Czy udowodniono istnienie czarnych dziur? Amerykański badacz udowadnia, że ​​czarnych dziur nie ma

Czy widzisz czarną dziurę?
- Nie.
- A ona nie jest.

Coś takiego jak ten dialog mógłby mieć miejsce między astronomem a profesor fizyki Laurą Marcini-Houghton z Uniwersytetu Północnej Karoliny, która złożyła sensacyjne oświadczenie. Kobieta matematycznie udowodnioneże takie astrofizyczne obiekty jak czarne dziury po prostu nie mogą istnieć w przyrodzie.

Haczyk polega na tym, że w tej chwili nikt nie może udowodnić czegoś przeciwnego.

Czarne dziury - termin spopularyzowany pół wieku temu przez amerykańskiego teoretyka - to supermasywne obiekty relatywistyczne, których istnienie leży u podstaw wielu teorii astrofizycznych opisujących ewolucję galaktyk, gwiazd, kwazarów. I choć dziś większość astronomów nie ma wątpliwości co do ich istnienia, formalnie obiekty te uważane są za hipotetyczne.

Ponieważ obiekty te nie emitują własnego światła ani nie odbijają obcego światła, ich obecność można określić jedynie metodami pośrednimi. O ich istnieniu naukowców przekonała więc szybka rotacja gwiazd w pobliżu centrów galaktyk i ugięcie promieni świetlnych (soczewkowanie), które obserwuje się w sąsiedztwie tych silnie grawitujących obiektów.

Astronomowie są świadomi dwóch rodzajów czarnych dziur - czarnych dziur o masach gwiazdowych i supermasywnych czarnych dziur o masie miliardów mas Słońca.

Trwa debata na temat istnienia czarnych dziur o masach pośrednich. Uważa się, że pierwszy typ powstaje podczas zapadania się masywnych gwiazd, kiedy gwiazda po spęcznieniu zrzuca swoje zewnętrzne warstwy i zapada się do wewnątrz pod wpływem własnej grawitacji. Pochodzenie supermasywnych czarnych dziur budzi kontrowersje wśród astronomów: czy powstały one jednocześnie z Wszechświatem w skrzepach ciemnej materii, czy też podczas zapadania się dużych obłoków gazu.

To samo stanie się, jeśli Ziemia zostanie skompresowana do rozmiarów orzecha włoskiego: jej gęstość tak bardzo wzrośnie

że żadne ciało nie może oderwać się od jego powierzchni, nawet poruszając się z prędkością światła.

Główną cechą charakterystyczną czarnej dziury jest rozmiar horyzontu zdarzeń - wyimaginowanej powierzchni, poza którą ani ciało, ani informacja nie mogą się cofnąć. Piękno czarnych dziur polega na tym, że przeciwstawiają się sobie dwie fundamentalne teorie fizyczne – teorię grawitacji Einsteina, z której wynika możliwość ich istnienia, oraz teorię kwantową, która postuluje, że żadna informacja we Wszechświecie nie może nigdzie zniknąć.

W 1974 roku znany brytyjski naukowiec Stephen przewidział, że czarne dziury powinny wyparować. Teoria kwantowa mówi, że pary cząstka-antycząstka nieustannie rodzą się w fizycznej próżni. Jednocześnie narodziny takich par w pobliżu horyzontu zdarzeń pozwalają na to, że jedna cząstka wpadnie do czarnej dziury, a druga nie. W ten sposób uciekłe cząstki mogą unieść wiele dziur dzięki tak zwanemu promieniowaniu Hawkinga.

Warto zauważyć, że Hawking przedstawił swoją teorię wkrótce po spotkaniu w Moskwie w 1973 r. z radzieckimi fizykami Jakowem Zeldowiczem i Aleksiejem Starobinskim.

Przekonali Hawkinga, że ​​wirująca czarna dziura może emitować fale elektromagnetyczne i cząstki.

Marcini-Houghton matematycznie opisał proces zapadania się masywnych gwiazd i doszedł do paradoksu. Jej obliczenia wykazały, że gdy gwiazda zapada się, pojawia się promieniowanie Hawkinga, które powoduje, że gwiazda gwałtownie traci swoją masę.

I tak szybko, że gęstość wewnętrznych obszarów przestaje rosnąć, a tworzenie się czarnej dziury ustaje.

„Ja sam nie mogę otrząsnąć się z szoku. Badamy ten problem od ponad 50 lat i ta decyzja daje nam dużo do myślenia – powiedział badacz.

To, co faktycznie pozostaje w miejscu masywnych gwiazd, można odkryć dzięki dalszym obserwacjom. Eksplozje masywnych gwiazd były już obserwowane w najnowszej historii, więc w 1987 roku astronomowie zaobserwowali najjaśniejszą supernową SN 1987A. Jednak na jej miejscu nie odkryto jeszcze czarnej dziury ani gwiazdy neutronowej.

Naukowiec już wcześniej wyraził swoją opinię na ten temat.

„Spodziewam się, że w następnej dekadzie będzie Nagroda Nobla za odkrycie czarnych dziur. Jesteśmy coraz bliżej tego. Po pierwsze, te czarne dziury są już jak nieoszlifowane psy. Do gwiezdnych czarnych dziur - 23 sztuki (Teraz jest ich kilkadziesiąt.), — mierzy się dla nich masy, podano ograniczenia dotyczące rozmiarów. A w jądrach galaktyk jest już wiele tysięcy supermasywnych czarnych dziur” – powiedział naukowiec.

Czarne dziury to obszary gęstej materii w kosmosie, które mają tak silne przyciąganie, że żadne obiekty złapane w polu grawitacyjnym czarnej dziury nie mogą ich opuścić. Czarne dziury przyciągają nawet przechodzące światło. To, co nauka myśli o istnieniu czarnych dziur, zostanie omówione w naszym artykule.

Czarne dziury to obszary gęstej materii w kosmosie, które mają tak silne przyciąganie, że żadne obiekty złapane w polu grawitacyjnym czarnej dziury nie mogą ich opuścić. Czarne dziury przyciągają nawet przechodzące światło. To, co nauka myśli o istnieniu czarnych dziur, zostanie omówione w naszym artykule.

Granice czarnych dziur nazywane są „horyzontem zdarzeń”, a ich wielkość nazywa się „promieniem grawitacyjnym”.

Czarne dziury, podobnie jak wiele innych zjawisk fizycznych, odkryto po raz pierwszy tylko w teorii. Możliwość ich istnienia wynika z niektórych równań Einsteina, są one zbieżne z teorią grawitacji (nie wiadomo jednak na ile jest ona prawdziwa), co ponownie teoretycznie potwierdza ich istnienie.

W naszych czasach możliwość powstania czarnych dziur potwierdza zweryfikowana eksperymentalnie ogólna teoria względności (GR). Regularnie pojawiają się nowe dane, które są analizowane i interpretowane w ramach powyższej teorii, co potwierdza istnienie niektórych obiektów astronomicznych, które częściowo pokrywają się ze znakami czarnych dziur o masie 105-1010 mas Słońca. Dlatego nie można przygotować się na 100% istnienie czarnych dziur.

Do tej pory istnieją 2 realistyczne i 2 hipotetyczne opcje tworzenia czarnych dziur: katastrofalnie szybka kompresja masywnej gwiazdy lub środka części galaktyki; a zatem powstanie czarnych dziur w wyniku Wielkiego Wybuchu i pojawienie się wysokich energii w reakcjach jądrowych.

Istnieją obiekty, które nazywane są czarnymi dziurami po prostu ze względu na podobieństwo niektórych ich właściwości do czarnych dziur, na przykład gwiazdy znajdujące się w ostatnim stadium zapadania grawitacyjnego. Współczesna astrofizyka nie przywiązuje dużej wagi do tej różnicy, ponieważ obserwowane manifestacje „prawie zapadniętej” gwiazdy i teoretycznie „rzeczywistej” czarnej dziury są niemal identyczne.

Czarne dziury nie są wieczne. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że obiekty te wciągają tylko wszystko wokół siebie, ale zgodnie z kwantową teorią grawitacji czarna dziura, pochłaniając, musi stale promieniować, tracąc swoją energię. Im więcej "masy energii" jest tracone, tym większa jest temperatura i prędkość promieniowania, co ostatecznie prowadzi do wybuchu. Pozostaje, że wtedy z czarnej dziury czy nie, nie wiadomo, ale odpowiedź na to pytanie da kwantowa teoria grawitacji, nad którą będą ciężko pracować w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat.

Trzy teorie na istnienie czarnych dziur

Istnieją trzy interesujące teorie na temat istnienia czarnych dziur:

We Wszechświecie jest skończona liczba czarnych dziur, są one w każdej galaktyce, dlatego mogą być sposobem poruszania się w kosmosie, rodzajem teleportu - wszedłeś w tę czarną dziurę, zostawiłeś inną. Co więcej, możesz „regulować” nie tylko miejsce, do którego się udajesz, ale także czas.

Zgodnie z teorią wielu światów Hugh Everetta, liczba wszechświatów jest nieskończona. Dzięki temu powstała hipoteza, że ​​czarne dziury są przejściem do innego wszechświata. Prawa fizyczne we wszystkich Wszechświatach mogą się różnić, ale tylko punkty przejścia – czarne dziury – są niewzruszone, choć nie wieczne.

Czarne dziury pochłaniają wszystko w polu grawitacyjnym. Jeśli ktoś wpadnie do czarnej dziury - obserwator wewnętrzny, a ktoś go obserwuje - obserwator zewnętrzny, to teoretycznie może mieć miejsce następująca sytuacja: osoba wpadająca do czarnej dziury zobaczy, jak czas dla niego zwalnia i zatrzymuje się na wieczność , oraz „ otaczający czas, zgodnie z teorią angielskiego matematyka i fizyka teoretycznego Penrose'a, czas rozwoju Wszechświata rośnie z taką prędkością, że on, wewnętrzny obserwator, widzi zapadanie się naszej przestrzeni i wszystkie istniejące rzeczywistości i wszystkie obiekty, które kiedyś wpadły w czarną dziurę. Z punktu widzenia obserwatora zewnętrznego, wewnętrzny pofrunie do czarnej dziury i zatrzyma się, jakby na coś czekał. Wszechświat, zgodnie z teorią, nie pozwala na jednoczesne istnienie obserwatorów wewnętrznych i zewnętrznych. Po minucie subiektywnego czasu człowieka wskakującego do czarnej dziury, ale po miliardach lat z punktu widzenia zewnętrznego obserwatora, upadający będzie zaskoczony, widząc, jak jego bardzo starzejący się „zewnętrzni” przyjaciele zaczynają spadać do jego dziury, a jego „rodzima” czarna dziura zaczyna łączyć się ze wszystkimi innymi czarnymi dziurami… W konsekwencji wszyscy zewnętrzni obserwatorzy staną się w tym samym czasie wewnętrznymi, a teraz wszyscy lecą razem w kierunku Upadku Wszechświata.

Biorąc pod uwagę powyższe fakty dotyczące istnienia czarnych dziur, są tacy, którzy je obalają. Profesor fizyki Laura Marcini-Houghton z Północnej Karoliny twierdzi, że czarne dziury po prostu nie mogą istnieć. Twierdzi, że nie ma bezpośrednich dowodów na ich istnienie, a dowody pośrednie mogą być błędne. Na razie to jednak tylko teoria.

Na tym etapie rozwoju nauka nie jest w stanie ani potwierdzić, ani obalić istnienia czarnych dziur. Pozostaje czekać na nowe obserwacje, ich analizę i kilka późniejszych odpowiedzi na te pytania.

Horyzont zdarzeń czarnej dziury odnosi się do punktu, z którego nie ma powrotu podczas zbliżania się do czarnej dziury. W ogólnej teorii względności Einsteina horyzont zdarzeń to miejsce, w którym przestrzeń i czas są tak zniekształcone przez grawitację, że nigdy nie można ich opuścić. Kiedy przekraczasz horyzont zdarzeń, możesz poruszać się tylko do wewnątrz, nigdy na zewnątrz. Jednak jednostronny horyzont zdarzeń prowadzi do tzw. paradoksu informacyjnego.

Paradoks informacyjny wywodzi się z termodynamiki, w szczególności z jej drugiej zasady. W najprostszej postaci można to wytłumaczyć jako „przenoszenie ciepła z ciała gorącego do zimnego”. Ale prawo jest bardziej przydatne, gdy jest wyrażone w kategoriach entropii. Jest więc sformułowany jako „entropia układu nie może się zmniejszyć”. Wiele osób interpretuje entropię jako poziom nieporządku w systemie lub nieużyteczną część systemu. Oznaczałoby to, że z czasem rzeczy powinny stawać się mniej przydatne. Ale entropia zależy od poziomu informacji potrzebnej do opisania systemu. Uporządkowany system (na przykład kulki są równomiernie rozmieszczone na siatce) jest łatwy do opisania, ponieważ obiekty mają ze sobą proste połączenia. Z drugiej strony, system nieuporządkowany (kulki rozmieszczone losowo) wymaga więcej informacji do opisania, ponieważ nie jest to na nich prosty wzór. Tak więc, gdy drugie prawo mówi, że entropia nigdy nie może się zmniejszyć, zakłada się, że fizyczna informacja układu nie może się zmniejszyć. Innymi słowy, informacji nie można zniszczyć.

Problem z horyzontem zdarzeń polega na tym, że można wrzucić obiekt (o dużej entropii) do czarnej dziury i entropia powinna po prostu zniknąć. Innymi słowy, entropia wszechświata będzie mniejsza, co naruszy drugą zasadę termodynamiki. Oczywiście nie uwzględnia to efektów kwantowych, dokładnie tych znanych jako promieniowanie Hawkinga, po raz pierwszy zaproponowane przez Stephena Hawkinga w 1974 roku.

Pierwotna idea promieniowania Hawkinga związana jest z zasadą nieoznaczoności w teorii kwantowej. W teorii kwantowej istnieją granice tego, co można wiedzieć o obiekcie. Na przykład nie możesz dokładnie poznać energii obiektu. Z powodu tej niepewności energia układu może spontanicznie zmieniać się pod warunkiem, że jej średnia pozostaje stała. Hawking wykazał, że w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury pary cząstek mogą pojawić się, gdy jedna cząstka zostanie uwięziona w horyzoncie zdarzeń (nieznacznie zmniejszając masę czarnej dziury), podczas gdy druga może uciec jako promieniowanie (odprowadzając część energia czarnej dziury).

Ponieważ te cząstki kwantowe występują w parach, są „splątane” (połączone w sensie kwantowym). Nie ma znaczenia, jeśli nie chcesz, aby promieniowanie Hawkinga emitowało informacje zawarte w czarnej dziurze. W pierwotnym sformułowaniu Hawkinga cząstki pojawiły się przypadkowo, więc promieniowanie pochodzące z czarnej dziury było czysto przypadkowe. Tak więc promieniowanie Hawkinga nie pozwoli ci odzyskać żadnych przechwyconych informacji.

Aby promieniowanie Hawkinga mogło wynieść informacje z czarnej dziury, splątane połączenie między parami cząstek musi zostać przerwane na horyzoncie zdarzeń, tak aby cząstki mogły się zgubić wraz z substancjami przenoszącymi informacje wewnątrz czarnej dziury. To rozerwanie pierwotnego splątania powinno sprawić, że uciekające cząstki wyglądają jak intensywna „ściana ognia” na powierzchni horyzontu zdarzeń. Oznaczałoby to, że wszystko, co zmierza w kierunku czarnej dziury, nie trafi do czarnej dziury. Zamiast tego zostanie odparowany przez promieniowanie Hawkinga, gdy osiągnie horyzont zdarzeń. Wydawałoby się, że albo fizyczne informacje o obiekcie są tracone, gdy wpada on do czarnej dziury (paradoks informacyjny), albo obiekty wyparowują przed wejściem do niej (paradoks ściany ogniowej).

W tej nowej pracy Hawking proponuje inne podejście. Twierdzi, że zamiast grawitacyjnego wypaczenia przestrzeni i czasu w horyzoncie zdarzeń, fluktuacje kwantowe promieniowania Hawkinga tworzą warstwę turbulencji w regionie. Tak więc zamiast ostrego horyzontu zdarzeń czarna dziura będzie miała „pozorny horyzont”, który wygląda jak horyzont zdarzeń, ale umożliwia wyciek informacji.

Jeśli Stephen Hawking ma rację, może rozwiązać paradoks informacji/ściany ogniowej, który nęka fizykę teoretyczną. Czarne dziury nadal istnieją w sensie astrofizycznym (ta w centrum naszej galaktyki nigdzie się nie wybiera), ale będą pozbawione horyzontu zdarzeń. Należy podkreślić, że praca Hawkinga nie jest recenzowana i jest nieco uboga w szczegóły. To bardziej prezentacja pomysłu niż szczegółowe rozwiązanie paradoksu. Potrzebne będą dalsze badania, aby ustalić, czy ten pomysł będzie rozwiązaniem, którego szukano od tak dawna.

Ale dzisiaj niewielu naukowców wątpi w ich istnienie. Supergęste obiekty o niemal absolutnej masie i grawitacji są końcowym produktem ewolucji gigantycznych gwiazd, zaginają one przestrzeń i czas, a nawet nie przepuszczają światła.

Jednak Laura Mersini-Houghton, profesor fizyki na Uniwersytecie Północnej Kalifornii, matematycznie udowodniła, że ​​czarne dziury mogą w ogóle nie istnieć w przyrodzie. W związku ze swoimi odkryciami badaczka nie proponuje rewizji współczesnych wyobrażeń o czasoprzestrzeni, ale uważa, że ​​naukowcom czegoś brakuje w teoriach na temat pochodzenia Wszechświata.

„Wciąż jestem w szoku. Od pół wieku badamy zjawisko czarnych dziur i te gigantyczne ilości informacji, w połączeniu z naszymi nowymi odkryciami, dają nam do myślenia” – przyznaje Mersini-Houghton w komunikacie prasowym .

Ogólnie przyjęta teoria mówi, że czarne dziury powstają, gdy masywna gwiazda zapada się pod wpływem własnej grawitacji do jednego punktu w przestrzeni. Tak rodzi się osobliwość, nieskończenie gęsty punkt. Otacza go tak zwany horyzont zdarzeń, warunkowa linia, przez którą wszystko, co kiedykolwiek przekroczyło, nigdy nie wróciło z powrotem w kosmos, przyciąganie czarnej dziury okazało się tak silne.

Teorie dotyczące czarnych dziur i pochodzenia wszechświata są teraz wątpliwe

Powodem niezwykłości takich obiektów jest to, że naturę czarnych dziur opisują sprzeczne teorie fizyczne – relatywizm i mechanika kwantowa. Teoria grawitacji Einsteina przewiduje powstawanie czarnych dziur, ale fundamentalne prawo teorii kwantowej mówi, że żadna informacja ze wszechświata nie może zniknąć na zawsze, a czarne dziury, według Einsteina, cząstki (i informacje o nich) znikają na resztę wszechświat poza horyzontem zdarzeń na zawsze.

Próby połączenia tych teorii i dojścia do ujednoliconego opisu czarnych dziur we Wszechświecie zakończyły się pojawieniem się zjawiska matematycznego – paradoksu utraty informacji.

W 1974 roku słynny kosmolog Stephen Hawking wykorzystał prawa mechaniki kwantowej, aby udowodnić, że cząstki wciąż mogą wykraczać poza horyzont zdarzeń. Ten hipotetyczny strumień „szczęśliwych” fotonów nazywa się promieniowaniem Hawkinga. Od tego czasu astrofizycy odkryli dość solidne dowody na istnienie takiego promieniowania.

Znikanie informacji w czarnej dziurze jest paradoksalne i niemożliwe z punktu widzenia mechaniki kwantowej

(zilustrowane przez NASA/JPL-Caltech).

Ale teraz Mersini-Houghton opisuje zupełnie nowy scenariusz ewolucji wszechświata. Zgadza się z Hawkingiem, że gwiazda zapada się pod wpływem własnej grawitacji, po czym emituje strumienie cząstek. Jednak w swojej nowej pracy Mersini-Houghton pokazuje, że emitując to promieniowanie, gwiazda również traci swoją masę i robi to w takim tempie, że po skompresowaniu nie może uzyskać gęstości czarnej dziury.

W swoim artykule badaczka twierdzi, że osobliwość nie może powstać i w rezultacie . Dokumenty ( , ) obalające istnienie czarnych dziur można znaleźć na stronie preprintów ArXiv.org.

Ponieważ uważa się, że nasz Wszechświat jest sobą, kwestionowana jest również kwestia wierności teorii Wielkiego Wybuchu w związku z nowymi odkryciami. Mersini-Houghton przekonuje, że w jej obliczeniach fizyka kwantowa i relatywizm idą w parze, o czym naukowcy zawsze marzyli, i dlatego to jej scenariusz może okazać się wiarygodny.