10 интересных фактов о черных дырах

Черные дыры интересовали ученых уже давно, но до сих пор мы мало, что о них знаем. Из всех объектов нашей Вселенной, они, пожалуй, являются самыми загадочными и скрывают немало тайн.

Образование черных дыр

Черная дыра рождается тогда, когда у крупной звезды начинает заканчиваться топливо и она начинает разрушаться из-за своей же собственной гравитации. Такая звезда превращается в белого карлика или нейтронную звезду, но если заезда оказывается очень массивной, она может продолжать сжиматься и в конечном итоге достигает размера крошечного атома, который называется центром черной дыры.

Масса черной дыры

Масса этой сжатой звезды настолько велика, а гравитация ее центра настолько сильна, что, согласно теории общей относительности Эйнштейна, она на самом деле может деформировать пространство-время вокруг себя, и даже свет не может вырваться из нее. Граница, за которую свет не может вырваться, называется горизонт событий, а расстояние от центра до горизонта событий - гравитационный радиус или радиус Шварцшильда.

Теория черных дыр

Как только частицы и солнечные лучи пересекают горизонт событий, они направляются к центру, их больше никогда никто не сможет увидеть.

Самые странные объекты Вселенной

Для внешнего наблюдателя с телескопом кажется, что объект, который проходит через горизонт событий, начинает замедляться и замерзать и что он вовсе не прошел через эту границу. Со временем свет становится красным и более тусклым, а его длина волны - длиннее, в конечном итоге, он исчезает из поля видимости, становясь инфракрасной радиацией, а затем радиоволнами.

Падение в черную дыру

Если бы человек мог оказаться в черной дыре, будучи в сознании и имея возможность вернуться оттуда, он бы рассказал, что вначале испытал ощущение невесомости, как будто он находится в свободном падении, но затем почувствовал бы очень мощные силы притяжения, его бы тащило ближе к центру черной дыры. Чем ближе к центру, тем сильнее гравитация, поэтому если бы его ноги были ближе к центру, чем голова, его бы начало сильно растягивать и в конечном итоге разорвало бы на части. Во время падения он бы видел искаженное изображение, как будто свет обволакивает его и он бы также увидел, как свет за пределами черной дыры направляется во внутрь.

Сила гравитации черных дыр

Важно понимать, что гравитационное поле черной дыры точно такое же, как и у других объектов в космосе, имеющих такую же массу. Другими словами, черные дыры притягивают к себе объекты так же, как это делают обычные звезды, то есть все объекты, которые оказываются рядом с горизонтом событий, падают в них.

Кротовые норы

Кротовая нора в теории является туннелем в пространстве-времени, который позволяет пройти коротким путем от одного конца Вселенной к другому. Однако эти объекты могут оказаться с внешней стороны очень похожими на черные дыры.

Кто открыл черные дыры во Вселенной?

Джон Мичелл (1783 год) и Пьер-Симон Лаплас (1796 год) впервые предложили концепцию "темных звезд" или объектов, которые при сжатии имеют такую сильную силу притяжения, что скорость убегания рядом с ними будет превышать скорость света. В 20-м столетии физик Джон Уиллер предложил называть эти объекты "черными дырами", так как они поглощали все частицы света, которые оказывались поблизости, поэтому ничего отражать были не способны.

Излучение Хокинга – испарение черной дыры

Физики в настоящее время полагают, что черные дыры на самом деле излучают небольшое количество частиц фотонов и таким образом теряют массу, поэтому сжатие постепенно ослабляется. Этот неподтвержденный пока процесс получил называние излучение Хокинга в честь профессора Стивена Хокинга, который выдвинул теорию в 1974 году. Однако этот процесс происходит невероятно медленно и только самые мелкие черные дыры имели время, чтобы испарить достаточное количество вещества за 14 миллиардов лет существования Вселенной.

Массивные черные дыры

Считается, что большая часть галактик держится вместе за счет супермассивных черных дыр в своих центрах, которые удерживают рядом сотни звездных систем.

Кротовые норы. Парадокс «Огненной стены»

Вместо того чтобы уничтожать абсолютно все частицы, попадающие в чёрную дыру, «огненная стена» на входе в неё действует избирательно и появляется только для того, чтобы уничтожить то, что при проникновении внутрь может привести к образованию опасных парадоксов. Словом, не очень-то это и стена... Кротовые норы — гипотетические туннели в пространстве-времени, соединяющие чёрные дыры, — предположительно, могут быть последствиями квантовой запутанности, когда квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми.

Теоретически путешествие между двумя точками, соединёнными кротовой норой, не имеет длительности, даже если одна точка находится на Земле, а другая — в Туманности Андромеды. Однако современные представления подвергают эти норы так называемой топологической цензуре, делающей их непроходимыми в нормальных условиях.

Суть «цензуры»: из эйнштейновских уравнений гравитационного поля следует, что если энергия, учитываемая в процессе, не является отрицательной (а мы с таковой пока не знакомы), то вход в кротовую дыру должен всё время отодвигаться от вас или бесконечно удлиняться. Так что, хотя путешествие чрез кротовину не требует времени, попадание в неё может длиться неограниченно долго.

Как вы помните, в прошлом году был представлен так называемый парадокс огненной стены на входе в чёрную дыру. Суть его в том, что фотоны, испускаемые ЧД посредством излучения Хокинга, должны быть квантово запутаны с внутренностями ЧД, а также друг с другом, что создаёт проблемы: одна частица, согласно квантовой механике, не может быть одновременно «сцепленной» с двумя другими объектами в равной мере.

Более того, чем сильнее частица Алиса запутана с частицей по имени Боб, тем в меньшей степени она способна быть спутанной с частицей Кэрри (условной третьей частицей), что часто в шутку называют квантовой моногамией.

Чтобы избежать такого парадоксального явления, как запутанность более чем с одним объектом, было выдвинуто предположение, что на границе ЧД сцепленность фотона и внутренностей дыры должна нарушаться, и, таким образом, на входе в ЧД появляется «стена», в прямом смысле уничтожающая падающие в неё объекты. Следовательно, никаких «внутренностей» у ЧД нет — по крайней мере организованных и способных содержать какую-то информацию. (Иначе говоря, сразу за горизонтом событий действительно находится огненная стена, а не, извините, «противопожарная перегородка».)

Решений этому парадоксу за прошедший год предложено множество, но чаще всего они вводят ещё больше не слишком подтверждённых сущностей, нежели сам парадокс. И вот два небезызвестных физика, Хуан Малдасена (Juan Maldacena) из Института сложных исследований в Принстоне и Леонард Саскинд (Leonard Susskind), представляющий Стэнфордский университет, предложили ещё одно решение парадокса. Основываясь на работах 2009 и 2010 гг., предполагающих, что кротовые норы могут быть проявлением квантовой запутанности, они развили эту мысль и теперь сообщают нам, что из неё вытекает.

Сперва физики показали, что кротовые норы между двумя ЧД, обычно выводимые из общей теории относительности, одновременно неизбежны и в квантовой механике. Если мы предположим, что между парой чёрных дыр существует квантовая запутанность, в этом случае кротовая нора будет просто её физическим выражением. Затем исследователи предположили, что между ЧД и буквально каждым (!) фотоном, её покидающим, есть кротовая нора — туннель, соединяющий две точки так, как если бы между ними вообще не было расстояния.

Согласно парадоксу огненной стены, Алиса, находящаяся по одну сторону горизонта событий ЧД (нашу), может воспринять условный кубит C (квантовый бит информации), испущенный ЧД в далёком прошлом, и передать его обратно, пользуясь кубитом B, извлечённым из такого же хокинговского излучения, но излучённого ЧД недавно. Падая в чёрную дыру, Алиса не сможет наблюдать спокойного вакуумного состояния, в котором А и B подвержены квантовому запутыванию. Вместо этого она столкнётся с высокоэнергетичной частицей, которая должна будет её уничтожить. До этого момента Малдасена и Зюскинд согласны с решаемым ими парадоксом.

Далее парадокс делает предположение, что действия Алисы за горизонтом событий, до того как она вошла в ЧД, не могут создать эту энергичную частицу, следовательно, эта частица существовала там в постоянном режиме и была не одна, а во множестве, угрожая уничтожением любой входящей частице, а не только Алисе с её квантовым хакерством. Значит, делают вывод авторы парадокса, на входе в ЧД есть огненная стена.

А вот и нет, говорят Малдасена и Саскинд. На самом деле огненная стена, присутствующая там в качестве «возмездия» за операции с кубитами, происходящими из чёрной дыры, ждёт только Алису. Приложение к ней энергии на входе в ЧД было создано самой Алисой, когда она начала взаимодействовать с кубитом С, найденным ею среди излучения из ЧД. Здесь возникает вопрос: как действия Алисы за пределами непреодолимого горизонта событий могли привести к возникновению какой-то частицы внутри горизонта событий? Как отмечают Малдасена и Саскинд, это очень просто: кубиты А и С всё равно были связаны изначально кротовой дырой.

Поскольку такие кротовые норы создают иную запутанность, нежели существует между самими фотонами, то «квантовая моногамия» не нарушается, и необходимости в создании огненной стены теоретически не возникает. Зато их наличие играет роль передатчика, ориентирующего внутреннюю часть ЧД на уничтожение столь неприятных носителей парадоксов, как Алиса, но процесс их уничтожения всякий раз сугубо индивидуален и не означает постоянного наличия у входа в ЧД перманентных стен из частиц высоких энергий. Следовательно, в основной массе случаев возникновение огненных стен исключено.

Рано говорить об окончательности такого решения. Тем более что, как мы видим, огненная стена в нём исключена не на 100%: у этого сценария есть интересные логические ответвления... И всё же кажется, что на сегодня это самая серьезная попытка теоретической критики парадокса огненной стены...