Je li dokazano postojanje crnih rupa? Američki istraživač dokazuje da ne postoje crne rupe

Vidite li crnu rupu?
- Ne.
- A nije.

Nešto poput ovog dijaloga moglo bi se dogoditi između astronoma i profesorice fizike Laure Marcini-Houghton sa Sveučilišta Sjeverne Karoline, koja je dala senzacionalnu izjavu. Žena matematički dokazano da takvi astrofizički objekti kao što su crne rupe jednostavno ne mogu postojati u prirodi.

Kvaka je u tome što trenutno nitko ne može dokazati suprotno.

Crne rupe – termin koji je prije pola stoljeća popularizirao američki teoretičar – su supermasivni relativistički objekti, čije postojanje leži u osnovi mnogih astrofizičkih teorija koje opisuju evoluciju galaksija, zvijezda, kvazara. I iako danas većina astronoma ne sumnja u njihovo postojanje, formalno se ti objekti smatraju hipotetičkim.

Budući da ti objekti niti emitiraju vlastitu svjetlost niti reflektiraju tuđu svjetlost, njihova prisutnost može se odrediti samo neizravnim metodama. Dakle, znanstvenici su uvjereni u njihovo postojanje brzom rotacijom zvijezda u blizini središta galaksija i skretanjem svjetlosnih zraka (lećama), što se opaža u blizini ovih snažno gravitirajućih objekata.

Astronomi su svjesni dvije vrste crnih rupa – crne rupe zvjezdane mase i supermasivne crne rupe s masom od milijardi solarnih masa.

Postoji rasprava o postojanju crnih rupa srednjih masa. Vjeruje se da prvi tip nastaje tijekom kolapsa masivnih zvijezda, kada zvijezda, nabubrivši, odbacuje svoje vanjske slojeve i kolabira prema unutra pod utjecajem vlastite gravitacije. Podrijetlo supermasivnih crnih rupa izaziva kontroverze među astronomima: jesu li nastale istodobno sa Svemirom u ugrušcima tamne tvari, ili tijekom kolapsa velikih oblaka plina.

Isto će se dogoditi ako se Zemlja stisne na veličinu oraha: gustoća će joj se toliko povećati

da se nijedno tijelo ne može otrgnuti od njegove površine, čak i da se kreće brzinom svjetlosti.

Glavna karakteristika crne rupe je veličina njezinog horizonta događaja – zamišljene površine preko koje se ni tijelo ni informacija ne mogu vratiti. Ljepota crnih rupa je u tome što jedna drugoj suprotstavljaju dvije temeljne fizikalne teorije – Einsteinovu teoriju gravitacije, iz koje proizlazi mogućnost njihovog postojanja, i kvantnu teoriju koja postulira da nijedna informacija u Svemiru ne može nigdje nestati.

Godine 1974. poznati britanski znanstvenik Stephen predvidio je da bi crne rupe trebale ispariti. Kvantna teorija kaže da se parovi čestica-antičestica neprestano rađaju u fizičkom vakuumu. Istodobno, rađanje takvih parova u blizini horizonta događaja dopušta mogućnost da jedna čestica padne u crnu rupu, dok druga ne. Tako pobjegle čestice mogu odnijeti mnogo rupa zbog takozvanog Hawkingovog zračenja.

Zanimljivo je da je Hawking iznio svoju teoriju nedugo nakon što se u Moskvi 1973. susreo sa sovjetskim fizičarima Jakovom Zeldovičem i Aleksejem Starobinskim.

Uvjerili su Hawkinga da rotirajuća crna rupa može emitirati elektromagnetske valove i čestice.

Marcini-Houghton je matematički opisao proces kolapsa masivnih zvijezda i došao do paradoksa. Njezini su proračuni pokazali da kada se zvijezda sruši, dolazi do Hawkingovog zračenja, zbog čega zvijezda brzo gubi svoju masu.

I to tako brzo da gustoća unutarnjih područja prestaje rasti i formiranje crne rupe prestaje.

“Ni sam se ne mogu oporaviti od šoka. Ovaj problem proučavamo više od 50 godina i ova odluka nam daje puno za razmišljanje”, rekao je istraživač.

Što zapravo ostaje na mjestu masivnih zvijezda može se otkriti daljnjim promatranjima. Eksplozije masivnih zvijezda već su opažene u novijoj povijesti, pa su astronomi 1987. godine promatrali najsjajniju supernovu SN 1987A. Međutim, ni crna rupa ni neutronska zvijezda na njenom mjestu još nisu otkriveni.

Akademik je ranije iznio svoje mišljenje o ovoj temi.

“Očekujem da će u sljedećem desetljeću biti Nobelova nagrada za otkriće crnih rupa. Sve smo bliže ovome. Prvo, ove crne rupe su već poput neošišanih pasa. Za zvjezdane crne rupe - 23 komada (Sada ih ima na desetke.), — za njih se mjere mase, daju se ograničenja veličina. I već postoje tisuće supermasivnih crnih rupa u jezgri galaksija”, rekao je znanstvenik.

Crne rupe su područja guste materije u svemiru koja imaju tako jaku privlačnost da je nijedan objekt uhvaćen u gravitacijskom polju crne rupe ne može napustiti. Crne rupe privlače čak i svjetlost koja prolazi. Što znanost misli o postojanju crnih rupa, raspravljat ćemo u našem članku.

Crne rupe su područja guste materije u svemiru koja imaju tako jaku privlačnost da je nijedan objekt uhvaćen u gravitacijskom polju crne rupe ne može napustiti. Crne rupe privlače čak i svjetlost koja prolazi. Što znanost misli o postojanju crnih rupa, raspravljat ćemo u našem članku.

Granice crnih rupa nazivaju se "horizontom događaja", a njegova veličina naziva se "gravitacijskim radijusom".

Crne rupe, kao i mnoge druge fizičke pojave, prvi put su otkrivene samo u teoriji. Mogućnost njihovog postojanja proizlazi iz nekih Einsteinovih jednadžbi, one konvergiraju s teorijom gravitacije (ali se ne zna koliko je to istinito), što, opet teoretski, potvrđuje njihovu prisutnost.

U naše vrijeme mogućnost nastanka crnih rupa potvrđuje eksperimentalno provjerena opća teorija relativnosti (GR). Redovito se pojavljuju novi podaci koji se analiziraju i tumače u okviru navedene teorije, što potvrđuje postojanje nekih astronomskih objekata koji se djelomično podudaraju sa znakovima crnih rupa mase 105-1010 solarnih masa. Stoga je nemoguće pripremiti se za 100% postojanje crnih rupa.

Do danas postoje 2 realne i 2 hipotetske opcije za stvaranje crnih rupa: katastrofalno brza kompresija masivne zvijezde ili središta dijela galaksije; te, sukladno tome, stvaranje crnih rupa kao posljedica Velikog praska i pojava visokih energija u nuklearnim reakcijama.

Postoje objekti koji se nazivaju crnim rupama jednostavno zbog sličnosti nekih njihovih svojstava s crnim rupama, na primjer, zvijezde koje su u posljednjoj fazi gravitacijskog kolapsa. Moderna astrofizika ne pridaje veliku važnost ovoj razlici, budući da su promatrane manifestacije "gotovo kolabirane" zvijezde i teoretski "prave" crne rupe gotovo identične.

Crne rupe nisu vječne. Na prvi pogled čini se da ti objekti samo uvlače sve oko sebe, ali prema kvantnoj teoriji gravitacije, crna rupa, apsorbirajući, mora neprekidno zračiti, gubeći svoju energiju. Što se više "energije-mase" gubi, to je veća temperatura i brzina zračenja, što u konačnici dovodi do eksplozije. Ostaje da iz crne rupe ili ne, ne zna se, ali odgovor na to pitanje dat će kvantna teorija gravitacije, na kojoj će vrijedno raditi u sljedećih nekoliko desetljeća.

Tri teorije o postojanju crnih rupa

Postoje tri zanimljive teorije o postojanju crnih rupa:

U Svemiru postoji konačan broj crnih rupa, one su u svakoj galaksiji, dakle, mogu biti način kretanja u svemiru, neka vrsta teleporta - ušli ste u ovu crnu rupu, ostavili drugu. Štoviše, možete "regulirati" ne samo mjesto na koje dolazite, već i vrijeme.

Prema teoriji mnogih svjetova Hugha Everetta, broj svemira je beskonačan. Zahvaljujući tome, nastala je hipoteza da su crne rupe prolaz u drugi svemir. Fizikalni zakoni u svim svemirima mogu se razlikovati, ali samo su točke prolaska - crne rupe - nepokolebljive, iako ne i vječne.

Crne rupe apsorbiraju sve u gravitacijskom polju. Ako osoba upadne u crnu rupu - unutarnji promatrač, a netko ga promatra - vanjski promatrač, tada se u teoriji može dogoditi sljedeća situacija: osoba koja upadne u crnu rupu vidjet će kako mu vrijeme usporava i staje za vječnost , a " okolno vrijeme, prema teoriji engleskog matematičara i teoretskog fizičara Penrosea, vrijeme razvoja svemira raste takvom brzinom da on, unutarnji promatrač, uspijeva vidjeti kolaps našeg prostora, a sve postojeće stvarnosti, i sve objekte koji su jednom bili uhvaćeni u crnu rupu. Sa stajališta vanjskog promatrača, unutarnji će doletjeti do crne rupe i stati, kao da nešto čeka. Svemir, prema teoriji, ne dopušta postojanje unutarnjih i vanjskih promatrača u isto vrijeme. Nakon minute subjektivnog vremena kada osoba skače u crnu rupu, ali nakon milijardi godina s gledišta vanjskog promatrača, padajući će se iznenaditi kad vidi kako njegovi vrlo ostarjeli "vanjski" prijatelji počinju padati u njegovu rupu, a njegova "rodna" crna rupa počinje se spajati sa svim ostalim crnim rupama... Posljedično, svi vanjski promatrači postat će istovremeno unutarnji i sada zajedno lete prema Kolapsu Svemira.

S obzirom na gore navedene činjenice o postojanju crnih rupa, ima onih koji ih opovrgavaju. Profesorica fizike Laura Marcini-Houghton iz Sjeverne Karoline tvrdi da crne rupe jednostavno ne mogu postojati. Ona tvrdi da nema izravnih dokaza o njihovom postojanju, a neizravni dokazi mogu biti pogrešni. Međutim, ovo je za sada samo teorija.

U ovoj fazi razvoja, znanost nije u stanju ni potvrditi ni opovrgnuti postojanje crnih rupa. Ostaje čekati nova zapažanja, njihovu analizu i neke naknadne odgovore na ova pitanja.

Horizont događaja crne rupe odnosi se na točku bez povratka kada se približava crnoj rupi. U Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti, horizont događaja je mjesto gdje su prostor i vrijeme toliko iskrivljeni gravitacijom da nikada ne možete otići. Kada prijeđete horizont događaja, možete se kretati samo prema unutra, nikako prema van. Međutim, jednostrani horizont događaja vodi do onoga što je poznato kao informacijski paradoks.

Informacijski paradoks potječe iz termodinamike, posebno iz njenog drugog zakona. U svom najjednostavnijem obliku, može se objasniti kao "toplina se prenosi s vrućeg tijela na hladno". Ali zakon je korisniji kada se izrazi u terminima entropije. Dakle, formulira se kao "entropija sustava ne može se smanjiti". Mnogi ljudi entropiju tumače kao razinu nereda u sustavu ili neupotrebljivi dio sustava. To bi značilo da bi stvari s vremenom uvijek trebale postati manje korisne. No entropija ovisi o razini informacija potrebnih za opisivanje sustava. Uređeni sustav (na primjer, kuglice su ravnomjerno raspoređene po rešetki) lako je opisati, budući da objekti imaju jednostavne veze jedni s drugima. S druge strane, neuređeni sustav (kuglice raspoređene nasumično) zahtijevat će više informacija za opisivanje jer to nije jednostavan uzorak na njima. Dakle, kada drugi zakon kaže da se entropija nikada ne može smanjiti, pretpostavlja se da se fizička informacija sustava ne može smanjiti. Drugim riječima, informacije se ne mogu uništiti.

Problem s horizontom događaja je što možete baciti objekt (s puno entropije) u crnu rupu i entropija bi jednostavno trebala nestati. Drugim riječima, entropija svemira bit će manja, što će narušiti drugi zakon termodinamike. Naravno, to ne uzima u obzir kvantne efekte, upravo one poznate kao Hawkingovo zračenje, koje je prvi predložio Stephen Hawking 1974. godine.

Izvorna ideja Hawkingovog zračenja povezana je s principom nesigurnosti u kvantnoj teoriji. U kvantnoj teoriji postoje granice onoga što se može znati o objektu. Na primjer, ne možete točno znati energiju nekog objekta. Zbog ove nesigurnosti, energija sustava može spontano fluktuirati, pod uvjetom da njegov prosjek ostane konstantan. Hawking je pokazao da se u blizini horizonta događaja crne rupe mogu pojaviti parovi čestica kada je jedna čestica zarobljena unutar horizonta događaja (blago smanjujući masu crne rupe), dok druga može pobjeći kao zračenje (odnoseći dio energija crne rupe).

Budući da se te kvantne čestice pojavljuju u parovima, one su "upletene" (povezane u kvantnom smislu). Zapravo nije važno ako ne želite da Hawkingovo zračenje emitira informacije sadržane unutar crne rupe. U izvornoj Hawkingovoj formulaciji čestice su se pojavile slučajno, pa je zračenje koje je dolazilo iz crne rupe bilo čisto slučajno. Stoga vam Hawkingovo zračenje neće dopustiti da povratite bilo kakve zarobljene informacije.

Kako bi se Hawkingovom zračenju omogućilo da prenosi informacije iz crne rupe, zapetljana veza između parova čestica mora biti prekinuta na horizontu događaja, tako da se čestice mogu izgubiti s tvarima koje nose informacije unutar crne rupe. Ovaj poremećaj izvorne zapetljanosti trebao bi učiniti da se čestice koje bježe čine poput intenzivnog "vatrenog zida" na površini horizonta događaja. To bi značilo da sve što ide prema crnoj rupi neće završiti u crnoj rupi. Umjesto toga, Hawkingovo zračenje će ga ispariti kada dosegne horizont događaja. Čini se da se ili fizička informacija objekta gubi kada padne u crnu rupu (informacijski paradoks), ili objekti ispare prije nego što uđu u nju (paradoks vatrozida).

U ovom novom djelu Hawking nudi drugačiji pristup. On tvrdi da umjesto gravitacijskog krivljenja prostora i vremena u horizontu događaja, kvantne fluktuacije Hawkingovog zračenja stvaraju sloj turbulencije u regiji. Dakle, umjesto oštrog horizonta događaja, crna rupa će imati "prividni horizont" koji izgleda kao horizont događaja, ali omogućuje curenje informacija.

Ako je Stephen Hawking u pravu, onda može razriješiti paradoks informacija/požarnog zida koji muči teorijsku fiziku. Crne rupe još uvijek postoje u astrofizičkom smislu (ona u središtu naše galaksije ne ide nikamo), ali će biti lišene horizonta događaja. Treba naglasiti da Hawkingov rad nije recenziran i da mu donekle nedostaje detalja. Ovo je više prezentacija ideje nego detaljno rješenje paradoksa. Bit će potrebna daljnja istraživanja kako bi se utvrdilo hoće li ova ideja biti rješenje za kojim se toliko dugo tražilo.

No danas malo znanstvenika sumnja u njihovo postojanje. Supergusti objekti s gotovo apsolutnom masom i gravitacijom krajnji su proizvod evolucije divovskih zvijezda, savijaju prostor i vrijeme i čak ne dopuštaju svjetlost.

Međutim, Laura Mersini-Houghton, profesorica fizike na Sveučilištu Sjeverne Kalifornije, matematički je dokazala da crne rupe možda uopće ne postoje u prirodi. U vezi sa svojim otkrićima, istraživačica ne predlaže reviziju modernih ideja o prostor-vremenu, ali smatra da znanstvenicima nešto nedostaje u teorijama o nastanku Svemira.

"Još sam šokiran. Pola stoljeća proučavamo fenomen crnih rupa, a ove gigantske količine informacija, zajedno s našim novim otkrićima, daju nam povoda za ozbiljno razmišljanje", priznaje Mersini-Houghton u priopćenju za javnost .

Općeprihvaćena teorija je da crne rupe nastaju kada se masivna zvijezda sruši pod vlastitom gravitacijom na jednu točku u svemiru. Tako se rađa singularnost, beskonačno gusta točka. Okružen je takozvanim horizontom događaja, uvjetnom linijom da se sve što je ikad priješlo, nikad se nije vratilo u svemir, privlačnost crne rupe pokazala se toliko jakom.

Teorije o crnim rupama i podrijetlu svemira sada su upitne

Razlog neobičnosti takvih objekata je taj što prirodu crnih rupa opisuju kontradiktorne fizikalne teorije – relativizam i kvantna mehanika. Einsteinova teorija gravitacije predviđa nastanak crnih rupa, ali temeljni zakon kvantne teorije kaže da nijedna informacija iz svemira ne može zauvijek nestati, a crne rupe, prema Einsteinu, čestice (i informacije o njima) nestaju do kraja svemir zauvijek iza horizonta događaja.

Pokušaji kombiniranja ovih teorija i dolaženja do jedinstvenog opisa crnih rupa u Svemiru završili su pojavom matematičkog fenomena – paradoksa gubitka informacija.

Godine 1974. poznati kozmolog Stephen Hawking koristio je zakone kvantne mehanike kako bi dokazao da čestice još uvijek mogu ići izvan horizonta događaja. Ovaj hipotetski tok "sretnih" fotona naziva se Hawkingovo zračenje. Od tada, astrofizičari su otkrili prilično čvrste dokaze za postojanje takvog zračenja.

Nestanak informacija u crnoj rupi je paradoksalan i nemoguć u smislu kvantne mehanike

(ilustrirao NASA/JPL-Caltech).

Ali sada Mersini-Houghton opisuje potpuno novi scenarij evolucije svemira. Ona se slaže s Hawkingom da se zvijezda urušava pod vlastitom gravitacijom, nakon čega ispušta struje čestica. Međutim, u svom novom djelu Mersini-Houghton pokazuje da emitiranjem ovog zračenja zvijezda također gubi svoju masu i to takvom brzinom da kada se komprimira, ne može dobiti gustoću crne rupe.

U svom članku istraživačica tvrdi da se singularnost ne može formirati i, kao rezultat, . Dokumenti ( , ) koji opovrgavaju postojanje crnih rupa mogu se pronaći na stranici za pretisak ArXiv.org.

Budući da se vjeruje da je naš Svemir sam po sebi, onda se u vezi s novim saznanjima postavlja i pitanje vjernosti teorije Velikog praska. Mersini-Houghton tvrdi da u njezinim proračunima kvantna fizika i relativizam idu ruku pod ruku, o čemu su znanstvenici oduvijek sanjali, pa bi se stoga njezin scenarij mogao pokazati pouzdanim.