Хокинг черные дыры: Так что такое черные дыры? Понятный ответ Стивена Хокинга из его последней книги

Содержание

Так что такое черные дыры? Понятный ответ Стивена Хокинга из его последней книги

Фрагменты новых книг

Стивен Хокинг

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

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

Читать онлайн «Черные дыры и молодые вселенные», Стивен Хокинг – ЛитРес

_{Предисловие}

В этой книге собраны эссе, которые я написал в период с 1976 по 1992 год. Самые разные: от автобиографических заметок и размышлений о философии науки до хвалебных слов в адрес Вселенной^[1], к которой я испытываю самые возвышенные чувства. Книга заканчивается стенограммой моего интервью на BBC – в рамках программы «Пластинки для необитаемого острова»^[2]. Это замечательная передача, в которой гостю предлагается вообразить себя отшельником, заброшенным на самый край света, и ответить на вопрос: какие восемь пластинок он взял бы с собой, чтобы скоротать время до своего спасения? Мне повезло: авторы программы позволили мне вернуться в цивилизацию достаточно быстро.

Эти заметки писались в течение шестнадцати лет, и приведенные рассуждения отражают глубину моих знаний на тот или иной период. Надеюсь, что мои знания значительно приумножились за прошедшие годы. Поэтому я привожу точную дату и обстоятельства, подтолкнувшие к созданию каждого эссе. Поскольку каждое задумывалось как самодостаточный научно-популярный опус, в книге неизбежны повторения. Я старался сократить их число, но некоторые все же остались.

Ряд эссе предназначались для прочтения перед аудиторией. Моя речь мало приспособлена для полноценного разговора со слушателями. Поэтому обычно лекции зачитывали мои аспиранты, которые понимали меня и могли более внятно декларировать написанный мною текст. К сожалению, в 1985 году я перенес операцию, которая лишила меня способности говорить. Спустя время для меня разработали специальную компьютерную систему с хорошим звуковым синтезатором. Я с удивлением обнаружил, что могу быть прекрасным оратором, способным очаровать большую аудиторию. Я с огромным удовольствием объяснял научные теории и отвечал на вопросы. Однако я точно знаю: мне есть куда стремиться, и надеюсь, что за минувшие годы продвинулся немного в лекторском искусстве. В этом вам и предстоит убедиться.

Я не согласен с тем, что Вселенная – это тайна, к которой можно прикоснуться, но которую нельзя постичь или предугадать. Отношение ко Вселенной как к тайне идет вразрез с научной революцией, которую почти 400 лет назад провозгласил Галилей и продолжил Ньютон. Они показали, что некоторые области макрокосмоса непроизвольны, что они подчиняются строгим математическим законам. С тех пор мы пытаемся применить подход Галилея и Ньютона к остальным уголкам пространства. И сегодня все рутинные наблюдаемые явления выглядят для нас вполне логичными. Мерилом нашего успеха являются те миллиарды долларов, которые уходят на строительство гигантских умных машин. Они ускоряют частицы до таких высоких энергий, что мы бессильны предположить, что может случиться при их столкновении. В естественных условиях, на Земле, частиц с такими высокими энергиями не бывает, поэтому огромные траты на их изучение могут выглядеть непомерными. Может даже показаться, что все это делается лишь по прихоти ученых. Однако в момент возникновения Вселенной такие частицы были всюду, и мы должны изучать их, если действительно хотим узнать, как зародился наш мир и мы сами.

Мы по-прежнему очень многого не знаем и не понимаем. Но уровень прогресса, которого мы достигли за последний век, должен внушать нам веру в то, что человеку по силам осознать Вселенную во всей ее сложности. Что наш удел – это вовсе не вечное блуждание в потемках. Мы способны на рывок – к созданию всеобъемлющей теории Вселенной. И в этом случае мы станем ее полновластными хозяевами.

Эссе, вошедшие в эту книгу, написаны в полной уверенности, что Вселенная подчиняется порядку, который мы пока понимаем лишь отчасти, но в котором сможем полностью разобраться в ближайшем будущем. Возможно, эта надежда всего лишь мираж. Возможно, не существует универсальной теории или, если она и есть, то недоступна для нас. Но, бесспорно, лучше стремиться к полному пониманию, чем сложить руки, утратив веру в силу человеческого разума.

Стивен Хокинг

31 марта 1993 года

Глава первая

Детство^[3]

Я родился 8 января 1942 года, спустя ровно триста лет со дня смерти Галилея. В этот день на свет появился не только я – по моим оценкам, таких было тысяч двести. Мне доподлинно не известно, интересовался ли кто-либо из них в дальнейшем астрономией. Я родился в Оксфорде, хотя родители мои жили в Лондоне. Во время Второй мировой войны Оксфорд был самым благоприятным местом для появления на свет. У нас было соглашение с немцами: они обещали не бомбить Оксфорд и Кембридж, а мы – Гейдельберг и Гёттинген. Конечно, было бы лучше, если бы это цивилизованное соглашение распространялось и на все остальные города…

Отец мой – выходец из Йоркшира. Его дедушка – мой прадедушка – был процветающим фермером. Он приобрел слишком много ферм и обанкротился во время сельскохозяйственной депрессии начала XX века. Это было тяжелым испытанием для родителей моего отца, но они сумели изыскать средства и отправили его учиться медицине в Оксфорд. Его специализацией стали исследования в области тропической медицины. В 1937 году он отправился в Восточную Африку. Когда началась война, ему пришлось проехать через весь континент, чтобы попасть на корабль, идущий в Англию. Вернувшись на родину, отец хотел пойти добровольцем на военную службу. Однако ему сказали, что он будет гораздо полезнее на медицинском поприще.

Моя мама родилась в Шотландии, в Глазго, в семье врача. Всего у ее родителей было семь детей, она была второй. Когда ей исполнилось двенадцать лет, семья переехала на юг, в Девон. Подобно семье моего отца, мамина семья также не была зажиточной. Тем не менее ее родители сумели послать ее учиться в Оксфорд. Окончив университет, мама работала на нескольких должностях, в том числе была налоговым инспектором, что ей не очень нравилось. Из инспекторов она перешла в секретари. Так она и встретила моего отца в первые годы войны.

Мы жили в Хайгейте, на севере Лондона. Моя сестра Мэри родилась спустя восемнадцать месяцев после меня. Как мне потом рассказали, я не особенно обрадовался ее появлению. Все наше детство между нами сохранялись напряженные отношения, и соперничество подпитывала небольшая разница в возрасте. С возрастом напряженность исчезла, поскольку мы пошли по жизни разными путями. Она стала врачом, что очень нравилось моему отцу. Еще одна моя младшая сестра, Филиппа, родилась, когда мне было почти пять лет и я уже был в состоянии понимать, что происходит. Я помню, что с нетерпением ожидал ее появления. Ведь нас будет трое, а втроем играть куда интереснее! Она была очень впечатлительным и восприимчивым ребенком. Я всегда уважал ее мнения и суждения. Мой брат Эдвард родился гораздо позже, когда мне было четырнадцать. Можно сказать, что мое детство прошло без него. Он очень отличался от нас с сестрами: склонности к наукам и интеллектуальным развлечениям у него не было. Возможно, для нас это было к лучшему. Он был довольно проблемным ребенком, но не любить его было невозможно.

Мои самые первые воспоминания относятся к яслям Байрон-Хауз в Хайгейте. До сих пор помню те горючие слезы, которые я проливал там. Все дети вокруг меня играли с игрушками, которые казались мне чудесными. Я очень хотел поиграть вместе с ними, но мне было всего лишь два с половиной года и я впервые оказался в компании совершенно незнакомых мне людей. Думаю, что родители были сильно удивлены моей реакцией – я был первым ребенком, и они четко следовали рекомендациям книжек по воспитанию детей: черным по белому там было сказано, что детей нужно приучать к общению с двух лет. Но после того ужасного утра они забрали меня домой и снова отдали в Байрон-Хауз только полтора года спустя.

Хайгейт во время войны и сразу после нее был прибежищем научных сотрудников и преподавателей. В любой другой стране их бы назвали интеллигенцией, но англичане никогда не претендовали на то, чтобы иметь таковую. Все эти интеллектуалы посылали своих детей в школу Байрон-Хаус, которая в те времена считалась весьма прогрессивной. Помню, как жаловался своим родителям, что там меня ничему не учат. Тамошние учителя не были приверженцами популярной у тогдашних педагогов зубрежки. Иными словами, предполагалось, что ученики могут научиться читать, не осознавая того, что их этому учат. Читать в конце концов я научился, но к тому моменту мне исполнилось восемь лет. Мою сестру Филиппу учили читать более традиционными методами, и она начала читать в четыре года. Откровенно говоря, она с самого рождения была определенно талантливее меня.

Мы жили в высоком, похожем на башню, доме викторианского стиля, который мои родители весьма дешево купили во время войны, когда все вокруг были уверены, что Лондон разбомбят подчистую. И действительно, «Фау-2» приземлилась буквально в соседнем квартале. Меня, мамы и сестры в этот момент не было дома, а папа находился там. К счастью, его даже не задело, а дом не был сильно поврежден. Но еще много лет на улице оставалась большая воронка от бомбы. В ней мы любили играть с моим другом Говардом, который жил за три дома от нас. Знакомство с Говардом явилось для меня своего рода откровением: его родители не принадлежали к кругу интеллектуалов, в отличие от родителей всех остальных детей, которых я знал. Он ходил не в Байрон-Хаус, а в муниципальную школу и прекрасно разбирался в футболе и боксе, то есть в тех сферах, в которых мои родители вовсе не мечтали меня увидеть.

Другое детское воспоминание относится к моему первому игрушечному поезду. В годы войны игрушки не производили. Может быть, их делали только на экспорт. Но я питал страстный интерес к моделям поездов. Мой отец попытался сделать для меня деревянный поезд, но он меня не удовлетворил: мне хотелось чего-нибудь, что могло ездить. Тогда отец достал подержанную модель поезда с часовым механизмом, кое-как починил его с помощью паяльника и подарил мне на Рождество. Мне тогда было почти три года. Этот поезд работал не очень хорошо. Сразу после войны отец поехал в Америку, а когда он вернулся назад на «Королеве Мэри», то привез матери нейлон, который в Британии было не достать. Сестре Мэри досталась кукла, которая закрывала глаза, когда ее укладывали спать. А мне он привез из Америки железную дорогу с путями, уложенными в виде восьмерки, и паровозом с путеочистителем. До сих пор помню восторг, охвативший меня, когда я открыл коробку с подарком.

Поезда с часовым механизмом были, конечно, хороши, но как же мне хотелось иметь электрический поезд! Я часами созерцал модель, выставленную в витрине железнодорожного клуба в Крауч-Энде, возле Хайгейта. Я бредил электрическими поездами. В конце концов, когда родители были в отъезде, я снял со своего счета в Почтовом банке все свои скромные деньги, подаренные мне на знаменательные события моей жизни, такие как крещение. Все эти сбережения ушли на электрическую железную дорогу, но к моему ужасу она работала не очень хорошо. Теперь мы прекрасно знакомы с правами потребителей. Мне нужно было отнести игрушку обратно в магазин и потребовать заменить ее. Но в те дни подход был совсем другой: покупатель имел право лишь на покупку, а уж если с качеством ему не повезло, то это было его личное дело. Поэтому мне пришлось заплатить за ремонт электродвигателя, но все равно он работал плохо.

Позже, уже будучи подростком, я начал строить модели самолетов и кораблей. Я никогда не был мастером на все руки, но мне помогал мой школьный товарищ Джон Мак Кленахан. Он был гораздо способнее меня в техническом творчестве, а у его отца дома была мастерская. Моей целью всегда было построить управляемую модель. Внешний вид модели меня заботил мало. Стремление к конструированию управляемых моделей привело меня к созданию целой серии весьма сложных игр. Мы придумывали их вместе с Роджером Фернихоу, который тоже был моим школьным другом. Мы придумали игру в промышленное производство, включающее фабрики, на которых производились изделия различных цветов, автомобильные и железные дороги, по которым перевозились эти изделия, и биржу. Мы также придумали военную игру, действие которой происходило на доске из четырех тысяч квадратов. Была даже игра в феодалов, в которой каждый игрок представлял целую династию со своим фамильным древом. Думаю, что все эти игры, поезда, корабли, самолеты возникли из стремления узнать, как это все работает, и из желания всем этим управлять. С тех пор как я начал работать над своей диссертацией, это желание воплотилось в мои занятия космологией. Если вы понимаете, как «работает» Вселенная, вы можете управлять ею в той или иной степени.

В 1950 году учреждение, где работал отец, переехало из Хэмпстеда, что рядом с Хайгейтом, во вновь организованный Национальный институт медицинских исследований в Милл Хилле в северном пригороде Лондона. Чтобы не ездить на работу из Хайгейта, решено было переселиться из Лондона в предместье. Поэтому мои родители купили дом в Сент-Олбансе, в десяти милях к северу от Милл Хилла (в двадцати милях к северу от Лондона). Это был довольно элегантный большой дом в викторианском стиле. Благосостояние моих родителей оставляло желать лучшего в момент покупки этого дома. Прежде чем мы смогли туда переехать, над домом пришлось немало поработать. Отец мой, как истинный йоркширец, не желал вкладывать в ремонт большие деньги. Он предпочитал делать все сам, в частности, поддерживать его в надлежащем порядке и хорошо окрашенным, но дом был большой, а мастеровой из отца был весьма посредственный. Однако крепкая постройка дома способна была выдержать любые испытания. В 1985 году мои родители продали этот дом. В это время отец был уже тяжело болен (он умер в 1986 году). Недавно мне довелось увидеть наш бывший дом. Он выглядел почти по-прежнему, по-видимому, его так и не коснулись ничьи деятельные руки.

Дом был спроектирован для семьи с прислугой. В буфетной находился щиток. Глядя на него, прислуга могла понять, из какой комнаты ее вызывают звонком. Конечно, никаких слуг у нас не было. Моя первая спальня, которая по форме напоминала букву Г и была очень маленькой, когда-то, видимо, предназначалась для горничной. Я попросил, чтобы мне ее отдали, потому что так предложила моя кузина Сара. Она была немного старше меня, и я ее обожал. Она сказала, что комната просто восхитительна. Одним из преимуществ спальни было то, что можно было выбраться из окна прямо на крышу велосипедного гаража, а оттуда соскочить на землю.

Сара была дочерью старшей сестры моей матери, Джанетты, которая получила медицинское образование и была замужем за психоаналитиком. Они жили в Харпендене, в деревушке в пяти милях дальше к северу, в доме, очень похожем на наш. Кстати, это была одна из причин, по которой мы переехали в Сент-Олбанс. Я очень радовался тому, что мы оказались с Сарой соседями, и часто ездил в Харпенден на автобусе. Наш Сент-Олбанс располагался рядом с руинами древнего римского города Веруламиум, который был вторым после Лондона римским поселением в Британии. В Средние века в нем находился самый богатый британский монастырь. Он был построен на месте погребения святого великомученика Албана, римского центуриона, который, по преданию, был первым казнен за веру Христову. От аббатства остались только большая, неуклюжая церковь и старинная надвратная постройка, которая в наши дни стала частью школы в Сент-Олбансе, куда я впоследствии и пошел.

По сравнению с Хайгейтом или Харпенденом Сент-Олбанс был старомодным и консервативным местом. Моим родителям так и не довелось завести там друзей. Отчасти это была их собственная вина, так как от природы они были довольно замкнутыми людьми, особенно мой отец. Но это также объяснялось особенностью местного населения: никто из родителей моих школьных товарищей в Сент-Олбансе не блистал интеллектуальностью.

В Хайгейте наша семья выглядела вполне нормальной, но обитателям Сент-Олбанса, я думаю, мы представлялись чудаками. Это впечатление поддерживалось поведением моего отца: он уделял мало внимания своему внешнему виду, который для него был неважен, особенно если на этом внешнем виде можно было сэкономить. Его собственная семья в годы его молодости отличалась крайней бедностью, и это оставило на нем неизгладимый отпечаток. Его рука не поднималась истратить на себя лишний пенс даже тогда, когда он уже мог себе это позволить. Он так и не поставил в доме центральное отопление, несмотря на то, что плохо переносил холод. Вместо этого он предпочитал носить несколько свитеров и халат поверх обычной одежды. Однако это не мешало ему быть щедрым по отношению к другим людям.

В 50-х годах прошлого века он понял, что мы не можем позволить себе новую машину. Поэтому он купил довоенное лондонское такси, и мы с ним соорудили «хижину Ниссена»^[4] в качестве гаража. Соседи негодовали, но остановить нас не смогли. Как большинство мальчиков, я хотел жить в мире и согласии с соседями и был смущен поведением родителей. Но это их мало заботило.

Когда мы приехали в Сент-Олбанс, меня определили в школу для девочек, которая вопреки своему названию принимала мальчиков в возрасте до десяти лет. Однако после первого семестра отец уехал в командировку в Африку, на это раз очень продолжительную – около четырех месяцев. Моей маме не хотелось чувствовать себя одинокой и брошенной, поэтому она взяла меня и двух моих сестер и уехала к своей школьной подруге Берил, которая была замужем за поэтом Робертом Грейвсом. Они жили в Дейе, деревне на испанском острове Майорка. После войны прошло всего пять лет, и в Испании у власти по-прежнему был диктатор Франко, пособник Гитлера и Муссолини. (Ему оставалось править еще двадцать лет.) Несмотря на это, моя мама, которая перед войной состояла в Коммунистическом союзе молодежи, с тремя маленькими детьми проделала путешествие на корабле и на поезде до Майорки. Мы сняли домик в Дейе и прекрасно проводили там время. Наставник Вильяма, сына Роберта, стал также заниматься и со мной. Этот учитель был протеже Роберта, он больше занимался сочинением пьесы для Эдинбургского фестиваля, чем учил нас. Каждый день он усаживал нас за чтение очередной главы из Библии и требовал написать по ней изложение. По идее, таким образом мы должны были приобщиться к красотам английского языка. До моего отъезда мы успели одолеть все Бытие и часть Исхода. Главное, чему я научился за это время – не начинать предложение с союза «и». Я заметил, что большинство предложений в Библии начинались с «и», но мне было сказано, что английский язык сильно изменился со времен короля Якова^[5]. По этому поводу я открыл дискуссию: зачем тогда заставлять нас читать Библию? Но вопрос повис в воздухе. Роберт Грейвс был о ту пору страстным поклонником библейского символизма и мистицизма.

Вернувшись с Майорки, я пошел в другую школу и проучился в ней целый год, после чего держал первый в жизни экзамен, так называемый «одиннадцать-плюс». Это был интеллектуальный тест, который в то время сдавали все дети, если они хотели получить государственное образование. Сейчас от него отказались, так как большое количество детей из семей, принадлежавших к среднему классу, не могли его сдать, и их приходилось направлять в школы, не дающие академического образования. Но я ухитрился сдать экзамены гораздо лучше, чем я писал курсовые, и поэтому я сдал «одиннадцать-плюс» и получил «бюджетное» место в школе Сент-Олбанса.

Когда мне исполнилось тринадцать, отец захотел, чтобы я поступил в Вестминстерскую школу. Это была одна из главных закрытых частных школ в Британии. В то время образование для выходцев из разных социальных классов сильно отличалось. Отец чувствовал, что его положение в обществе и отсутствие связей привели к тому, что его обошли менее способные, но зато умеющие себя держать в обществе ровесники. Из-за того, что родители не могли заплатить за мое обучение, мне нужно было выдержать экзамен для получения именной стипендии. Однако перед экзаменом я заболел и не пошел на него. В результате я остался в школе Сент-Олбанса. Там я получил образование ничуть не хуже, если не лучше, чем если бы учился в Вестминстере. Никогда потом я не ощущал, что отсутствие светского лоска для меня является помехой.

Образование в Англии в то время было очень иерархическим. Школы разделялись не только на академические и неакадемические, но академические школы подразделялись еще на потоки A, B и C. Самое большое преимущество было у тех, кто учился на потоке A, хуже было учащимся потока B, и уж совсем обескураживающе обстояло дело на потоке C. По результатам экзамена «одиннадцать-плюс» я был взят на поток A. Но после первого года обучения все, кто еще не достиг двенадцатилетнего возраста, были автоматически понижены до потока B. Конечно, это был большой удар по самолюбию подростков, от которого многие не сумели оправиться. Первые два семестра в школе Сент-Олбанс я закончил двадцать четвертым и двадцать третьим по успеваемости, но в третьем семестре я поднялся на восемнадцатое место. Таким образом, я парировал этот удар по моему самолюбию.

Мои результаты никогда не поднимались выше средних. (В этом классе учились очень способные ребята.) Мои классные работы отличались неряшливостью, а почерк приводил учителей в отчаяние. Однако мои школьные товарищи прозвали меня Эйнштейном. Возможно, они видели, что я способен на нечто большее. Когда мне было двенадцать лет, двое моих друзей заключили из-за меня пари на кулек конфет. Один из них утверждал, что из меня никогда ничего не выйдет. Мне до сих пор неизвестно, чем закончился этот спор и кто из них выиграл.

У меня было шесть или семь близких друзей. С большинством из них я и сейчас поддерживаю контакт. Мы часами говорили и спорили обо всем на свете, начиная от радиоуправляемых моделей до религии, парапсихологии и физики. Мы обсуждали и проблему возникновения Вселенной, дискутируя о том, могла ли она возникнуть сама собой или потребовался Бог, чтобы ее создать и заставить функционировать. Я уже слышал о том, что свет от далеких галактик смещен к красному концу спектра и что это является свидетельством расширения Вселенной. (Смещение в голубую сторону означало бы, что она сжимается.) Но я был убежден, что имеется другая, не божественная причина красного смещения. Возможно, по дороге к нам свет просто устал и из-за этого покраснел. Вечная и неменяющаяся Вселенная выглядела намного более естественной. Только спустя пару лет после начала работы над диссертацией я понял, что заблуждался.

За два года до окончания школы я решил более углубленно изучать математику и физику. На это меня вдохновил мистер Тата (Tahta), учитель математики, а в школе как раз открыли новый класс, который стал классной комнатой для занятий математикой. Но отец мой был против этого. Он считал, что математик не сможет найти для себя никакой другой работы, кроме преподавательской. Он бы предпочел, чтобы я занялся медициной, но я не выказывал никакого интереса к биологии, находя ее слишком описательной и недостаточно фундаментальной. Кроме того, биология довольно низко котировалась в школе. Самые способные ребята занимались математикой и физикой, все остальные шли в биологию. Мой отец понимал, что я не буду заниматься биологией, но всячески пытался увлечь меня химией, не возражая против небольших отклонений в математику. Он считал, что таким образом оставляет мне возможность выбора. Сейчас я профессор математики, однако никакого формального математического образования я не знал с тех пор, как в возрасте семнадцати лет окончил школу в Сент-Олбансе. В дальнейшем мне постоянно приходилось пополнять свои знания в этой области. Мне доводилось курировать выпускников Кембриджа, которых я опережал всего лишь на неделю в своих математических познаниях.

Черных дыр больше нет? | НИИЯФ МГУ

infuture.ru
Источник: www.infuture.ru

Физики объявили, что нет никаких черных дыр. Это утверждение сделал не кто иной, как Стивен Хокинг (Stephen Hawking), так не означает ли это, что черных дыр больше нет? Это зависит от того, является ли новая идея Хокинга правдой, и от того, что предполагается под выражением «черная дыра». Заявление основано на новой работе Хокинга, утверждающей, что «горизонта событий» черной дыры не существует.
Под горизонтом событий черной дыры подразумевается точка невозврата при приближении к черной дыре. В общей теории относительности Эйнштейна, горизонт событий – это место, где пространство и время настолько деформированы под воздействием силы тяжести, что вы никогда не сможете оттуда уйти. Пересекая горизонт событий, вы можете двигаться только внутрь, никогда наружу. Однако односторонний горизонт событий приводит к тому, что известно как информационный парадокс.

Информационный парадокс берет начало в термодинамике, в частности во втором ее законе. В простейшей форме его можно объяснить, как «тепло переносится от горячего тела к холодному». Но закон более полезен, когда выражен в терминах энтропии. Таким образом, он формулируется как «энтропия системы не может уменьшаться». Многие люди интерпретируют энтропию, как уровень беспорядка в системе, или непригодную часть системы. Это означало бы, что вещи всегда должны становиться менее полезными с течением времени. Но энтропия зависит от уровня информации, необходимой для описания системы. Упорядоченную систему (например, шарики равномерно распределены по решетке) легко описать, так как объекты имеют простые связи друг с другом. С другой стороны, неупорядоченная система (шарики распределены беспорядочно) займет больше информации для описания, потому что это не простой шаблон на них. Таким образом, когда второй закон гласит, что энтропия никогда не может уменьшаться, предполагается, что физическая информация системы не может уменьшаться. Другими словами, информация не может быть уничтожена.

Проблема горизонта событий состоит в том, что вы могли бы бросить объект (с большой долей энтропии) в черную дыру, и энтропия должна просто уйти. Другими словами, энтропия Вселенной получится меньше, что будет нарушать второй закон термодинамики. Конечно, это не принимает во внимание квантовые эффекты, именно те, которые известны как излучение Хокинга, впервые предложенные Стивеном Хокингом в 1974 году.

Оригинальная идея излучения Хокинга связана с принципом неопределенности в квантовой теории. 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, при условии, что ее средний показатель остается неизменным. Хокинг показал, 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).

Так как эти квантовые частицы появляются парами, они «спутанны» (связаны в квантовом смысле). Это не имеет большого значения, если вы не хотите, чтобы излучение Хокинга излучало информацию, содержащуюся внутри черной дыры. В первоначальной формулировке Хокинга, частицы появились случайно, поэтому излучение, исходящие от черной дыры, было чисто случайным. Таким образом, излучение Хокинга не позволит вам восстановить любую захваченную информацию.

Чтобы разрешить излучению Хокинга вынести информацию из черной дыры, запутанная связь между парами частиц должна быть разбита на горизонте событий, поэтому частицы смогут затеряться с информационно-несущими веществами внутри черной дыры. Это нарушение первоначальной запутанности должно сделать выделяющиеся частицы проявляющимися, подобно интенсивной «огненной стене» на поверхности горизонта событий. Это означало бы, что все, направляющееся к черной дыре, не будет попадать в черную дыру. Вместо этого оно будет испаряться излучением Хокинга, когда достигнет горизонта событий. Казалось бы, что либо физическая информация объекта теряется, когда он падает в черную дыру (информационный парадокс), или объекты испаряются перед входом в нее (парадокс огненной стены).

В этой новой работе, Хокинг предлагает другой подход. Он утверждает, что вместо гравитационной деформации космоса и времени в горизонте событий, квантовые флуктуации излучения Хокинга создают слой турбулентности в этом регионе. Таким образом, вместо резкого горизонта событий, черная дыра будет иметь «кажущийся горизонт», который выглядит как горизонт событий, но позволяет информации просачиваться.

Если Стивен Хокинг прав, то он может разрешить парадокс информации/огненной стены, который преследует теоретическую физику. Черные дыры все еще существуют в астрофизическом смысле (одна в центре нашей галактики никуда не денется), но они будут лишены горизонта событий. Следует подчеркнуть, что работа Хокинга не рецензируемая, и ей немного не хватает деталей. Это, скорее, презентация идеи, а не детальное решения парадокса. Дальнейшие исследования будут необходимы, чтобы определить, станет ли эта идея решением, которое так долго искали.

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 Хокинга о площади, названная в честь физика Стивена Хокинга, который вывел эту теорему в 1971 году.

Пятьдесят лет спустя физики из Массачусетского технологического института и других организаций впервые подтвердили теорему Хокинга о площади, используя наблюдения гравитационных волн. Их результаты появляются сегодня в Письма о физическом обзоре .

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 GW1509.14 до и после космического столкновения и обнаружили, что общая площадь горизонта событий действительно 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 ряду 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 институтов 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. Кэролайн Делберт за Popular Mechanics . «Этот классный анализ не просто показывает пример теоремы Хокинга, лежащей в основе одного из центральных законов, влияющих на черные дыры, — пишет Делберт, — он показывает, как анализ моделей гравитационных волн может подтверждать статистические результаты».

Полная история через популярную механику →

Связанные ссылки

Maximiliano ISI
Институт астрофизики и космических исследований MIT Kavli
. отверстия подтверждены Гравитационные волны, испускаемые двумя черными дырами, когда они скручиваются друг в друга, показаны в моделировании. (Изображение предоставлено: C. Henze/НАСА Исследовательский центр Эймса)
Одна из самых известных теорем Стивена Хокинга была подтверждена с помощью ряби в пространстве-времени , вызванной слиянием двух далеких черных дыр .
Теорема о площади черной дыры, которую Хокинг вывел в 1971 году из общей теории относительности Эйнштейна , утверждает, что площадь поверхности черной дыры не может уменьшаться со временем. Это правило интересует физиков, потому что оно тесно связано с другим правилом, которое, по-видимому, заставляет время течь в определенном направлении:
второй закон термодинамики , который гласит, что энтропия , или беспорядок, замкнутой системы всегда должна возрастать. Поскольку энтропия черной дыры пропорциональна площади ее поверхности, обе эти величины всегда должны увеличиваться.
Согласно новому исследованию, подтверждение исследователями закона площадей, по-видимому, подразумевает, что свойства черных дыр являются важными ключами к скрытым законам, управляющим Вселенной. Как ни странно, закон площадей, кажется, противоречит другой доказанной теореме знаменитого физика: черные дыры должны испаряться в течение чрезвычайно длительного времени, поэтому выяснение источника противоречия между двумя теориями может открыть новую физику.
Связанный: 8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни
«Площадь поверхности черной дыры не может быть уменьшена, что похоже на второй закон термодинамики.
Она также имеет закон сохранения массы , так как вы не можете уменьшить его массу, так что это аналогично сохранению энергии», — сказал Live Science ведущий автор Максимилиано Иси, астрофизик из Массачусетского технологического института. «Сначала люди говорили: «Вау, классная параллель», но вскоре мы поняли, что это фундаментально. У черных дыр есть энтропия, и она пропорциональна их площади. Это не просто забавное совпадение, это важный факт о мире. что они раскрывают».
Площадь поверхности черной дыры ограничена сферической границей, известной как горизонт событий — за этой точкой ничто, даже свет, не может избежать ее мощного гравитационного притяжения. Согласно интерпретации общей теории относительности Хокинга, поскольку площадь поверхности черной дыры увеличивается с ее массой, и поскольку ни один объект, брошенный внутрь, не может выйти, площадь ее поверхности не может уменьшиться. Но площадь поверхности черной дыры также уменьшается по мере того, как она вращается, поэтому исследователи задались вопросом, можно ли бросить объект внутрь достаточно сильно, чтобы черная дыра вращалась достаточно, чтобы уменьшить ее площадь.

«Ты заставишь его вращаться сильнее, но недостаточно, чтобы уравновесить только что добавленную массу», — сказала Иси. «Что бы вы ни делали, масса и вращение сделают так, что вы получите большую площадь».
Чтобы проверить эту теорию, исследователи проанализировали гравитационные волны, или рябь в ткани пространства-времени, созданные 1,3 миллиарда лет назад двумя гигантскими черными дырами, когда они с большой скоростью приближались друг к другу. Это были первые волны, обнаруженные в 2015 году Усовершенствованной лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), лазерный луч, разделенный на два пути длиной 2485 миль (4 км), способный обнаруживать малейшие искажения в пространстве-времени. тем, как они изменяют длину его пути.

Разделив сигнал на две части — до и после слияния черных дыр — исследователи рассчитали массу и вращение как двух первоначальных черных дыр, так и новой объединенной. Эти числа, в свою очередь, позволили им рассчитать площадь поверхности каждой черной дыры до и после столкновения.
«По мере того, как они вращаются вокруг друг друга все быстрее и быстрее, гравитационные волны увеличиваются в амплитуде все больше и больше, пока в конце концов не погружаются друг в друга, образуя этот большой взрыв волн», — сказал Иси. «То, что у вас осталось, — это новая черная дыра, которая находится в этом возбужденном состоянии, которую вы затем можете изучить, анализируя, как она вибрирует. этого колокола, а также из чего он сделан».
Площадь поверхности недавно созданной черной дыры была больше, чем у первых двух вместе взятых, что подтверждает закон площадей Хокинга с уровнем достоверности более 95%. По словам исследователей, их результаты в значительной степени соответствуют тому, что они ожидали найти. Общая теория относительности, откуда появился закон площадей, очень эффективно описывает черные дыры и другие крупномасштабные объекты.

Однако настоящая загадка начинается, когда мы пытаемся интегрировать общую теорию относительности — правила больших объектов — с квантовая механика — те самые маленькие. Начинают происходить странные события, нарушающие все наши жесткие и быстрые правила и полностью нарушающие местный закон.
Это потому, что черные дыры не могут сжиматься в соответствии с общей теорией относительности, но могут сжиматься в соответствии с квантовой механикой. Культовый британский физик, автор закона площади поверхности, также разработал концепцию, известную как излучение Хокинга, когда туман частиц испускается на краях черных дыр посредством странных квантовых эффектов. Это явление приводит к тому, что черные дыры сжимаются и, в конце концов, за период времени, в несколько раз превышающий возраст Вселенной, испаряются. Это испарение может происходить в течение достаточно длительного времени, чтобы не нарушать закон площадей в краткосрочной перспективе, но это слабое утешение для физиков.

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖИМОЕ
«По статистике, в течение длительного периода времени закон нарушается», — сказала Иси. «Это похоже на кипящую воду, вы получаете пар, испаряющийся из вашей кастрюли, но если вы ограничитесь только взглядом на исчезающую внутри нее воду, у вас может возникнуть соблазн сказать, что энтропия кастрюли уменьшается. Но если вы возьмете Принимая во внимание и пар, ваша общая энтропия увеличилась. То же самое с черными дырами и излучением Хокинга».

Закон площадей установлен для коротких и средних периодов времени. Следующими шагами исследователей будет анализ данных, полученных от большего количества гравитационных волн, для более глубокого понимания, которое можно было бы извлечь из черных дыр.
«Я одержим этими объектами из-за их парадоксальности. Они чрезвычайно загадочны и сбивают с толку, но в то же время мы знаем, что это самые простые из существующих объектов», — сказала Иси. «Это, а также тот факт, что они находятся там, где гравитация встречается с квантовой механикой, делает их идеальными площадками для нашего понимания того, что такое реальность».
Исследователи опубликовали свои выводы 26 мая в Journal Physical Review Letters.
Первоначально опубликовано на Live Science.
Бен Тернер — штатный писатель Live Science из Великобритании. Он занимается физикой и астрономией, а также другими темами, такими как технологии и изменение климата.
Он окончил Университетский колледж Лондона со степенью в области физики элементарных частиц, прежде чем стать журналистом. Когда он не пишет, Бен любит читать литературу, играть на гитаре и смущать себя шахматами.
Стивен Хокинг и наука о черных дырах
Он был последним физиком, чей уникальный профиль вышел за рамки науки и стал, подобно Эйнштейну, иконой массовой культуры. Его образ по-прежнему связан с полем, на долю которого приходится основная часть его работ, — черными дырами. Открытия Стивена Хокинга (8 января 1942 – 14 апреля 2018 г.) пролили свет на тьму этих загадочных астрономических объектов, но в то же время подняли вопросы, которые будут беспокоить ученых еще десятилетия.

В сознании людей черные дыры часто представляются как огромные космические пылесосы, всасывающие все на своем пути, включая свет. Это вызывающая воспоминания, но неверная идея. Черная дыра не является и не создает вакуума, а совсем наоборот; оно притягивается под действием гравитации, потому что плотность его массы так огромна. Отсюда следует, что нам нечего бояться, если Солнце будет заменено черной дырой той же массы — хотя наш мир был бы намного холоднее и темнее, планеты продолжали бы беспрепятственно вращаться по орбитам, потому что масса черной дыры быть эквивалентным Солнцу.
Существование черных дыр вытекает из общей теории относительности, опубликованной Альбертом Эйнштейном в 1915 году, и последующих работ Роберта Оппенгеймера, Карла Шварцшильда, Субрахманьяна Чандрасекара и других. Пространство и время образуют ткань, искривленную массой, как батут. Черная дыра — это шар настолько тяжелый, что в его центре есть сингулярность, область настолько бесконечно плотная, что она схлопывает бездонный трамплин. Любой объект, который мы поместим рядом, будет стремиться упасть на шар, поэтому гравитационный эффект черной дыры ощущается в его окружении. Астрофизики смогли идентифицировать множество таких черных дыр, обнаружив космические объекты, вращающиеся вокруг кажущейся пустоты; это гравитационное притяжение выявляет присутствие чего-то, что иначе совершенно невидимо.
Решетчатая аналогия деформации пространства-времени, вызванная планетарной массой. Кредит:
Mysid
Эти черные дыры часто называют звездными черными дырами; они возникают после смерти звезды, чье внутреннее газовое давление, выталкиваемое наружу, больше не может противодействовать огромной силе гравитации, которая сжимает ее оставшееся вещество, пока она не коллапсирует в черную дыру, масса которой в пару десятков раз превышает массу Солнца. Они крошечные по сравнению с теми, которые могут хранить до миллионов солнечных масс, сверхмассивными, которые находятся в центре многих галактик. С другой стороны, есть черные дыры, еще мельче звездных, микрочерные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной.
Точка невозврата
Независимо от их размера, все они окружены невидимой границей, называемой горизонтом событий, точкой невозврата, за которую ничто не может выйти, даже свет. Вокруг этого горизонта массы пыли и газа настолько ускоряются гигантским приливом гравитации, что нагреваются и светятся, излучая излучение и иногда образуя аккреционный диск, что позволяет нам наблюдать тень, которую сама черная дыра отбрасывает на светящуюся звенеть. Благодаря этому эффекту 10 апреля 2019 года удалось добиться успеха Телескопу горизонта событий (EHT), международному сотрудничеству наземных радиотелескопов.в предоставлении человечеству первого изображения черной дыры, которая занимает центр галактики M87.
Открытия Стивена Хокинга пролили свет на тьму черных дыр, но в то же время подняли вопросы. Авторы и права: NASA
В 1974 году исследование Хокинга, опубликованное в журнале Nature , потрясло науку того времени, предположив, что черные дыры не такие уж черные и что они не растут бесконечно, как предполагали физики, в том числе и он сам. Его гениальность заключалась в том, чтобы объединить два традиционно непримиримых мира: общую теорию относительности — эйнштейновскую гравитацию, используемую для объяснения образования и эволюции черных дыр, — и квантовую механику, описывающую природу субатомного мира. В своих более ранних работах Хокинг показал, как теория относительности привела к сингулярности черной дыры, но тогда нужно было вскрыть квантовый сундук, чтобы объяснить, что там происходит.
Как объяснил Хокинг в общедоступной версии своей теории — формально неверной для облегчения понимания, как объяснил физик Итан Сигел, — квантовая теория предполагает непрерывное создание виртуальных пар частица-античастица, которые почти мгновенно аннигилируют друг друга. Но если это произойдет прямо на краю горизонта событий черной дыры, это может привести к тому, что античастица с отрицательной энергией упадет внутрь, похитив энергию у черной дыры, а ее партнер улетит в космос с такой же положительной энергией. В конце концов, это привело бы к полному испарению черной дыры без выхода из нее материи или энергии; хотя, как указал Хокинг в своем исследовании, «для черной дыры солнечной массы это намного больше, чем возраст Вселенной». В гораздо меньших черных дырах это было бы быстрее и завершилось бы финальным взрывом, эквивалентным «1 миллиону 1-мегатонных водородных бомб», писал он.
Визуализация имитирует внешний вид черной дыры, в которой падающая материя собирается в тонкую горячую структуру, называемую аккреционным диском. Предоставлено: Event Horizon Telescope Collaboration
Излучение Хокинга
Демонстрация Хокингом того, что черные дыры могут излучать излучение, является «самым важным его результатом», — Хуан Малдасена, физик из Принстонского института перспективных исследований, внесший значительный вклад в теорию струн и квантовую теорию гравитация, говорит OpenMind . Но в то время это излучение Хокинга открыло настоящий раскол между релятивистами и квантовыми физиками, поскольку у последних теперь была радикальная проблема: если, согласно квантовой физике, информация, связанная с частицами, никогда не уничтожается, но никакая материя или энергия никогда не ускользает черная дыра, как черная дыра может просто исчезнуть, унеся с собой эту информацию?
Излучение Хокинга широко распространено в современной физике, хотя его практически невозможно измерить и, следовательно, проверить. Как это ни парадоксально, оно выбрасывается в больших количествах меньшими, необнаружимыми черными дырами, в то время как более крупные, те, которые астрофизики могут изучать непосредственно, производят так мало, что его невозможно отличить от космического фонового излучения. Но, по крайней мере, подобное явление воссоздано в лаборатории: исследователи Технионского технологического института Израиля создали аналоги крошечных черных дыр, которые работают со звуком, а не со светом, и сумели продемонстрировать нечто похожее на излучение Хокинга. Эти эксперименты подтвердили два предсказания физиков: излучение спонтанно — оно генерируется из пустого пространства — и что оно стационарно — его интенсивность не меняется со временем.
«Мягкие волосы» черных дыр
Но, со своей стороны, так называемый информационный парадокс, по мнению Малдасены, остается самым важным из вопросов, поднятых работой Хокинга. Этот вопрос занимал физиков последние полвека, включая самого Хокинга, который до самой смерти неустанно искал теорию, способную объединить общую теорию относительности и квантовую механику, другими словами, квантовую теорию гравитации, описывающую то, что происходит внутри черных дыр. .

Стивен Хокинг объясняет черные дыры за 90 секунд. Фото:
BBC
В последних работах известного физика было предложено решение проблемы поиска информации. В 1970-х годах Джон Уилер, популяризировавший термин «черная дыра», и Джейкоб Бекенштейн утверждали, что «черные дыры не имеют волос» в том смысле, что «единственные свойства, которыми может обладать черная дыра, — это ее масса, ее электрический заряд и угловой момент», — рассказывает физик из Кембриджского университета Малкольм Перри, сотрудник Хокинга.0169 OpenMind . Таким образом, «если бы кто-то наблюдал черную дыру, вы ничего не могли бы сказать о том, как она образовалась», поскольку вся остальная информация внутри нее теряется; горизонт событий — это, так сказать, оголенная граница, лишенная всякой информации.
Однако в 2018 году Хокинг, Перри и их сотрудники нашли теоретический способ предположить, что черные дыры могут иметь «мягкие волосы», «бесконечный набор дополнительных свойств, которыми может обладать черная дыра», — говорит Перри. Как рассказывает Марика Тейлор, физик из Саутгемптонского университета, чья докторская диссертация была написана под руководством Хокинга, OpenMind , эти метафорические волосы «предлагают способы, которыми черные дыры могут отслеживать информацию на своих поверхностях, чтобы в конечном итоге эта информация была восстановлена».
Но Перри предупреждает, что, хотя эти идеи способствуют возможному разрешению информационного парадокса, они не являются окончательным словом. «Я считаю, что мягкие волосы — часть решения этих загадок, но не все; есть еще куда идти», — говорит он. В последнее время помимо мягких волос появились и другие модели. «За последние год или два произошли захватывающие события в области извлечения информации из черных дыр, — добавляет Тейлор. Для Малдасены эти новые разработки представляют собой «важные вехи в анализе информационного парадокса».
По словам Тома Бэнкса, физика из Университета Рутгерса, который участвовал в научных дискуссиях с Хокингом, вклад британца был «наиболее важной отдельной частью работы, которая способствовала нашему пониманию — все еще очень ограниченному — связи между квантовой механикой и общей теорией относительности. — говорит он OpenMind . Это путь, по которому пройдены полвека и по которому еще многое предстоит сделать. «Прогресс — это хорошо, но сроки решения этих самых серьезных проблем очень велики», — говорит Эндрю Строминджер, соавтор исследования мягких волос в Гарвардском университете.0169 OpenMind . «Мы пытались понять черные дыры сто лет. Я надеюсь, что мы сможем завершить это еще за 50».

Анимация, представляющая один год эволюции изображения M87 в соответствии с численным моделированием. Источник:
Illinois Physics
К сожалению, Хокинг никогда не получит Нобелевскую премию, которая не присуждается посмертно и которую никогда не получал самый популярный ученый своего времени, поскольку ее присуждают только за результаты в теоретической физике, когда они экспериментально проверяются. Последний парадокс Хокинга заключался в том, что его коллега Роджер Пенроуз получил награду в 2020 году за работу, которую они в значительной степени разработали в сотрудничестве.

No related posts.