Что такое черная дыра?

Информационный парадокс черных дыр

Вы наверняка слышали, что черные дыры уничтожают информацию, которая в них попадает. Почему это является такой огромной проблемой для физики, что ученые всеми силами пытаются избавиться от этой нелепой и нелогичной формулировки? Что ж, мир стал довольно сложным. В моем детстве все было проще. Трава была зеленее, газировка вкуснее, а черные дыры были черными. То есть черные дыры сжимали материю и энергию в бесконечно плотные сингулярности, не создавая непреодолимых парадоксов. Это были хорошие дни.

Но им пришел конец. Сегодня черные дыры вмещают все пятьдесят оттенков серого, изгибая законы физики один за другим. Что же такое информационный парадокс черной дыры?

Для начала давайте поговорим об информации. Когда физики говорят «Информация», они имеют в виду конкретное состояние каждой частицы во вселенной: масса, положение, спин, температура и т. д. отпечаток пальца, который уникальным образом идентифицирует каждого, и вероятность того, что эти частицы собираются делать во вселенной. Вы можете взять атомы, раздавить их или сжать вместе, но квантово — волновая функция, которая их описывает, всегда будет сохраняться.

Квантовая физика позволяет вам запускать всю вселенную вперед и назад до тех пор, пока вы обращаете все в своей математике: заряд, четность и время

Это важно. Светлые умы говорят нам, что информация должна жить, несмотря ни на что

Представьте ее в виде энергии. Вы не можете уничтожить энергию: только преобразовать.

Что такое черная дыра? Она образуется, когда крупнейшая звезда с массой в 20 раз превышающей солнечную жестоко коллапсирует и взрывается. Ее плотность материи чрезвычайно высока, скорость убегания превышает скорость света. Особо прикольные имеют перегретый диск аккреции с материей, которая кружится вокруг горизонта событий черной дыры, за пределы которого свет уже не может вырваться никак.

И тут у нас появляется один из самых странных побочных эффектов относительности: замедление времени. Представьте себе часы, падающие в направлении черной дыры, которые засасывает гравитационный колодец. Время будет идти медленнее по мере приближения к черной дыре, пока наконец не замерзнет на краю горизонта событий. Фотоны от часов вытянутся, и цвет часов пройдет через красное смещение. В конце концов, он исчезнет, поскольку фотоны вытянутся за пределы того, что могут обнаружить наши глаза.

Лишь в том случае, если бы вы смотрели на черную дыру миллиарды лет, вы увидели бы все, что она собрала, что застряло внутри, как на липучке. Вы нашли бы и часы, и «Титаник», и теоретически смогли бы определить квантовое состояние каждой отдельной частицы и фотона, который попал в черную дыру. Поскольку потребуется практически бесконечное количество времени, чтобы все испарилось совершенно, все в порядке.

Информация навсегда на поверхности черной дыры сохраняется. Все, что туда попало, определенно погибло, но их информация, их драгоценная квантовая информация, в полном порядке.

В 1975 году Стивен хокинг сбросил на черные дыры бомбу. Он осознал, что у черных дыр есть температура, и с течением огромного периода времени они совершенно испарятся, выпустив массу и энергию обратно во вселенную. Этот процесс был обозначен как излучение хокинга.

Но эта же идея парадокс породила. Информация о том, что попало в черную дыру сохраняется замедлением времени, но сама масса черной дыры испаряется. В конце концов, она совершенно исчезнет, и тогда куда денется информация? Та информация, которая не может быть уничтожена?

Астрономы в шоке. Десятками лет они работают, пытаясь решить этот вопрос. Есть небольшой набор вариантов:

Черные дыры не испаряются вовсе, хокинг ошибся.
Информация в черной дыре каким-то образом утекает вместе с излучением хокинга.
Черная дыра удерживает ее до самого конца, и когда испаряются две последних частицы, вся информация внезапно высвобождается во вселенную.
Информация сжимается в микроскопическое пространство, которое остается после испарения черной дыры.
Черная дыра.

Возможно, физики никогда не смогут выяснить это. Недавно хокинг выдвинул новую идею, которая могла бы разрешить информационный парадокс черной дыры. Он предположил, что есть некий способ, которым излучение хокинга могло бы уносить в себе информацию о новой материи, падающей в черную дыру.

Таким образом, информация обо всем, что падает, сохраняется уходящим излучением, возвращается во вселенную и разрешает парадокс. Но это догадка, поскольку и само излучение хокинга никто не обнаружил. Возможно, мы через много десятков лет узнаем не только то, в правильном направлении мы движемся или нет, но и собственно решение парадокса.

В ситуациях вроде этой мы вспоминаем, как мало знаем о вселенной на самом деле.

Черные дыры как область пространства-времени

Черные дыры еще определяют как область пространства-времени. Сергей Попов объясняет, что все современные теории гравитации — теории геометрические. В них гравитация описывается как свойство пространства и времени. Имеется в виду, что между пространством и временем можно составить уравнение, это взаимосвязанные величины.

С начала ХХ века, с первых работ Эйнштейна по теории относительности, пространство и время объединены в некоторую сущность. Любые тела, не только массивные, но и самые маленькие, искривляют пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени. Современные измерения позволяют определить, что в одном месте время идет не так, как в другом. Можно провести эксперимент и обнаружить эту разницу.

Визуализация черной дыры

(Фото: NASA)

Черная дыра — это экстремальный способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрали так много вещества или энергии, что пространство-время свернулись и образовали специфическую область. Можно говорить, что черная дыра — это объект, но с бытовой точки зрения объект — это что-то имеющее поверхность. Если идти по абсолютно темной комнате, можно наткнуться на стол, это будет объект с началом в конкретной точке. Если в абсолютно темной комнате или с завязанными глазами попасть в черную дыру, невозможно заметить ее границу. Потому что нет никакой твердой поверхности, человек сразу окажется внутри этой области.

Сергей сравнивает такой переход с государственными или областными границами. Если идти по лесу из одной страны в другую, то без указателей и карт невозможно заметить, в какой точке кончается одно государство и начинается другое. Лес в Финляндии ничем не отличается от леса в России, и нет никакой четкой границы, на которую можно наткнуться. И черная дыра — это такая область, где масса свернула пространство-время, и в итоге никакие предметы не могут ее покинуть, как только пересекут границу. Все, что туда попало, навсегда останется за горизонтом.

Футурология

Выход в космос: где в России можно посмотреть на звезды

Черные дыры интересны в первую очередь как экстремальные объекты. Это максимально скрученное пространство-время, и многие эффекты становятся более заметны вблизи черных дыр. Начинают появляться принципиально новые физические феномены.

Визуализация черной дыры

(Фото: NASA)

В теории гравитации стремятся подобраться как можно ближе к этим экстремальным объектам. Поэтому, говорит Сергей, изучение поведения вещества в окрестности черных дыр — очень интересная штука.

Формирование сверхмассивных черных дыр

Сверхмассивные чёрные дыры отличаются от черных дыр  звёздных масс, собственно, огромной массой и, возможно, способом своего образования. Черная дыра звёздных масс — образуется путём коллапса массивной звезды (более 3-х масс Солнца), — способ же образования сверхмассивной черной дыры — до сих пор неизвестен.

Существует несколько версий образования сверхмассивной чёрной дыры, каждая из которых пока не получила убедительных доказательств:

• образуются из обычных черных дыр путем наращивания массы в богатых пылью и газом регионах Вселенной.
• из гипотетических черных дыр средних масс.
• возникают напрямую из больших количеств газа и пыли.

Черные дыры средних масс  — обнаруживаются очень редко и кандидатов на этот вид  единицы, что противоречит наблюдаемым количествам их якобы потомков сверхмассивных.

В тоже время в 2016 году поступили данные о ВОЗМОЖНОМ ОБНАРУЖЕНИИ процесса рождения сверхмассивной чёрной дыры в ранней Вселенной напрямую из гигантских облаков газа.

Популярные темы сообщений

• Профессия строитель
  Космологический ликбез. что такое вселенная

  Сегодня многие даже не задумываются о том, какой колоссальный труд был приложен другими людьми, чтобы в каждом городе были десятки тысяч домов, десятки детских садиков, школ, университетов, магазинов, торговых центров, больниц, дворцов и т.д.

• Дыхательная система человека

  Дыхательная система человека является системой органов. Они участвуют в газообмене между организмом и окружающей средой – дыхании. В состав дыхательной системы входят дыхательные пути и дыхательные органы.

• Сера

  В периодической таблице Менделеева сера находится в VIA группе (шестая группа, подгруппа А), в третьем периоде. Она относится к немногочисленной группе неметаллов: Периодическая система насчитывает их всего 22, в том числе инертные газы.

Типы Чёрных дыр

До сих пор астрономы выделяли три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.

Звездные чёрные дыры

Когда звезда сжигает остатки своего топлива она может сжаться. Для более мелких звезд (которые примерно в три раза превышают массу Солнца) новое ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но когда большая звезда коллапсирует, она продолжает сжиматься и создает звездную черную дыру .

Черные дыры, образованные коллапсом отдельных звезд, относительно невелики, но имеют очень большую плотность. Один из таких объектов содержит более чем в три раза больше массы Солнца. Это приводит к сумасшедшему количеству гравитационной силы, притягивающей объекты вокруг чёрной дыры. Затем звездные черные дыры поглощают пыль и газ из окружающих их галактик, что позволяет им расти в размерах.

Согласно данным Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, — Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов звездных черных дыр.

Сверхмассивные черные дыры

Маленькие черные дыры населяют бесконечную вселенную, но их родственники, — сверхмассивные черные дыры, — доминируют над ними. Эти огромные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца, но примерно одинакового размера в диаметре. Считается, что такие черные дыры лежат в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.

Возникновение:

Ученые не уверены, как возникают такие большие черные дыры. Как только эти гиганты сформировались, они собирают массу из пыли и газа вокруг себя, материала, который в изобилии находится в центре галактик, что позволяет им расти до еще более огромных размеров.

• Сверхмассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч крошечных черных дыр. 
• Большие газовые облака также могут быть причастны к формированию сверхмассивной дыры, — схлопываясь вместе, они быстро наращивают массу. 
• Третий вариант — это коллапс звездного скопления, когда все звезды падают вместе. 
• В-четвертых, сверхмассивные черные дыры могут возникать из больших скоплений темной материи. Это вещество, которое мы можем наблюдать через его гравитационное воздействие на другие объекты; однако мы не знаем, из чего состоит темная материя, потому что она не испускает свет и не может быть непосредственно наблюдаема.

Промежуточные черные дыры

Ученые когда-то думали, что черные дыры бывают только малых и больших размеров, но недавние исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (IMBHs). Такие тела могут образовываться, когда звезды в скоплении сталкиваются в цепной реакции. Некоторые из этих промежуточных черных дыр, образующихся в одной и той же области, могут затем в конечном итоге столкнуться в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили нечто похожее на черную дыру средней массы в рукаве спиральной галактики.

Астрономы очень усердно искали эти черные дыры среднего размера, — говорится в заявлении соавтора исследования Тима Робертса из Университета Дарема в Великобритании. Были намеки, что они существуют, но IMBHs вели себя как давно потерянный родственник, который не заинтересован в том, чтобы его нашли.

Более новые исследования, начиная с 2018 года, предположили, что эти промежуточные черные дыры могут существовать в центре карликовых галактик (или очень маленьких галактик). Наблюдения 10 таких галактик (пять из которых были ранее неизвестны науке до этого последнего исследования) выявили рентгеновскую активность — обычную для черных дыр — предполагая наличие в них черных дыр с массой от 36 000 до 316 000 солнечных масс. Эта информация поступила от компании Sloan Digital Sky Survey, которая изучает около 1 миллиона галактик.

Почему Хокинг ошибся по поводу черных дыр?

Согласно недавнему исследованию Стивена Хокинга (Stephen Hawking), создавшего настоящий переполох, некоторые издания объявили о том, что черных дыр нет. Однако, это не совсем то, что утверждал Хокинг. Впрочем уже сейчас понятно, что предположение Хокинга о черных дырах ошибочно, потому что парадокс, который он пытается доказать, уже не парадокс вовсе.

Это все сводится к известному нам парадоксу огненной стены черных дыр. Главной особенностью черной дыры является ее горизонт событий. Горизонт событий черной дыры – точка невозврата при приближении к ней. В общей теории относительности Эйнштейна, горизонт событий представляет собой пространство и время, которые настолько деформированы под воздействием силы тяжести, что их невозможно покинуть. Пересечете горизонт событий — и вы навсегда в ловушке.

Это односторонняя природа горизонта событий уже давняя проблема для понимания гравитационной физики. Например, горизонт событий черной дыры, казалось бы, нарушает законы термодинамики. Один из принципов термодинамики гласит о том, что ничто не должно иметь температуру абсолютного нуля. Даже очень холодные вещи излучают немного тепла, но если черная дыра поглощает свет, то она не выделяет никакого тепла. Таким образом, температура черной дыры равна нулю, что не возможно.

Тогда в 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают свет благодаря квантовой механике. В квантовой теории есть пределы тому, что может быть известно об объекте. Например, вы не можете знать точно энергию объекта. Из-за этой неопределенности, энергия системы может колебаться спонтанно, до тех пор, пока ее средняя величина остается постоянной. Хокинг продемонстрировал, что вблизи горизонта событий черной дыры пары частиц могут появиться, когда одна частица оказывается в ловушке внутри горизонта событий (немного снижая массу черной дыры), а другая может избежать этого, в виде излучения (унося немного энергии черной дыры).

В то время как излучение Хокинга решило одну проблему с черными дырами, оно создало еще одну, известную как парадокс огненной стены. Когда квантовые частицы появляются парами, они спутаны, то есть, они связаны в квантовом смысле. Если одна частица захватывается черной дырой, а другая вырывается, тогда спутанность пары нарушается. В квантовой механике можно было бы сказать, что пара частиц появляется в чистом, первоначальном, виде, и горизонт событий, казалось бы, сломал это состояние.

В прошлом году было показано, что если излучение Хокинга в чистом виде, тогда либо оно не может излучать в направлении, требуемом термодинамикой, или это создаст огненную стену частиц высокой энергии вблизи поверхности горизонта событий. Это часто называют парадокс огненной стены, потому что согласно общей теории относительности, если оказаться вблизи горизонта событий черной дыры, ничего необычного не удастся заметить. Основная идея общей теории относительности (принцип эквивалентности) требует, чтобы, если вы свободно падаете к горизонту событий, не должно быть сильной огненной стены частиц высокой энергии. В своей работе Хокинг предложил решение этого парадокса, предположив, что черные дыры не имеют горизонты событий. Вместо этого они имеют кажущиеся горизонты, которые не требуют соответствия огненной стены и термодинамики. Поэтому заявление «черных дыр нет» популярно в прессе.

Но парадокс огненной стены возникает только при излучении Хокинга в чистом виде, и исследование  Сабины Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder) показывает, что излучение Хокинга не в чистом виде. В своей статье, Хоссенфельдер показывает, что вместо пары спутанных частиц, излучение Хокинга связано с двумя такими парами. Одна спутанная пара попадает в ловушку черной дыры, в то время как другая убегает. Процесс похож на первоначальное предложение Хокинга, но частицы Хокинга не в чистом виде.

Таким образом, нет никакого парадокса. Черные дыры могут излучать свет таким образом, который согласуется с термодинамикой, и область вблизи горизонта событий не имеет огненной стены, как требует общая теория относительности. В итоге, предложение Хокинга является решением проблемы, которой не существует.

Квантовая механика

Квантовая механика скрывает за собой самые интересные тайны Вселенной. Выше уже было сказано: законы квантовой механики идеально функционируют для описания взаимодействий субатомных частиц, однако для описания природы массивных тел, будь то стул и стол или звезда и галактика, квантмех непригоден.

Но что будет, если включить фантазию? В этом разделе физики есть, как минимум, два явления, достойных внимания и ближайшего рассмотрения. Первое из них называется суперпозиция. Некая частица обладает сразу несколькими состояниями до тех пор, пока её не измерят — всё зависит от нас, наблюдателей. Здесь же уместно вспомнить замученного интернет-пользователями кота Шрёдингера: теоретик придумал этот мысленный эксперимент именно для иллюстрации понятия суперпозиции — кот жив и мёртв одновременно, пока коробку не откроют и наблюдатель не сыграет свою роль.

По принципу суперпозиции строятся квантовые компьютеры. В них вместо привычных битов функционируют кубиты (qubit, quantum bit — квантовый бит), которые принимают значения «0» и «1» одновременно. За счёт этого увеличивается скорость вычислений и, соответственно, производительность компьютера.

Другое квантовомеханическое явление называется квантовой запутанностью. Представьте себе две частицы, разведённые по разным концам Вселенной. Если они «запутаны» друг с другом, то как только одна из них примет определённое состояние, другая мгновенно пример противоположное. Если бы они сообщались посредством какого-либо электрического сигнала, то он шёл бы миллиарды лет, а тут смена происходит одновременно.

Фантазии на тему квантовой запутанности приводят учёных к разным выводам. Например, крупная команда исследователей из Принстона, Стэнфорда и Вашингтонского университета рассмотрела это явление с точки зрения макромира, то есть Общей теории относительности. Как показали расчёты, с математической точки зрения связь запутанности между двумя частицами полностью идентична червоточине — гипотетическому туннелю между двумя чёрными дырами, сквозь который можно путешествовать по пространству и времени.

И если представить, что наша Вселенная — всего лишь голограмма, проекция от другой или других миров, это математически означает, что то, что мы видим как квантовую запутанность, есть червоточина, только в четырёхмерном мире.

Исследованием голографического принципа занимается и всю жизнь занимался аргентинец Хуан Малдасена (Juan Maldacena). Изучая квантовую механику, учёный пришёл к выводу, что с ОТО её может примирить лишь теория струн, пока что полностью математическая. В рамках этой теории действует принцип, согласно которому наша Вселенная — результат проекций нескольких других измерений, от каждой из последних взявший по одному измерению.

На одной идее о квантовой запутанности можно зайти очень далеко. В конце концов, мгновенная передача какой-либо информации есть прямо нарушение принципа непреодолимости скорости света. Если когда-нибудь кто-нибудь придумает, как заставить запутанные частицы передавать нужную нам информацию — а пока что к этому не подобрались даже теоретики — то у нас появится шанс, к примеру, связаться с обитателями далёких планет. Если на них, конечно, вообще кто-то живет.

А если придумают как по запутанности передавать материю, то мечты фантастов о телепортации станут реальностью.

* * *

Кстати, за чудесами физики не надо лезть ни в чёрную дыру, ни нырять внутрь атома, достаточно выйти завтра утром на пробежку. Знайте, чем быстрее вы бежите сквозь пространство, тем медленнее движетесь сквозь время. Так что душ будете принимать не только постройневшим, но и помолодевшим.

Текст: Ася Горина, редактор «Вести Наука».

Выводы о черной дыре

Так или иначе, законы физики приводят нас к выводу, который кажется довольно бессмысленным. Физики называют эту головоломку информационным парадоксом черной дыры. К счастью, в 1990-х они нашли способ ее разрешить.

Информационный парадокс черной дыры — мертвы вы или живы внутри черной дыры?

Леонард Сасскинд пришел к выводу, что парадокса нет, поскольку никто не видит вашу копию. Анна видит только одну копию вас. Вы видите только одну свою копию. Вы и Анна никогда не сможете их сопоставить (и свои наблюдения тоже). И нет третьего наблюдателя, который может одновременно наблюдать черную дыру изнутри и снаружи. Так что никакие законы физики не нарушаются.

Но вы наверняка хотели бы узнать, чья история правдива. Мертвы вы или живы? Если черные дыры нас чему-то и научили, то ответа на этот вопрос просто нет. Реальность зависит от того, кого спросить. Есть реальность Анны и реальность ваша. Вот и все.

Во всяком случае так думали долгое время. Лето 2012 года физики Ахмед Альмейри, Дональд Марольф, Джо Полчински и Джеймс Салли, коллективно известные как AMPS, задумали мысленный эксперимент, который грозил перевернуть все, что мы насобирали о черных дырах.

Они предположили, что решение Сасскинда основано на том, что любое несоответствие между вами и Анной опосредовано горизонтом событий. Не имеет значения, увидела ли Анна неудачную версию вас, растерзанных излучением Хокинга, поскольку горизонт не позволяет ей увидеть другую версию вас, плавающего в черной дыре.

Но что, если бы у нее был способ узнать, что было по ту сторону горизонта, не пересекая его?

Обычная относительность скажет «ни-ни», но квантовая механика немного размывает правила. Анна могла бы заглянуть за горизонт, используя небольшой трюк, который Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии».

Это происходит, когда два набора частиц, разделенных в пространстве, загадочным образом «запутаны». Они являются частью единого невидимого целого, поэтому информация, которая их описывает, загадочным образом связывается между ними.

Идея AMPS основана на этом явлении. Скажем, Анна зачерпывает немного информации у горизонта — назовем ее А.

Если ее история верна, и вы уже отправились в мир получше, тогда А, зачерпнутая в излучении Хокинга за пределами черной дыры, должна быть запутана с другой частицей информации B, которая также является частью горячего облака излучения.

С другой стороны, если верна ваша история и вы живы и здоровы по другую сторону горизонта событий, то А должна быть запутана с другой частицей информации C, которая находится где-то внутри черной дыры. Но вот момент: каждый бит информации можно запутать лишь единожды. Из этого следует, что А может быть запутана либо с B, либо с C, но не одновременно с обеими.

Все слишком запутанно…

Итак, Анна берет свою частицу A и помещает ее в ручную машину декодирования запутанности, которая выдает ей ответ: B или C.

Если ответ C, побеждает ваша история, но законы квантовой механики нарушаются. Если A запутана с C, которая глубоко внутри в черной дыре, тогда эта частица информации потеряна для Анны навсегда. Это нарушает квантовый закон невозможности потери информации.

Остается B. Если декодирующая машина Анны обнаруживает, что А запутана с B, Анна побеждает и общая теория относительности проигрывает. Если А запутана с B, история Анны будет единственной верной историей, из чего следует, что вы на самом деле сгорели дотла. Вместо того, чтобы плыть прямо через горизонт, как подсказывает относительность, вы столкнетесь с пылающей стеной огня.

Таким образом, мы возвращаемся к тому, с чего начали: что происходит, когда вы падаете в черную дыру? Вы скользите через нее и живете нормальной жизнью, благодаря реальности, которая странным образом зависит от наблюдателя? Или вы подходите к горизонту черной дыры только чтобы столкнуться со смертельной стеной огня?

Никто не знает ответ, и поэтому этот вопрос стал одним из самых спорных в области фундаментальной физики.