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».
Так что такое черные дыры? Понятный ответ Стивена Хокинга из его последней книги
Фрагменты новых книг
Стивен Хокинг
© Karwai Tang/Getty Images
В издательстве «Бомбора» выходит книга «Короткие ответы на серьезные вопросы» Стивена Хокинга, законченная уже после смерти знаменитого физика. ТАСС публикует отрывок о черных дырах
Стивен Хокинг был если не величайшим физиком наших дней, то наверняка известнейшим. Авторитет британца был настолько велик, что его мнение спрашивали по самым разным темам. Хокинг не отказывал. В «Коротких ответах на серьезные вопросы» собраны размышления ученого о волнительных вещах вроде существования бога, опасности искусственного интеллекта, путешествий во времени.
Даже из этого неполного списка видно, что многие вопросы выходят далеко за сферу компетенции Хокинга, — ответы получились соответствующие.
Также нужно иметь в виду, что книга не специально написана, а составлена из лекций, публичных выступлений, интервью. Физик не успел ее закончить — после смерти «Короткие ответы…» доделывали коллеги и родственники.
Как это часто бывает с людьми в конце жизненного пути, ученый Хокинг рассуждает не столько о научных, сколько об этических проблемах, но с научной точки зрения. Насчет людей и нашего будущего британец был, скорее, оптимистом, пусть не всегда до конца понимал, о чем говорит. В чем он действительно разбирался, так это в черных дырах. В следующем отрывке британец объясняет, как вообще появилась идея об этих поразительных объектах и что они собой представляют.
Описание
Обложка книги «Краткие ответы на серьезные вопросы» Стивена Хокинга
© Издательство «Бомбора»
Говорят, что факты порой причудливей вымысла, и нигде это не оправдывается в большей степени, чем в черных дырах. Черные дыры необычнее всех выдумок писателей-фантастов, и при этом их существование — доказанный научный факт.
Первым заговорил о черных дырах ученый из Кембриджа Джон Мичелл в 1783 году. Его идея заключалась в следующем. Если выстрелить частицу, например пушечное ядро, вертикально вверх, сила гравитации будет замедлять ее движение. Постепенно частица перестанет двигаться вверх и начнет падать обратно. Однако если первоначальная вертикальная скорость будет выше определенного критического значения, так называемой скорости убегания, то силы гравитации окажется недостаточно, чтобы остановить частицу, и она улетит. Скорость убегания, или вторая космическая скорость, для Земли составляет свыше 11 километров в секунду, а для Солнца — примерно 617 километров в секунду. И та и другая значительно выше скорости реального пушечного ядра. Но они невысоки по сравнению со скоростью света, которая составляет 300 000 километров в секунду. Таким образом, свет без особого труда может покинуть и Землю, и Солнце. Однако Мичелл отметил, что могут существовать звезды гораздо массивнее Солнца, на которых скорость убегания будет превышать скорость света.
Мы не в состоянии их увидеть, потому что свет, испускаемый ими, притягивается обратно благодаря силе гравитации. Мичелл назвал их «темными звездами». Сейчас мы называем их черными дырами.
Чтобы понять их, нужно начать с гравитации. Гравитация описана в общей теории относительности Эйнштейна, которая также является теорией пространства и времени. Поведение пространства и времени определяется рядом уравнений, которые Эйнштейн вывел в 1915 году. С тех пор они так и называются — уравнения Эйнштейна. Хотя гравитация считается самой слабой из известных сил природы, у нее есть два существенных преимущества перед ними. Во-первых, она действует на большом расстоянии. Земля удерживается на орбите вокруг Солнца, до которого 150 миллионов километров. Солнце вращается по орбите вокруг центра Галактики, до которого примерно 25 000 световых лет. Второе преимущество заключается в том, что гравитация всегда положительная, в отличие от электрических сил, которые могут быть как положительными, так и отрицательными.
Эти две характеристики означают, что у достаточно крупной звезды гравитационное притяжение между частицами доминирует над всеми остальными силами и приводит к гравитационному коллапсу. Несмотря на эти факты, научное сообщество долго шло к пониманию, что массивные звезды под воздействием собственной гравитации могут обрушиваться внутрь себя, и не могло представить, как будут вести себя возникшие в результате объекты. Альберт Эйнштейн в 1939 году даже опубликовал статью, в которой утверждал, что гравитация не может привести к коллапсу звезды, потому что материя не может сжиматься плотнее определенных величин. Многие ученые соглашались с интуитивной догадкой Эйнштейна. Главным исключением стал американский ученый Джон Уилер, которого во многом можно считать главным героем истории о черных дырах. В работах 1950–1960-х годов он доказывал, что многие звезды должны со временем переживать коллапс, и исследовал проблемы, которые в связи с этим могут возникнуть для теоретической физики. Он также предсказал многие свойства объектов, в которые превращаются звезды после гравитационного коллапса, то есть черных дыр.
На протяжении основной части жизни обычной звезды, длящейся много миллиардов лет, она противостоит собственной гравитации за счет теплового давления, создаваемого термоядерным процессом, в ходе которого водород превращается в гелий. Но постепенно ядерное топливо звезды заканчивается. Звезда начинает сжиматься. В некоторых случаях она может сохраниться как белый карлик — плотные остатки звездного ядра. Однако в 1930 году Субраманьян Чандрасекар доказал, что максимальная масса звезды — белого карлика не может более чем в 1,4 раза превышать массу Солнца. Аналогичную предельную массу рассчитал советский физик Лев Ландау для нейтронной звезды.
На эту тему
Как же складывается судьба бесконечного количества звезд с массой, превышающей предельную массу белого карлика или нейтронной звезды, у которых заканчивается ядерное горючее? Проблему изучал Роберт Оппенгеймер, которого часто называют «отцом атомной бомбы». В паре статей 1939 года, написанных в соавторстве со своими учениками Джорджем Волковым и Хартлендом Снайдером, Оппенгеймер показал, что такие звезды не в состоянии сохранять необходимое давление.
А при отсутствии давления однородная сферически-симметричная звезда должна сжаться до точки, обладающей бесконечной плотностью. Такая точка называется сингулярностью. Все наши теории пространства опираются на предположение, что пространство-время ровное и практически плоское, поэтому в точке сингулярности, где искривление становится бесконечным, оно прерывается. То есть сингулярность — это конец пространства и времени. Это вызывало сильные возражения у Эйнштейна.
Затем вмешалась Вторая мировая война. Большинство ученых, включая Роберта Оппенгеймера, переключили внимание на ядерную физику, и тема гравитационного коллапса оказалась практически заброшена. Интерес к предмету возродился с открытием удаленных объектов, которые назвали квазарами. Первый квазар, получивший номер 3С 273, был обнаружен в 1963 году. Вскоре нашли много других. Они были очень яркими, несмотря на огромную удаленность от Земли. Такое излучение нельзя было объяснить ядерными процессами, поскольку на выделение энергии в них тратится лишь незначительная часть массы покоя.
Единственной альтернативой могла считаться гравитационная энергия, испускаемая вследствие гравитационного коллапса.
Таким образом был вторично обнаружен гравитационный коллапс.
Когда подобное происходит, сила гравитации притягивает к объекту всю окружающую материю. Было понятно, что унифицированная сферическая звезда должна сжаться до точки бесконечной плотности, до сингулярности. А что может произойти, если звезда не однородная и не сферическая? Может ли неравномерное распределение звездного вещества стать причиной неоднородного коллапса, тем самым позволив избежать сингулярности? В замечательной статье 1965 года Роджер Пенроуз, опираясь исключительно на тот факт, что гравитация — сила притяжения, показал, что и в таком случае возникает сингулярность.
В сингулярности уравнения Эйнштейна перестают действовать. Это означает, что в точке бесконечной плотности невозможно предсказать будущее. Из этого следует, что при коллапсе звезды должно происходить нечто странное. На нас никак не может повлиять нарушение предсказуемости, если сингулярность не обнажена — то есть не защищена извне.
Пенроуз выдвинул принцип космической цензуры: все сингулярности, образованные в результате коллапса звезд или иных объектов, скрыты от наблюдателя внутри черных дыр. Черная дыра — область, где гравитация настолько сильна, что свет не может ее покинуть. Принцип космической цензуры почти наверняка верен, поскольку множественные попытки опровергнуть его успехом не увенчались.
На эту тему
В 1967 году Джон Уилер предложил термин «черная дыра» вместо существовавшего раньше термина «застывшая звезда». Выражение Уилера подчеркивает, что остатки коллапсировавших звезд существуют сами по себе вне зависимости от того, как они формировались. Новый термин быстро прижился.
Извне невозможно понять, что происходит внутри черной дыры. Что бы в нее ни попадало, каким бы образом она ни сформировалась, черная дыра выглядит одинаково. Джон Уилер выразился по этому поводу так: «У черных дыр нет волос».
Черная дыра имеет границу, которая называется горизонтом событий. В этой области сила гравитации достаточно сильна, чтобы удерживать свет и не дать ему покинуть черную дыру.
А поскольку ничто не может двигаться быстрее света, то и все остальное тоже постоянно затягивается назад и не может ее покинуть. Падение сквозь горизонт событий можно сравнить с катанием на каноэ у Ниагарского водопада. Если вы достаточно далеко от края, вы можете отплыть от него, если грести очень быстро. Но рядом с обрывом вам уже ничто не поможет. Течение ускоряется. Нос каноэ тянет вперед сильнее, чем корму. Есть опасность, что лодку унесет течением. То же самое с черными дырами. Если вы падаете в черную дыру ногами вперед, гравитация будет действовать сильнее на ноги, чем на голову, потому что ноги ближе к черной дыре. В результате вас будет растягивать в длину и сжимать по бокам. Если черная дыра обладает массой в несколько раз больше солнечной, вы будете разорваны и превращены в спагетти прежде, чем достигнете горизонта. Но если черная дыра обладает массой в миллион раз больше солнечной, то сила гравитации будет действовать равномерно на все тело и вы без проблем достигнете горизонта.
Так что если соберетесь исследовать внутренности черной дыр, постарайтесь выбрать объект покрупнее. Например, в центре нашей Галактики есть черная дыра с массой, в четыре миллиона раз превышающей массу Солнца.
Падая в черную дыру, вы ничего не заметите. Стороннему наблюдателю ни за что не удастся увидеть, как ваше тело проходит сквозь горизонт событий. Падение будет замедляться, и тело зависнет снаружи. Только силуэт будет становиться все более размытым, обретать красный цвет, а потом просто исчезнет из виду. С точки зрения внешнего мира, вы исчезнете навсегда.
Теги
Фрагменты новых книг
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, которые содержат 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, нет 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».
Дополнительная информация:
Ксавьер Кальмет и др., Квантовые волосы и информация о черных дырах, Physics Letters B (2022). DOI: 10.1016/j.physletb.2022.136995
Ксавьер Кальмет и др., Quantum Hair from Gravity, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.111301
2022 дпа ГмбХ.
Распространяется Tribune Content Agency, LLC.
Цитата :
Ученые, возможно, решили парадокс черной дыры Стивена Хокинга (2022, 18 марта)
получено 12 ноября 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.
Физики впервые экспериментально подтвердили теорему Хокинга о черной дыре | MIT News
Существуют определенные правила, которым должны подчиняться даже самые экстремальные объекты во Вселенной. Центральный закон для черных дыр предсказывает, что площадь их горизонта событий — граница, за которую ничто не может выйти — никогда не должна уменьшаться. Этот закон — теорема площадей Хокинга, названная в честь физика Стивена Хокинга, который вывел теорему в 1971.
Пятьдесят лет спустя физики из Массачусетского технологического института и других организаций впервые подтвердили теорему Хокинга о площади, используя наблюдения гравитационных волн.
Их результаты опубликованы сегодня в Physical Review Letters .
В ходе исследования исследователи более внимательно изучили GW150914, первый сигнал гравитационной волны, обнаруженный Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в 2015 году. черная дыра вместе с огромным количеством энергии, которая пульсирует в пространстве-времени в виде гравитационных волн.
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.
«Возможно, существует целый зоопарк различных компактных объектов, и хотя некоторые из них являются черными дырами, которые следуют законам Эйнштейна и Хокинга, другие могут быть немного другими существами», — говорит ведущий автор Максимилиано Иси, научный сотрудник NASA Einstein Postdoctoral Fellow. в Институте астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института. «Итак, это не значит, что вы делаете этот тест один раз, и он закончен. Вы делаете это один раз, и это начало».
Соавторами Иси по статье являются Уилл Фарр из Университета Стоуни-Брук и Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон, Мэтью Гислер из Корнельского университета, Марк Шил из Калифорнийского технологического института и Сол Теукольски из Корнельского университета и Калифорнийского технологического института.
Эпоха прозрений
В 1971 году Стивен Хокинг предложил теорему площадей, которая положила начало серии фундаментальных открытий о механике черных дыр. Теорема предсказывает, что общая площадь горизонта событий черной дыры — и всех черных дыр во Вселенной, если уж на то пошло — никогда не должна уменьшаться. 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 1974 году, показав, что черные дыры могут иметь энтропию и излучать излучение в течение очень длительного времени, если принять во внимание их квантовые эффекты. Это явление получило название «излучение 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, — говорит Иси. «Закон о зонах воплощает в себе золотой век 70-х годов, когда все эти идеи были получены».
Хокинг и другие с тех пор показали, что теорема площади работает математически, но не было никакого способа проверить ее на природе, пока LIGO не впервые обнаружил гравитационные волны.
Хокинг, узнав о результате, быстро связался с соучредителем LIGO Кипом Торном, профессором теоретической физики Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте. Его вопрос: может ли обнаружение подтвердить теорему площадей?
В то время у исследователей не было возможности выделить в сигнале необходимую информацию до и после слияния, чтобы определить, не уменьшилась ли конечная площадь горизонта, как предполагала теорема Хокинга. Только несколько лет спустя Иси и его коллеги разработали методику, когда проверка закона площадей стала возможной.
До и после
В 2019 году Иси и его коллеги разработали метод извлечения реверберации сразу после GW1509.
Пик 14 — момент, когда две родительские 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.
Масса и вращение черной дыры напрямую связаны с площадью ее горизонта событий, и Торн, вспомнив вопрос Хокинга, обратился к ним с вопросом: могут ли они использовать один и тот же метод для сравнения сигнала до и после слияния? и подтвердить теорему площади?
Исследователи приняли вызов и снова разделили сигнал GW150914 на его пике. 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 горизонта — примерно 235 000 квадратных километров, или примерно в девять раз больше площади Массачусетса.
Затем 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 в 13 раз больше площади штата Бэй).
«Данные показывают с подавляющей уверенностью, что площадь горизонта увеличилась после слияния и что закон площадей выполняется с очень высокой вероятностью», — говорит 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 дополнительно проверить теорему Хокинга о площади и другие давние теории механики черных дыр, используя данные LIGO и Virgo, ее аналога в Италии.
«Обнадеживает то, что мы можем по-новому, творчески подойти к анализу данных о гравитационных волнах и ответить на вопросы, на которые раньше не могли ответить, — говорит Иси. «Мы можем продолжать дразнить фрагменты информации, которые напрямую связаны с основами того, что, как мы думаем, мы понимаем. Однажды эти данные могут раскрыть то, чего мы не ожидали».
Это исследование было частично поддержано НАСА, Фондом Саймонса и Национальным научным фондом.
Поделиться этой новостной статьей:
Бумага
Документ: «Проверка закона площади черной дыры с помощью GW150914»
Упоминания в прессе
Popular Mechanics
Исследователи из Массачусетского технологического института и других учреждений смогли экспериментально подтвердить одну из теорем Стивена Хокинга о черных дырах, измеряя гравитационные волны до и после слияния черных дыр, чтобы предоставить доказательства того, что горизонт событий черной дыры никогда не может сузиться, сообщает отчет.