Світом правлять ідеї. Яблуко, що впало на голову ісаака ньютона, навело його на думку про створення теорії гравітації. Коперник, глянувши в телескоп, прийшов до висновку, що земля обертається навколо сонця, а не навпаки. Його відкриття та ідеї послужили початком наукової революції. Століття потому альберт ейнштейн опублікував теорію відносності, в стівен хокінг все своє життя присвятив вивченню чорних дір. Праця кожного з них окремо, а також ідеї і припущення великих вчених про всесвіт, дозволили нам з вами насолоджуватися фотографіями інших «сонячних систем» і розглядати гори на марсі, не виходячи з дому. Тим часом, стівен хокінг розмірковував про дивовижну фізику чорних дір не маючи на руках ніяких даних, що підтверджують існування цих об’єктів (як і ейнштейн). Його ідеї, зрештою, знайшли наукове підтвердження. Так, знаменитий парадокс чорних дір свідчить, що коли чорна діра випускає випромінювання, вона випаровується, в кінцевому підсумку повністю зникаючи. Але якщо це так, то що в такому випадку відбувається з інформацією? нещодавно фізики-теоретики прийшли до висновку, що інформація, як вони тепер з упевненістю говорять, дійсно вислизає їх чорної діри. Але куди і що роби з нею потім?

Чорна діра-область в просторі-часі, гравітаційне тяжіння якої настільки велике, що навіть фотони не можуть її покинути.

Від ідеї до фото чорної діри

Роздумувати про найбільш таємничих об’єктах у всесвіті хокінг почав в 1970-х роках. Представляючи найпотужнішу гравітацію чорних дір, оточену горизонтом подій-невидимим міхуром, що відзначає межу неповернення – він зрозумів, що теорія ейнштейна також означала, що горизонт подій чорної діри не може зменшитися . Чорна діра тільки набирає масу, тому загальна площа поверхні її горизонту подій тільки зростає.

Це була неймовірно смілива ідея. Але хокінг пішов ще далі і припустив, що чорні діри можуть не тільки «розділятися надвоє», а й зникати, немов мильні бульбашки. У 1973 році, у співавторстві з джеймсом бардіном (сьогодні співробітник вашингтонського університету) і брендоном картером (науковий співробітник в французького національного центру наукових досліджень), стівен хокінг виклав свої ідеї.

Британський фізик-теоретик стівен хокінг. Фото: the new york times

В роботі, зокрема, містилося кілька тривожних дзвіночків для фізики, в тому числі «теорема про відсутність волосся», згідно з якою площа поверхні горизонту подій – це міра всієї інформації, що поглинається чорною дірою. Іншими словами, чорній дірі все одно, споживає вона матерію або антиречовину. Ці об’єкти володіють всього трьома властивостями: масою, спіном і електричним зарядом . Ніякі інші деталі або “волосся” не реєструються.

Але, сюрприз! не так давно астрономи виявили, що у чорних дір є “волосся”, тобто додаткові параметри, які залежать від поглиненої матерії. Як показали результати роботи, опублікованої в журналі physical review d,» екстремальні «чорні діри — ті, чий спін або електричний заряд повністю вичерпаний — дійсно мають кілька тонких»волосків”. Як відзначають автори дослідження,” волосся ” чорних дір одного разу можна буде вловити за допомогою детекторів гравітаційних хвиль (ligo і virgo). Детальніше про теорему про відсутність волосся я розповідала в цій статті.

Повернемося до ідей хокінга. Для початку згадаємо знамените рівняння ейнштейна e дорівнює mc в квадраті-енергія дорівнює масі, помноженої на швидкість світла в квадраті. Енергія і маса – це одне і те ж. Вони рівноцінні. Виходить, можна перетворити масу в енергію і енергію в масу.

До 2015 року чорні діри були гіпотетичними об’єктами.

Навколо чорної діри, як відомо, дуже гарячий газ і екстремально високі температури, сильні магнітні поля, і, можливо, багато енергії. І ця енергія може проявлятися у вигляді частинок, маси. А ще енергія завжди створює пари частинка / античастинка.

Такі частинки фізики називають віртуальними частинками . Ці крихітні частинки виникають, потім анігілюють і … Знову стають енергією. І це відбувається навколо нас постійно.

Отже, якщо те ж саме відбувається поблизу чорної діри, цілком можливо, що одна з цих маленьких частинок потрапить в чорну діру, а інша виривається назовні. Сьогодні дослідники вважають, що вихід частинок назовні можливий завдяки дії самої гравітації — звичайної гравітації з одним шаром квантових ефектів. Тим часом, у 1974 році стівен хокінг обчислив, що квантові ефекти призведуть до повільного витоку інформації та вибуху чорної діри.

Наш новинний канал в telegram! так ви точно не пропустите нічого цікавого!

Старий погляд на чорні діри

Прагнення зрозуміти, що відбувається з інформацією в чорній дірі, змінило фундаментальну фізику. Сьогодні на карту поставлено, чи грають ейнштейнівська гравітація, яка управляє космосом, і квантова механіка, яка управляє мікрокосмом, за одними і тими ж правилами.

Все почалося з усвідомлення хокінгом того, що загальна площа горизонту чорних дір не може зменшитися, – зазначають дослідники.

Але без чорних дір, на яких можна було б експериментувати, ідеї хокінга не можна було перевірити. Примітно, що підтвердження його ідей було опубліковано цього літа в журналі physical review letters. Команда, очолювана максиміліано ізі, фізиком з массачусетського технологічного інституту та його колегами, витратила роки на вивчення деталей результатів ligo (мова про виявлення гравітаційних хвиль, докладніше тут) і в липні нарешті оголосила, що хокінг мав рацію, принаймні, щодо цього конкретного зіткнення з чорною дірою.

Гравітаційні хвилі-брижі простору часу

Як пише the new york times, в 2017 році дослідники змогли заглянути «всередину» чорних дір за допомогою комп’ютерної симуляції.

Результати показали, що коли формується нова чорна діра, вона “вібрує”, генеруючи різні тональності. Високі тональності виявляються неймовірно “гучними” в процесі народження чорної діри. І визначаючи тональність фізики підтвердили теорему про відсутність волосся, згідно з якою, нагадаю, чорну діру можна описати тільки трьома характеристиками.

Зробивши розрахунки, автори нового дослідження прийшли до висновку, що чорні діри дійсно збільшуються в розмірах – як і передбачав хокінг в 1970-х роках.

Новий погляд на чорні діри

І все ж, безліч питань як і раніше не мають відповіді. І, чесно кажучи – як видно з двох описаних вище досліджень-сучасна фізика малює вкрай суперечливу картину. Так що навіть наше уявлення горизонту подій теж може змінитися.

Цікаво, що саме стівен хокінг, разом з фізиком-теоретиком леонардом сасскіндом, нещодавно висунули ідею про те, що чорна діра не здатна знищувати інформацію . При цьому передбачається, що чорна діра поглинає все: простір і час згинаються в чорну діру, а вирватися звідти не може ніщо, навіть кванти самого світла.

Це означає, що будь-яка інформація про матеріал, який потрапив у чорну діру, назавжди зникла. І єдине, що ми про це знаємо-це те, що в міру того, як чорна діра поглинає матеріал, вона стає все більш масивною.

Потрапивши в чорну діру, залишитеся ви там навіки?

Фактично, кожен поглинений чорною дірою об’єкт додає їй масу. І в міру того, як чорна діра цю масу набирає, її горизонт подій стає більше. По суті, область, де простір настільки викривлено, починає розширюватися тим більше, чим масивніше чорна діра. Наймасивніші чорні діри у всесвіті, про існування яких ми знаємо, у багато мільярдів разів перевищують масу нашого сонця.

Так чи можливо тоді – якщо все потрапляє в чорну діру і залишається там навіки-що простір і час теж стають в’язнями чорної діри? що відбувається з усією цією інформацією, що опинилася всередині космічного монстра? багато хто вважає, що щоб відповісти на ці питання, необхідно переглянути наше розуміння чорних дір. Може бути, горизонту подій в істинному сенсі не існує? або існують особливі хитрощі, за допомогою яких витягти звідти інформацію все-таки можна?

Не виключено, що існує якась форма енергії, яка з часом плавно покидає чорну діру (як і передбачав хокінг). А якщо враховувати останні відкриття в області квантової механіки, і зовсім назріває питання – чи можуть квантові ефекти, дуже близькі до горизонту подій, дійсно розділити щось, зване віртуальними частинками, на енергію самого простору?

Спекулятивні ідеї та розвиток фізики

Отже, якщо припустити, що маса чорної діри починаєЗменшуватися, то з часом частинки почнуть випаруватися. І, можливо, в цих віртуальних частинках є щось таке, що містить деяку інформацію про чорну діру і про те, що в неї потрапило. Таким чином, горизонт подій може бути чимось на зразок інформаційної оболонки . Безумовно, це неймовірно спекулятивне припущення, проте неймовірно цікаве.

Потрапивши в чорну діру всі об’єкти зупиняються в часі. І прямо на цій межі горизонту подій може перебувати якась двовимірна поверхню (уявімо це так), яка якимось чином містить всю інформацію про те, що знаходиться всередині чорної діри. Це, в свою чергу, породжує ще більше питань – чи може навколо чорної діри, де простір і час знищені, існувати подібна “інформаційна оболонка”?

Сьогодні астрономи вважають, що надмасивні чорні діри ховаються в серці більшості галактик

Все більше сучасних фізиків задаються питанням про будову всесвіту в більшому масштабі. Хто знає, може бути, чорні діри демонструють нам фундаментальну природу реальності-що насправді існує двовимірна поверхня чогось, що містить всю інформацію про всю всесвіт. Може бути, в якомусь сенсі ми є частиною цієї гігантської інформаційної системи.

Зрештою, сама всесвіт може бути інформацією, що міститься в двовимірній структурі, а не в трьох вимірах, про які нам сьогодні відомо.

Згодна, звучить не тільки спекулятивно, але і неймовірно дивно. Якось і говорити про таке ніяково. І все ж, сьогодні ми спостерігаємо за чорними дірами, фотографуємо їх і розглядаємо. А подібні ідеї можуть підказати фізикам, в якому напрямку їм слід рухатися. Зрештою, вивчаючи мікросвіт, ми занурюємося в неймовірно складні структури і спостерігаємо нелогічну поведінку елементарних частинок. Коли ж ми дивимося в телескоп, то бачимо такі ж складні структури, багато з яких, наприклад чорні діри, на перший погляд не мають сенсу.

Всесвіт – дуже дивне місце.

З часом, сподіваюся, вчені зможуть з’ясувати, як все влаштовано у всесвіті хоча б на рівні чорних дір. А так як ідеї-рушійна сила науки і цивілізації, новий погляд на цих космічних монстрів може пролити світло на нескінченну темному як горизонту подій, так і безкрайнього космосу.