: Космос и культура: NPR

Существуют ли черные дыры? : 13.7: Космос и культура Стивен Хокинг хочет покончить с черными дырами (какими мы их знаем), чтобы спасти два столпа современной физики: общую теорию относительности и квантовую механику. На карту поставлено наше понимание природы пространства и времени, а также того, как материя воздействует на них обоих.

Мнение

Наука

5 февраля 2014 г., 14:35 по восточноевропейскому времени.

Впечатление этого художника показывает окружение сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики NGC 3783 в южном созвездии Центавра.

М. Корнмессер/ESO

скрыть заголовок

переключить заголовок

М. Корнмессер/ESO

На этом снимке художника изображено окружение сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики NGC 3783 в южном созвездии Центавра.

М. Корнмессер/ESO

Черные дыры в кризисе. Ну, не они, а люди, которые о них думают, физики-теоретики, пытающиеся понять взаимосвязь между двумя столпами современной физики, общей теорией относительности и квантовой физикой. Судя по текущим дискуссиям, один из двух должен уйти, по крайней мере, в их нынешней формулировке. 22 января ^nd Стивен Хокинг опубликовал статью, в которой он прямо заявил, что черных дыр в том смысле, что они являются объектами, которые могут бесконечно улавливать свет и все остальное, больше нет. И это большое дело.

Но обо всем по порядку. По сути, черные дыры — это область пространства, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может покинуть ее. Они являются следствием общей теории относительности Эйнштейна . Он описывает гравитацию как искривление пространства (и времени) вокруг массы: чем больше масса, тем более искривлено пространство вокруг нее. На предельном пределе очень плотной массы пространство настолько искривляется, что замыкается само на себя, становясь ловушкой, из которой нет выхода. В самой сердцевине черной дыры лежит «сингулярность», гипотетическая точка, где гравитация становится бесконечно сильной, и теория рушится: мы не можем понять физический смысл объектов с бесконечным чем-либо.

Эйнштейн не любил черные дыры, думая, что что-то вмешается, прежде чем все потеряет смысл. В конце концов, он был большим защитником реализма, полагая, что природа по существу чувственна, если бы только мы могли понять ее смысл. Сумасшедших вещей не должно происходить; это только кажется, потому что мы не понимаем это правильно. Кстати, это относится и к его позиции по квантовой механике, как мы видели здесь раньше.

Черные дыры окружены горизонтом событий, своего рода невидимой мембраной, обозначающей точку невозврата. Если вы выйдете за горизонт событий, ваша судьба решена: вы неумолимо пойдете вперед, к сингулярности, и исчезнете в небытие.

В черных дырах существует своего рода асимметрия, являющаяся следствием эйнштейновского принципа эквивалентности , краеугольного камня общей теории относительности: свободно падающий человек не чувствует собственного веса. Мы знаем это, путешествуя в лифтах. Вы чувствуете себя легче, когда они ускоряются вниз. Вы бы чувствовали себя невесомыми, если бы лифт разогнался до свободного падения. Именно поэтому астронавты парят на орбите: они свободно падают в гравитационном поле Земли. Асимметрия возникает, когда вы думаете о свободном падении человека в черную дыру: он не почувствует никакой разницы, пересекая горизонт событий, кроме все более сильного гравитационного притяжения внутрь. Однако, если он попытается выбраться, он не сможет.

По крайней мере, так мы привыкли думать о черных дырах. Ситуация начинает запутываться, когда мы привносим в картину квантовую физику. В 1970-х годах Стивен Хокинг показал, что квантовые эффекты могут заставить черные дыры медленно испаряться, теряя свою массу. При этом их горизонт событий сужается, как проколотый воздушный шар в сверхмедленном движении. (Это происходит из-за квантового эффекта, известного как создание пары: законы квантовой физики допускают создание частиц в искривленных пространствах, и если пара частица-античастица создается прямо за горизонтом событий, есть шанс, что одна из них будет проглочена, пока другая ускользает. Когда частица проглатывается, закон сохранения энергии заставляет черную дыру высвобождать энергию, и она становится немного легче.)

На ум приходят два вопроса: если материя, падающая в черные дыры, каким-то образом организована таким образом, чтобы кодировать информацию (скажем, книгу, лягушку, вашего врага), а когда она улетает, это только случайное излучение, что происходит с исходная информация? Он потерян? Если это так, то потеря информации нарушает квантовую физику, которая утверждает, что информация должна сохраняться в таком процессе. Кроме того, если черные дыры полностью испарятся, останется ли у нас незащищенная сингулярность, точка в пространстве, где ничто не имеет смысла?

Кризис вызывает прямое столкновение между теорией относительности и квантовой физикой. В 2012 году Джон Полчински из Института теоретической физики Кавли (где я был постдоком в начале 1990-х) и его сотрудники предложили решение, которое на самом деле сделало ситуацию еще более загадочной: может быть, горизонт событий на самом деле является брандмауэром, созданным всеми частицы, которые испаряются из черной дыры, разрывают свои связи со своими сестрами внутри и попадают в ловушку гравитации черной дыры. Это связано с квантовым свойством, называемым запутанностью, связью между частицами настолько удивительной, что они теряют свою идентичность, будучи запутанными. Чтобы разорвать их связь, высвобождается куча энергии, и именно эта энергия питает брандмауэр.

Проблема в том, что если брандмауэры и существуют, то они нарушают принцип эквивалентности, поскольку он делает горизонт событий особым местом в пространстве. Если мы отбросим этот принцип, общая теория относительности Эйнштейна останется с ним. Если мы отбросим квантовую запутанность и потерю информации, квантовая физика останется с ними. Жюри все еще не на брандмауэре. Некоторые физики поддерживают это, в то время как другие говорят, что это не имеет смысла, например, «вы не видите, как стена появляется из ниоткуда, когда вы ходите».

Хокинг приходит к драматическому решению: возможно, горизонта событий на самом деле не существует, а есть только «кажущийся горизонт» с более эфемерным существованием. В этом случае то, что попало внутрь, может медленно вытекать.