Знаменитый британский физик Стивен Хокинг пересмотрел свои прежние теории и дал правдоподобное объяснение природе черных дыр.
Неизвестно, смотрел ли Хокинг недавний блокбастер Кристофера Нолана Интерстеллар, и если смотрел, то что он думает о возможности попавшего в черную дыру отца оправлять своей дочери сообщения через пространство и время.
Однако, новая теория Хокинга о черных дырах также затрагивает способность черных дыр необычным образом обращаться с информацией, которая в них… проваливается.
В январе 2016 года Хокинг в очередной раз попал в заголовки ведущих СМИ планеты. Тогда он заявил, что нашел возможное решение парадокса черных дыр, т.е. смог объяснить, как черные дыры могут одновременно стирать информацию и сохранять ее.
Работа Хокинга была опубликована на сайте ArXiv.org, что позволило другим физикам ознакомиться с ней и высказать критические замечания. И вот шесть месяцев спустя, не встретив серьезного сопротивления мировой научной элиты, теория Хокинга была опубликована в авторитетном журнале Physical Review Letters.
Мы попробовало проследить за ходом мысли Хокинга и разобраться, почему его новая теория считается событием в мире физики.
Вечная память?
Нынешние представления о черных дырах сформированы на базе общей теории относительности Эйнштейна.
Согласно устоявшимся представлениям, все, что пересекает горизонт событий на краю черной дыры, бесследно исчезает.
Даже свет не может избежать такой участи. Собственно, поэтому черные дыры и получили свое название. Ведь они поглощают свет, и мы их не способны увидеть.
Однако, в 1970-х британский физик Стивен Хокинг предположил, что есть нечто, способное “убежать” от черной дыры благодаря законам квантовой механики. Это нечто – радиация.
Если постараться пересказать эту теорию Хокинга простым языком, то получается примерно следующее. Когда черная дыра “заглатывает” одну половину пары частица-античастица, то другая половина возвращается обратно в космос в виде радиационной частицы, унося с собой небольшую частицу энергии черной дыры.
Вода камень точит, как говорится
Поэтому и даже ничтожный отток энергии рано или поздно может привести к исчезновению черной дыры. И ее единственным следом останется электромагнитная радиация, которую излучала эта дыра. Это явление получило названия “излучение Хокинга”.
Проблема заключается в том, что согласно подсчетам Хокинга, радиация не может содержать никакой ценной информации о том, что “заглатывала” черная дыра за время своего существования. Иными словами, вся информация теряется навсегда.
А это утверждение вступает в противоречие с представлениями современной физики о том, что время всегда можно повернуть вспять.
По крайней мере, в теории все процессы во Вселенной должны выглядеть одинаково вне зависимости от того, движется ли время вперед или назад.
На первый взгляд, это звучит странно. Но если сравнить этот принцип с принципом работы современного компьютера, то все становится предельно ясно, поясняет астрофизик Деннис Овербай.
“Вселенная представляет собой нечто наподобие суперкомпьютера, – говорит он. – И предполагается, что она способна вести учет всего, что происходило в ее пределах”.
В качестве примера он приводит логи камер дорожного наблюдения. В них содержатся записи о том, что одна из проехавших машин была зеленым пикапом, а другая – красным Porsche. И эта информация сохраняется спустя длительное время после того, как обе машины разъехались.
Точно так же и Вселенная помнит о том, что одна из частиц состояла из материи, а вторая – из антиматерии. “Частицы могут быть разрушены, но информация о них – об их основных физических атрибутах – должна существовать всегда”, – поясняет Овербай.
Черные дыры вступают в противоречие с этой основополагающей теорией квантовой механики, ведь принято считать, что они начисто уничтожают любую информацию.
Это противоречие является проблемой не только для астрофизики, но и для физики в целом.
И вот теперь, Хокинг утверждает, что нашел решение проблемы.
Волосы памяти
Вокруг черной дыры может существовать некое гало – свечение из мягких “волос”, которые способны хранить информацию, предполагает Хокинг.
На самом деле, “волосы” – это метафора. Она описывает квантовые возбуждения, которые несут данные обо всем, что проходило через черную дыру. И эти возбуждения существуют даже после того, как исчезает сама черная дыра.
По словам Овербая, эти возбуждения проще всего описать как некий космический аналог дорожек на поверхности виниловых пластинок. На этих “дорожках” записана информация о том, что проходило сквозь горизонт событий, а затем исчезало.
Выдвинув эту гипотезу в январе 2016 года, Хокинг признал ошибочность своих прежних расчетов, основываясь на которых, в свое время предполагал, что черные дыры поглощают информацию навсегда.
Новая гипотеза Хокинга о “волосах” за полгода с момента первой публикации так и не приобрела серьезных критиков. Исследователи отмечают, что это изящное объяснение информационного парадокса выглядит вполне правдоподобно.
Хотя и не до конца исчерпывающе.
“Сама по себе гипотеза не дает полноценного решения проблемы сохранения информации черными дырами, – поясняет Гари Горовиц, физик из Калифорнийского университета. – Расчеты также должны быть сделаны для гравитационных полей, а не только для электромагнитных”.
Горовиц также не уверен, что этих “волос” достаточно для хранения всей информации о том, что падает в черную дыру.
Однако, Горовиц считает, что сам ход мысли Хокинга может привести к открытию новых видов хранения информации во Вселенной. И таким образом, проблема информационного парадокса черных дыр в конце концов будет решена, предполагает он.
Другая Вселенная
“Черные дыры не являются вечной тюрьмой, как ранее думали, - говорил Хокинг, представляя свою теорию в январе. - Если вам кажется, что вы попали в черную дыру, не сдавайтесь. Есть выход”.
В этой цитате есть доля шутки, однако в целом она наводит на главную мысль, которую Хокинг припрятал в своей работе.
Если уничтожение информации возможно в принципе, рассуждает Хокинг, то можно предположить, что возможно стереть информацию о прошлом.
Таким образом, если бы черные дыры могли и вправду без следа уничтожать любую попадающую в них информацию, это означало бы, что, опять таки, чисто теоретически, могут удалять частички прошлого.
А ведь именно прошлое говорит нам о том, кто мы есть. “Без прошлого мы потеряем свою индивидуальность”, – констатирует Хокинг.
Поэтому следствием допущения о “волосах” черных дыр является гипотеза об альтернативной Вселенной. Либо же их множестве.
Хокинг считает, что все, что падает в черную дыру, оказывается в другом пространстве. При этом, Хокинг убежден, что черные дыры представляют собой билет в один конец. Вернуться в нашу Вселенную через черную дыру не получится.
Проще говоря, по теории Хокинга, показанные в Интерстелларе события не могли бы произойти. Угодив в черную дыру, главный герой не смог бы отправлять послания дочке в прошлое.
“Я с азартом отношусь к космическим полетам, но лететь в черную дыру не собираюсь”, – шутит Хокинг насчет безжалостности черных дыр.
Физики, заявляющие о том, что «никаких чёрных дыр нет, по крайней мере их нет в том смысле, в котором мы их себе представляем», в лучшем случае заработают репутацию... чудаков. Возможно, даже на букву «м». А вот Стивену Хокингу позволяется всё.
В своей новой работе известный физик заявляет о необходимости покончить с концепцией «горизонта событий», ключевым элементом в наших сегодняшних представлениях о чёрных дырах. Именно попав за его пределы, ничто, включая свет, не может покинуть чёрную дыру (ЧД), что в конечном счёте порождает все эти парадоксы вроде потери информации (чего, казалось бы, не может быть) и прочих «огненных стен».
Подготовлено по материалам Nature News . Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.
Александр Березин
24 января 2014 года
compulenta
| Комментарии: 0 |
Нет, речь не о настоящей стене из пламени: гореть там нечему, да и негде. Скорее за горизонтом событий чёрной дыры должна быть какая-то «противопожарная перегородка», своего рода брандмауэр. Ибо если его там нет, ОТО в опасности.
Документальный фильм «Краткая история времени» основан на одноимённом научно-популярном бестселлере британского физика-теоретика Стивена Хокинга, в котором автор затрагивает вопросы: откуда взялась Вселенная, как и почему она возникла, каков будет ее конец, если вообще будет. Но режиссёр ленты Эррол Моррис не ограничился одним лишь изложением содержания книги: в фильме много внимания уделено личности и повседневной жизни самого Хокинга.
Концепция массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, необходимая для преодоления этого притяжения (вторая космическая скорость), равна или превышает скорость света, впервые была высказана в 1784 году Джоном Мичеллом в письме, которое он послал в Королевское общество. Письмо содержало расчёт, из которого следовало, что для тела с радиусом в 500 солнечных радиусов и с плотностью Солнца вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым. Мичелл предположил, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов.
Документальный фильм 2013 года об одном из величайших учёных XX века – Стивене Хокинге. Фильм расскажет нам о жизни этого удивительного человека со школьных лет и до сегодняшних дней.
В конце января 2014 года на сайте arXiv.org появился препринт работы Стивена Хокинга, в которой тот предложил отказаться от понятия горизонта событий - формальной границы черной дыры, существование которой предсказывается в рамках теории относительности. Сделано это было для того, чтобы решить так называемую проблему файервола, или «стены огня», возникающую на стыке квантовой механики и теории относительности. Горизонт событий предлагалось заменить так называемым видимым горизонтом.
Вселенную заполняет гравитационно-волновой шум - беспорядочное наложение гравитационных волн, излученных в самых разных процессах за всё время жизни Вселенной. Обычно эффект от гравитационных волн ищут на специальных сверхчувствительных приборах, детекторах гравитационных волн. Авторы нового исследования пошли иным путем: они использовали данные специально выбранных сейсмометров. Им удалось получить новые оценки на интенсивность гравитационно-волнового шума Вселенной, которые в миллиард раз точнее предыдущих.
Трое физиков-теоретиков из Онтарио опубликовали в Scientific American статью, где объясняют, что наш мир вполне может быть поверхностью четырехмерной черной дыры. Мы сочли необходимым опубликовать соответствующие разъяснения.
Чем дольше период изменения блеска переменной звезды класса цефеид, тем больше энергии она излучает.
Ксанфомалити Л. В.
Понадобилось несколько поколений, чтобы новые физические идеи органично впитались наукой, а затем стали плодоносить (иногда, увы, грибами термоядерных взрывов). Революционные научные и технические достижения второй половины ХХ века основывались главным образом на гигантском прогрессе в физике твердого тела, прежде всего полупроводников. Но на новом стыке веков в науке стали разворачиваться события, масштаб которых вполне сопоставим с тем, что был в начале XX века. На международных конференциях доклады о новостях космологии собирают массу народа. Нового Эйнштейна пока не видно, но дело зашло очень далеко. Речь в предлагаемой статье пойдет о новых открытиях, которые привели к небывало глубокой ревизии представлений о Вселенной, в которой мы обитаем.
Даже астрономы не всегда правильно понимают расширение Вселенной. Раздувающийся воздушный шар – старая, но хорошая аналогия расширения Вселенной. Галактики, расположенные на поверхности шара, неподвижны, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними возрастает, а размеры самих галактик не увеличиваются.
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.
Стивен Хокинг опроверг традиционную теорию черных дыр
Знаменитый физик Стивен Хокинг опубликовал статью на сайте библиотеки Корнеллского университета (США), в которой утверждает, что черных дыр в их сегодняшнем понимании не существует. Об этом сообщает научный журнал .
Традиционно считается, что каждую дыру окружает невидимая граница — горизонт событий, миновать который не может ничто, даже свет. Между тем Хокинг предлагает заменить термин «горизонт событий» на «видимый горизонт», который, по его мнению, лишь временно задерживает материю и энергию, после чего снова выпускает их, хотя и в искаженном виде. А отсутствие горизонта событий означает, что не существует и черных дыр.
Стивен Хокинг объясняет, что тогда как по классической теории пути назад из черной дыры нет, если следовать квантовой теории, то энергия и информация все же способны покидать черную дыру. Правда, полное объяснение процесса потребовало бы создать теорию квантовой гравитации, объединяющую квантовую механику и общую теорию относительности, чего физикам не удается сделать уже целое столетие. Но учитывая, что Стивен Хокинг является одним из создателей теории черных дыр, к его теории, пусть и не до конца математически доказанной, стоит проявить внимание.
Напомним, что в конце 2013 года европейский исследовательский совет выписал грант на 14 миллионов евро команде проекта BlackHoleCam («Камера черной дыры»), цель которой — сделать первые в мире фотографии черной дыры .
http://www.vokrugsveta.ru/news/14791/
Стивен Хокинг выложил на arXiv.org препринт своей статьи, в которой предложил объяснение парадокса файервола (firewall), или «стены огня». Из объяснения следует, что черных дыр в классическом понимании этого слова не существует.
По мнению Хокинга, из-за вызванных квантовыми эффектами возмущений определить точную границу черной дыры невозможно в принципе. В рассуждениях, которые занимают всего две страницы печатного текста, он предлагает заменить горизонт событий так называемым «видимым горизонтом событий». Этот горизонт способен задерживать материю и энергию только на время, а не навсегда.
«Отсутствие горизонта событий означает, что не существует и черных дыр. По крайней мере, в смысле регионов пространства, в которые свет не в состоянии проникнуть», - делает вывод Хокинг.
Физик Дон Пейдж, слова которого приводит Nature News, считает, что в схеме Хокинга со временем видимый горизонт черной дыры может вообще исчезнуть. В результате, все, что в такой дыре было, будет выброшено наружу.
В работе Хокинг также пишет, что излучение дыры будет носить хаотический (в математическом смысле) характер. Это означает, что, несмотря на принципиальное сохранение информации, извлечь ее из излучения не представляется возможным. В работе физик сравнивает задачу извлечения информации с задачей предсказания погоды. Хаотичность в данном случае означает такую зависимость задачи от начальных условий, что малейшая неточность в определении этих условий приводит к принципиально различным решениям задачи. Физик признается, что строгую математическую реализацию его идей еще предстоит найти.
Согласно представлениям теории относительности, если материя достигает некоторой критической плотности, под воздействием собственной гравитации она коллапсирует в черную дыру. Это регион пространства, в котором гравитационные силы настолько велики, что даже свет не может его покинуть. Дыра от остальной Вселенной отделена горизонтом событий - условным барьером, проницаемым только в одну сторону. В случае, если речь идет о сверхмассивной черной дыре достаточно большого радиуса, приливные силы на горизонте событий слабы, и гипотетический наблюдатель может даже не заметить пересечения этой границы.
В классической теории относительности черная дыра не могла ничего излучать (астрономы находят дыры, например, по излучению падающей на них материи). В середине XX века Стивен Хокинг обнаружил, что квантовые эффекты вблизи горизонта событий приводят к тому, что дыра на самом деле излучает. Однако, спектр этого излучения оказался аналогичным спектру излучения абсолютно черного тела. С точки зрения квантовой механики, это означает, что черная дыра теряет информацию о том, что она поглотила. Этот эффект противоречит постулату о сохранении информации (в некотором смысле, далеко идущее обобщение закона сохранения энергии) и получил название информационного парадокса черных дыр.
Развивая идеи Хокинга и пытаясь разрешить парадокс, физик Джо Полчински с коллегами в 2012
описали эффект так называемой «стены огня». Суть его состоит в том, что, и
з
-за так называемой AdS/CFT-двойственности (о ней в интервью «Ленте.ру» подробно
рассказал Брайан Грин) вместо горизонта событий образуется так назыв
аемая «стена огня» — регион с частицами колоссальных энергий. Этот результат, в свою очередь, оказывается в противоречии с теорией относительности, согласно которой горизонт событий нич
ем не отличается от остальных регионов пространства с точки зрения физических з
аконов.
