горизонт событий черной дыры простыми словами что такое
Что такое горизонт событий?
Горизонт событий можно описать простым языком как точку невозврата. Это космическая тюрьма, из которой даже сам свет никогда не сможет выбраться, порог, за которым никакие события не могут повлиять на наблюдателя. Чтобы более детально понять, как концептуализируется горизонт событий, нужно говорить в контексте астрофизики, а именно теории общей относительности и черных дыр, с которыми тесно связано понятие о горизонте событий.
Точка невозврата
Горизонт событий является частью черной дыры, его можно представить как внешнее кольцо, окружающее черную дыру, и если конкретный объект проходит мимо этого внешнего кольца, он больше никогда не сможет вернуться. Похоже, что оно «прилипло» к глазам наблюдателя. Как именно теория относительности Альберта Эйнштейна играет в этом роль? Законы общей относительности гласят, что гравитационные тяготения черных дыр настолько сильны, что ни один объект не может от них ускользнуть.
Как утверждает Эйнштейн, нет ничего, что может путешествовать быстрее скорости света. Как только что-то входит в это кольцо вокруг черной дыры, которую мы называем горизонтом событий, необходимая скорость для побега начинает превышать скорость света. Но если скорость света самая высокая, как можно избежать этого? Никак, поэтому мы называем это точкой невозврата. Чем ближе кто-то или что-то приближается к центру черной дыры, тем быстрее увеличивается скорость, необходимая для побега.
Что такое квазар?
Если мы посмотрим на галактику нашей собственной Солнечной системы, Млечный Путь, то в ее центре есть черная дыра, масса которой равна массе 250 0000 Солнца, а горизонт событий простирается на многие миллионы километров. Важно заметить, что на самом деле никто никогда не видел черную дыру. Тем не менее физики убеждены в их существовании.
Единственное, что мы на самом деле можем видеть, это то, что называется аккреционным диском. Это дискообразный поток различных космических материалов, таких как газ и пыль, который подошел достаточно близко к черной дыре, но достаточно далеко, чтобы не упасть в нее. Эти галоподобные вещества, окружающие черную дыру, также называют квазарами, неологизмом, состоящим из «квазизвездного радиоисточника». Они называются так потому, что квазары были впервые обнаружены как радиоисточники. Они также являются одним из древнейших тел во Вселенной, а также самыми дальними и яркими объектами, которые мы можем видеть.
20 удивительных фактов о горизонте событий, которые вы должны знать
Мы кратко говорили о горизонте событий в нашем списке фактов о «черных дырах». Настало время провести детальное обсуждение горизонта событий и понять, что это такое и почему это так важно. Итак, вот 20 удивительных фактов о горизонте событий, отобранных и упрощенных для вас.
№6. Горизонты событий в основном встречаются вокруг черных дыр.
№7. Даже если свет испускается внутри границы, он не может избежать огромного гравитационного притяжения и, следовательно, он не может достичь наблюдателя, расположенного за пределами границы.
№8. Поскольку свет не может покинуть горизонт событий, черные дыры буквально невидимы для человеческого глаза.
№9. Если смотреть с другой стороны, если что-то приближается к горизонту событий за пределами границы (сторона, где находится наблюдатель), то оно постепенно замедляется, и этот объект никогда не пройдет через горизонт.
№10. Когда что-то приближается к горизонту событий, его изображение постепенно смещается с каждым мгновением.
№12. Итак, что вызывает красное смещение, когда что-то приближается к горизонту событий? Когда мы наблюдаем красное смещение, это означает, что свет от объекта возвращается к нам. Это возможно до тех пор, пока объект фактически не войдет в Горизонт Событий, где свет не может выйти. Прежде чем объект войдет в горизонт событий, фотоны в свете, испускаемом объектом, попытаются избежать огромной гравитации.
Это означает, что фотонам придется работать больше, чтобы убежать. Чем больше работы они делают, тем больше энергии они теряют. Другими словами, фотоны должны будут выпустить немного энергии, чтобы вырваться из гравитации. Теперь частота фотонов прямо пропорциональна их энергии.
Итак, если энергия фотона падает, его частота падает. Падение частоты означает увеличение длины волны. Это объясняет, почему объект становится красным по мере приближения к горизонту событий. Это называется гравитационным красным смещением, предсказанным теорией общей теории относительности Эйнштейна.
№13. Итак, почему объект замедляется при приближении к горизонту событий? Это происходит из-за гравитационного замедления времени. Мы объясним гравитационное замедление времени в другом списке.
№14. Забавная вещь в Горизонте Событий состоит в том, что даже если человек, расположенный на безопасном расстоянии от Горизонта Событий, испытывает или наблюдает красное смещение и гравитационное замедление времени, объект, который фактически приближается к границе, не будет испытывать ничего странного. Он не будет испытывать красное смещение или замедление времени и пройдет через горизонт событий в конечном количестве того, что известно как «надлежащее время».
№16. Поскольку объект, приближающийся к горизонту событий, даже не увидит ничего странного, он даже не узнает, что на самом деле приближается к горизонту событий, потому что эта граница не является чем-то физическим. Это только мнимая граница, основанная на математических расчетах.
№17. Только после того, как объект входит в горизонт событий, он может испытывать изменения. Как? Все попытки вернуться на самом деле потерпят неудачу.
№18. Горизонты событий черных дыр порождают явление, известное как спагеттификация или эффект лапши. Это явление, при котором объект, попадающий в горизонт событий, будет растягиваться вертикально и сжиматься в боковом направлении до тех пор, пока он не примет форму спагетти или лапши. Это происходит из-за огромных приливных сил, которые существуют в горизонте событий и вызваны огромным гравитационным притяжением сингулярности.
№20. В случае сверхмассивных черных дыр точка сингулярности находится далеко от горизонта событий, и поэтому приливные силы не существуют вне горизонта событий. Таким образом, спагеттификация не произойдет, пока объект не войдет в горизонт событий. Итак, можно сделать вывод, что удаленный наблюдатель действительно увидит объект, спагетизированный до того, как он исчезнет, если приблизится к маленькой черной дыре. Наблюдатель вообще не сможет увидеть спагеттификацию, если объект приблизится к сверхмассивной черной дыре.
Спросите Итана: как должен выглядеть горизонт событий чёрной дыры?
Изображение чёрной дыры. Несмотря на её тёмный цвет, считается, что все чёрные дыры были сформированы из обычной материи, но подобные иллюстрации не совсем точны
В апреле 2017 телескопы всего мира одновременно собрали данные по центральной чёрной дыре Млечного Пути. Из всех известных во вселенной ЧД та, что находится в центре Галактики — Стрелец A* — особенная. С нашей точки зрения её горизонт событий крупнейший из всех доступных нам ЧД. Он настолько большой, что телескопы, расположенные в разных местах Земли, должны были бы его увидеть, если бы посмотрели на него все одновременно. И хотя на комбинирование и анализ данных, полученных с разных телескопов, уйдут месяцы, к концу 2017 года мы должны получить наше первое изображение горизонта событий. Так как он должен выглядеть? Такой вопрос задаёт один из наших читателей, запутавшийся в иллюстрациях:
Разве горизонт событий не должен полностью окружать чёрную дыру на манер яичной скорлупы? Все художники рисуют чёрные дыры в виде разрезанных яиц, сваренных вкрутую. Почему горизонт событий не окружает чёрную дыру полностью?
Конечно, в интернете можно найти иллюстрации разного рода. Но какие из них правильные?
Рисунок с простым чёрным кругом и кольцом вокруг него — чрезмерно упрощённое изображние горизонта ЧД
Самый старый вид иллюстраций — простой чёрный диск, закрывающий собой весь свет позади него. Это имеет смысл, если вспомнить, что собой представляет ЧД: по сути, это собранная в одном месте масса настолько большой величины и настолько компактная, что скорость убегания с её поверхности превышает скорость света. Поскольку ничто не может двигаться так быстро, даже передача взаимодействий между частицами внутри ЧД, внутри ЧД схлопывается до сингулярности, а вокруг ЧД образуется горизонт событий. Из этого сферического участка космоса свет не может убежать, поэтому он и должен выглядеть с любой перспективы, как чёрный круг, наложенный на фон Вселенной.
ЧД — не просто масса над изолированным фоном, она оказывает гравитационные эффекты, растягивающие, увеличивающие и искажающие свет из-за гравитационного линзирования.
Но это ещё не вся история. Из-за гравитации ЧД увеличивают и искажают идущий с обратной стороны свет из-за эффекта гравитационного линзирования. Существует более точные и детальные иллюстрации внешнего вида ЧД, и у неё даже есть горизонт событий, размер которого правильно сопоставлен с кривизной пространства согласно ОТО.
К сожалению, и эти иллюстрации не лишены недостатков: они не учитывают материал, находящийся перед ЧД и аккреционный диск вокруг ЧД. Некоторые изображения включают и это.
Изображение активной ЧД, занятой аккрецией материи и ускорением её части в виде двух перпендикулярных струй, может описать ЧД в центре нашей Галактики правильно с многих точек зрения.
Из-за огромных гравитационных эффектов чёрные дыры формируют аккреционные диски в присутствии других источников материи. Астероиды, газовые облака, целые звёзды могут быть разорваны на части приливными силами, исходящими от таких массивных объектов, как чёрные дыры. Из-за сохранения углового момента и из-за столкновений между различными падающими в ЧД частицами, вокруг неё появиялется дискообразный объект, который разогревается и излучает. Во внутренних регионах частицы периодически падают в ЧД, что увеличивает её массу, а материал, находящийся перед ней, закрывает часть сферы, которую вы бы иначе видели.
Но сам по себе горизонт событий непрозрачен, и материю за ним вы видеть не должны.
У чёрной дыры в фильме Interstellar достаточно точно показан горизонт событий для особого класса вращающихся ЧД
Вас может удивить, что в голливудском фильме Interstellar ЧД изображена точнее, чем на многих профессиональных изображениях, созданных в НАСА или для него. Но даже среди профессионалов полно неправильных представлений о ЧД. ЧД не засасывают материю внутрь, а лишь оказывают гравитационное воздействие. ЧД не раздирают предметы из-за какой-то дополнительной силы — это делают простые приливные силы, когда одна часть падающего объекта оказывается ближе к центру, чем другая. И, что самое важное, ЧД редко существуют в «голом» состоянии, и часто находятся вблизи другой материи, как та, что существует в центре нашей Галактики.
Композитное изображение ЧД Стрелец А* в центре нашей Галактики, составленное из рентгеновских и инфракрасных лучей. Она обладает массой в 4 миллиона солнечных, и окружена горячим газом, излучающим в рентгеновском диапазоне
Памятуя обо всём этом, вспомним, что же это за изображения варёных яиц? Помните, что саму ЧД изобразить нельзя, поскольку она не испускает свет. Мы можем только наблюдать в определённом диапазоне длин волн и видеть сочетание света, обходящего ЧД сзади, изгибающегося вокруг и перед ней. И получающийся сигнал действительно будет напоминать варёное вкрутую яйцо, разрезанное пополам.
Некоторые из возможных сигналов горизонта событий ЧД, полученные в симуляциях проекта «Телескоп горизонта событий»
Всё дело в том, что именно мы фотографируем. Мы не можем наблюдать в рентгеновском диапазоне, ибо таких фотонов слишком мало. Мы не можем наблюдать в видимом свете, поскольку центр галактики для него непрозрачен. И мы не можем наблюдать в инфракрасном свете, поскольку атмосфера блокирует такие лучи. Но мы можем наблюдать в радиодиапазоне, и делать это по всему миру, одновременно, чтобы получить наилучшее из возможных разрешений.
Части «Телескопа горизонта событий» из одного полушария
Угловой размер ЧД в центре Галактики равен примерно 37 угловых микросекунд, а разрешение телескопа равно 15 угловых микросекунд, поэтому у нас должно получиться его увидеть! Большая часть радиочастотного излучения исходит из заряженных частиц материи, ускоряющихся вокруг ЧД. Мы не знаем, как будет ориентирован диск, будет ли там несколько дисков, будет ли это больше похоже на рой пчёл или на компактный диск. Мы также не знаем, предпочтёт ли он одну «сторону» ЧД, с нашей точки зрения, другой.
Пять различных симуляций в ОТО с использованием магнитогидродинамической модели аккреционного диска ЧД, и то, как будет выглядеть полученный сигнал
Мы ожидаем найти реальный горизонт событий, с определённым размером, блокирующий весь идущий из-за него свет. Мы также ожидаем наличие какого-либо сигнала, расположенного перед ним, неровность этого сигнала из-за беспорядка вокруг ЧД, и что ориентация диска относительно ЧД определит, что именно вы сможем увидеть.
Одна часть будет ярче, когда диск вращается в нашу сторону. Другая сторона тусклее, когда диск вращается от нас. Контур горизонта событий также может быть видимым из-за гравитационного линзирования. Что ещё важнее, расположение диска к нам ребром или плоскостью очень сильно будет влиять на характер полученного сигнала, как видно в первом и третьем квадратах рисунка ниже.
Расположение диска к нам ребром (два правых квадрата) или плоскостью (два левых квадрата) очень сильно будет влиять на то, какую ЧД мы увидим
Мы можем проверить и другие эффекты, а именно:
• обладает ли ЧД размером, предсказанным ОТО,
• круглый ли горизонт событий (как предсказано), или вытянутый, или сплющенный у полюсов,
• простирается ли радиоизлучение дальше чем мы думаем,
или есть ещё какие-то отклонения от ожидаемого поведения. Это новая ступень физики, и мы находимся на грани её прямой проверки. Одно ясно: неважно, что увидит «Телескоп горизонта событий», мы обязательно узнаем что-то новое и прекрасное об одних из самых экстремальных объектов и условий во Вселенной!
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Горизонт событий черной дыры простыми словами что такое
Вы когда-нибудь слышали истории о сказочно разбогатевших людях, которые однажды обнаружили фонтан нефти у себя на заднем дворе? Так вот, забудьте их. В этом посте вы узнаете, как по-настоящему работают нефтяники на Восточно-Мессояхском месторождении на Гыданском полуострове ЯНАО, как не замерзнуть в Арктике и зачем там нужны беспилотники.
Как живут нефтяники
Большинство вахтовиков работает в закрытых рабочих зонах, которые утеплены настолько, что про мороз на улице можно забыть. Но есть работы и на открытом воздухе: грузовые операции, ремонт и профилактические обходы.
Кроме холода у Крайнего Севера есть еще одна особенность — полярная ночь, когда 40 суток подряд не видно солнца. Из-за постоянной темноты с непривычки можно и потеряться во времени. Но все компенсирует полярный день, который приходит в Арктику в начале июня и длится около месяца. Нефтяники говорят, что постоянно видеть солнце — бесценно. А для крепкого ночного сна на окнах вахтовых общежитий установлены шторы-блэкауты.
Людей со стандартным рабочим графиком иногда пугает продолжительность вахты, которая обычно длится 30 дней, а в условиях пандемии доходила и до 60. Главный плюс такого графика — отпуск между вахтами по длительности совпадает с количеством рабочих дней. Поработал 60 дней — столько же и отдохнешь. Семейные люди считают, что это позволяет посвятить супругам и детям гораздо больше времени, чем при офисной занятости, когда видишь семью только перед сном и уходом на работу.
Распорядок дня всегда примерно одинаковый: подъем в семь утра, планерка, работа по специальности до 8 вечера. Есть и ночные смены — производство непрерывное! Как отдыхать после работы, каждый решает сам. В свободное время нефтяники читают, играют в футбол, баскетбол или теннис в оборудованных спортзалах, ходят в тренажерку, смотрят телевизор и общаются под горячий чай в комнатах отдыха. С родными связываются по телефону или видеосвязи. Интернет, к счастью, на промыслах стабильный.
Меню на месторождениях такое, что, кажется, нефтяников на работу именно едой и заманивают. Кормят разнообразно, а еще устраивают дни национальных кухонь. Местные повара даже придумали фирменный салат «Недра Мессояхи». Каждый слой из рыбы, яиц, риса, лука и картофеля означает определенный пласт: нефти, газа, глины, воды, вечной мерзлоты. Познавательно и вкусно!
А вот в отношении алкоголя альтернативных мнений быть не может. На нефтепромысле нулевая терпимость к горячительным напиткам. У каждого работника проверяют пульс, давление, температуру, дыхание на алкотестере. Человека с признаками алкогольного или наркотического опьянения везут на медицинское освидетельствование, и если оно подтверждается, отправляют домой с последующим увольнением.
На чем ездят и летают нефтяники
Чуть ли не единственный транспорт, с помощью которого можно попасть на месторождение в тундре, — вертолеты. На воздушные перевозки влияет погода, которая часто бывает нелетной. В периоды туманов, плохой видимости, сильных ветров и метелей (мётел, как их здесь называют) нефтяники могут по несколько дней ждать рейса на вахту или домой. Но с мая по ноябрь вертолеты летают практически без выходных, пока не откроется зимник — временная дорога через тундру.
На самом нефтепромысле передвигаться пешком по дорогам запрещено, тротуаров для прогулок не предусмотрено. Зимой по пути от одного объекта к другому можно попросту замерзнуть, особенно если к холоду добавляется метель. Чтобы этого избежать, перемещаться разрешено только на спецтранспорте. А в тундру и вовсе можно выезжать только на ТРЭКОЛе — вездеходе с низким давлением в шинах и минимальным воздействием на чувствительные грунты. Транспортом на месторождениях управляют профессиональные водители. Они доставляют работников от жилого комплекса или административного здания к рабочим местам и обратно.
Как нефтяники общаются с местными
По подсчетам самих нефтяников, на территории Мессояхской группы месторождений живут десятки семей коренных ненцев, и в их личных хозяйствах — больше четырех тысяч оленей. Это говорит о том, что разработка трудных запасов ведется экологично. «Если бы экология была нарушена, ни одного оленя мы бы на Мессояхе не увидели, — рассказывает ведущий специалист по работе с коренным населением «Мессояханефтегаза» Юрий Лапсуй. — Нет экологии — значит, нет ягеля и нет оленей».
С коренными жителями тундры работники месторождения контактируют постоянно: рассказывают, какие объекты будут строить и зачем, советуются насчет расположения нефтяной инфраструктуры. Каждый план перед началом строительства проходит общественные слушания, чтобы его реализация не повлияла на местную экосистему. Если запланированный участок трубопровода пересекает пути миграции оленей, строят специальные оленьи переходы — труба в этом месте напоминает арку высотой до пяти метров. Под ней стада спокойно проходят к местам стойбищ и в период каслания — массового перемещения для рождения потомства. Ненцы говорят, что самки оленей рожают оленят только в тех местах, где когда-то появились на свет сами.
Нефтяники налаживают с местными дружеские отношения. Ненцы знают, что в случае чего с ними поделятся едой и топливом, придут на помощь, если заболеешь, помогут с вертолетом для экстренной доставки рожениц в больницу. К врачам Мессояхи местные жители обращаются не особо часто. Приходят только с болями или травмами, по мелочам не беспокоят.
Случаются и кинематографичные истории спасения. В апреле молодого оленевода, который потерял сознание за рулем снегохода, спас маркшейдер Александр Свиргун. Парень из коренных ехал через тундру вслед за отцом, в пути у него заболела голова, он отключился. Александр с коллегами нашел 17-летнего оленевода на снегу в мороз и отвез в здравпункт Мессояхи. Местный врач Олег Брезицкий осмотрел пациента, поставил предварительный диагноз, дал лекарства и вызвал санборт до Нового Уренгоя. Сейчас пациент чувствует себя хорошо, его уже выписали.
Эту историю описал в своем инстаграме блогер-нефтяник Антон Булковский. Подписывайтесь, чтобы следить за жизнью и работой нефтяников из первых рук!
При чем тут беспилотники
Процесс добычи нефти на месторождениях максимально автоматизирован, а участие работников в самых тяжелых процессах минимизировано. Для этого «Газпром нефть» развивает направление беспилотников, причем не только для разведки, но и для транспортировки грузов и контроля за строительством и готовыми объектами.
Беспилотная техника позволяет снизить риск для здоровья сотрудников и исключить человеческий фактор. Сейчас 60% трубопроводов «Газпром нефти» частично или полностью контролируют с использованием летающих беспилотников. Аппараты управляются дистанционно и оборудованы тепловизорами, фото- и видеокамерами.
За последние полтора года на самом северном нефтепромысле страны испытали сразу несколько типов беспилотников. Один — для доставки грузов по воздуху. Иногда проще и экологичнее отправить небольшой груз с помощью дрона, чем строить дорогу для автомобилей. Завозить на месторождение нужно многое: от строительных материалов до продуктов питания.
Умные аппараты планируют применять не только в воздухе. В начале 2020 года на Восточной Мессояхе испытали беспилотные «КАМАЗы». Беспилотники оснащены камерами и лидарами, данные с которых помогают встроенному искусственному интеллекту ориентировать грузовик на местности, строить маршруты и обходить препятствия. Видео с испытаний можно посмотреть здесь.
Конечно, полностью людей техника не заменит. По крайней мере, не в ближайшем будущем. Разведка, добыча и транспортировка требуют участия живых людей, понимающих суть рабочих процессов. Ведь именно человек поставит задачу, определит план полета, задаст высоту, проанализирует результаты и сделает выводы.
Человеческое отношение на Мессояхе заметно во всем: даже серьезную технику нефтяники умудряются ласково называть женскими именами. Вместо сухих аббревиатур ГПА-1 и ГПА-2 два газоперекачивающих агрегата компрессорной станции носят имена «Лариса» и «Дарья». Сотрудники говорят, что это напоминает им о доме и любимых.
Что такое информационный парадокс черных дыр
Вселенная — удивительное и странное место, наполненное необъяснимыми явлениями. Одно из таких явлений — информационный парадокс черных дыр, — кажется, нарушает основополагающий физический закон.
Горизонт событий черной дыры считается последним рубежом: попав за его пределы, ничто не может покинуть черную дыру, даже свет. Но касается ли это информации как таковой? Будет ли она навсегда утеряна в черной дыре, как и все остальное?
Прежде всего, надо понять, что информационный парадокс черных дыр не связан с тем, как мы привыкли воспринимать информацию. Когда мы думаем о напечатанных в книге словах, количестве битов и байтов в компьютерном файле или конфигурациях и квантовых свойствах составляющих систему частиц, мы думаем об информации как о полном комплекте всего необходимого для воссоздания чего бы то ни было с нуля.
Однако такое традиционное определение информации не является непосредственным физическим свойством, которое можно измерить или вычислить, как, например, это можно сделать с температурой. К счастью для нас, существует физическое свойство, которое мы можем определить как эквивалентное информации, — энтропия. Вместо того чтобы считать энтропию мерой беспорядка, о ней следует размышлять как о «недостающей» информации, необходимой для определения конкретного микросостояния какой-либо системы.
При поглощении массы черной дырой, количество энтропии вещества определено его физическими свойствами. Однако внутри черной дыры значение имеют только такие свойства, как масса, заряд и угловой момент. Для сохранения второго закона термодинамики это представляет серьезную проблему / © NASA/CXC/M.WEISS
Во Вселенной есть определенные правила, которым должна следовать энтропия. Второй закон термодинамики можно назвать самым нерушимым из них: возьмите любую систему, не позволяйте ничему в нее попасть или выйти из нее — и ее энтропия никогда внезапно не уменьшится.
Разбитое яйцо не собирается обратно в скорлупу, теплая вода никогда не разделяется на горячую и холодную части, а пепел никогда не собирается в форму объекта, которым он был до того, как сгорел. Все это было бы примером уменьшающейся энтропии, и, очевидно, ничего такого в природе не происходит само по себе. Энтропия может оставаться одинаковой и увеличиваться при большинстве обстоятельств, но она никогда не может вернуться в более низкое состояние.
Единственный способ искусственно уменьшить энтропию — ввести в систему энергию, тем самым «обманув» второй закон термодинамики, увеличивая внешнюю по отношению к этой системе энтропию на большее значение, чем она уменьшается в этой системе. Уборка в доме — отличный пример. Другими словами, от энтропии невозможно избавиться.
Так что же происходит, когда черная дыра кормится веществом? Давайте представим, что мы бросили книгу в черную дыру. Единственные свойства, которые мы можем приписать черной дыре, довольно прозаичны: масса, заряд и угловой момент. Книга содержит информацию, но, когда вы кидаете ее в черную дыру, она только увеличивает ее массу. Изначально, когда ученые начали изучать эту проблему, считалось, что энтропия черной дыры равна нулю. Но если бы это было так, попадание чего-либо в черную дыру всегда нарушало бы второй закон термодинамики. Что, конечно, невозможно.
Масса черной дыры – единственный определяющий фактор радиуса горизонта событий для невращающейся, изолированной черной дыры. В течение долгого времени считалось, что черные дыры – это статичные объекты в пространстве-времени Вселенной / © SXS Team/Bohn et. al.
Но как вычислить энтропию черной дыры?
Эту идею можно проследить до Джона Уилера, размышлявшего о том, что происходит с объектом при падении в черную дыру с точки зрения наблюдателя вдалеке от горизонта событий. С большого расстояния нам бы казалось, что падающий в черную дыру человек асимптотически приближается к горизонту событий, все больше и больше краснея из-за гравитационного красного смещения и бесконечно долго двигаясь по направлению к горизонту из-за эффекта релятивистского замедления времени. Таким образом, информация от чего-либо, упавшего в черную дыру, осталась бы «зашифрованной» на ее поверхности.
Это элегантно решает проблему и звучит разумно. Когда что-то падает в черную дыру, ее масса увеличивается. При увеличении массы увеличивается и ее радиус, а значит, и площадь поверхности. Чем больше площадь поверхности, тем больше информации можно зашифровать.
Это означает, что энтропия черной дыры вовсе не нулевая, а как раз наоборот — огромная.
Несмотря на то что горизонт событий относительно мал по сравнению с размерами Вселенной, количество пространства, необходимое для записи одного квантового бита, мало, а значит, на поверхности черной дыры можно записать невероятные объемы информации. Энтропия увеличивается, информация сохраняется, а законы термодинамики сохраняются. Можно расходиться, так?
На поверхности черной дыры могут быть закодированы биты информации, пропорциональной площади поверхности горизонта событий / © T.B. Bakker/Dr. J.P. Van Der Scharr/Universiteit Van Amsterdam
Не совсем. Дело в том, что, если черные дыры обладают энтропией, у них должна быть и температура. Как и в случае с любым другим объектом с температурой, от них должно исходить излучение.
Как продемонстрировал Стивен Хокинг, черные дыры испускают излучение в определенном спектре (спектр абсолютно черного тела) и на конкретной температуре, определенной массой черной дыры. Со временем это излучение энергии приводит к потере черной дырой ее массы, согласно известному уравнению Эйнштейна: E=mc^2. Если энергия испускается, она должна откуда-то исходить, а это «где-то» должно быть самой черной дырой. Со временем черная дыра будет терять свою массу быстрее и быстрее и в один момент — в далеком будущем — она полностью испарится в яркой вспышке света.
Но если черная дыра испаряется в излучении абсолютно черного тела, определенном только ее массой, что же происходит со всей информацией и энтропией, записанной на ее горизонте событий? Ведь нельзя просто уничтожить эту информацию?
Это корень информационного парадокса черных дыр. Черная дыра должна обладать высокой энтропией, включающей в себя всю информацию о том, что ее создало. Информация о падающих в нее объектах записывается на поверхности горизонта событий. Но при распаде черной дыры посредством излучения Хокинга горизонт событий исчезает, оставляя за собой только излучение. Это излучение, как предполагают ученые, зависит только от массы черной дыры.
Представим, что у нас есть две книги — об абсолютной бессмыслице и «Граф Монте-Кристо», — содержащие разные объемы информации, но идентичные по массе. Мы кидаем их в идентичные черные дыры, от которых ожидаем получить эквивалентное излучение Хокинга. Для стороннего наблюдателя все выглядит так, будто информация уничтожается, а учитывая то, что мы знаем об энтропии, это невозможно, так как нарушило бы второй закон термодинамики.
Если мы сожжем эти две книги одинакового размера, то вариации молекулярных структур, порядок букв на бумаге и другие мелкие различия содержали бы в себе информацию, при помощи которой мы могли восстановить информацию в книгах. Она может прийти в полный беспорядок, но сама по себе никуда не денется. Тем не менее информационный парадокс черных дыр представляет собой реальную проблему. Как только черная дыра испаряется, от этой изначальной информации не остается ни следа в наблюдаемой Вселенной.
Возможно, решения этого парадокса пока нет и он представляет серьезную проблему для физики. Тем не менее есть два варианта его возможного решения:
1. Информация полностью уничтожается при испарении черной дыры, а значит, с этим процессом связаны новые физические законы.
2. Испускаемое излучение каким-то образом содержит в себе эту информацию, следовательно, излучение Хокинга представляет собой нечто большее, чем известно науке.
Большинство людей, работающих над этой проблемой, считают, что должен существовать некий способ, при помощи которого сохраненная на поверхности черной дыры информация «отпечатывается» в исходящем излучении. Однако никто пока не знает, как именно это происходит. Возможно, информация на поверхности черной дыры вносит квантовые поправки в исключительно тепловое состояние излучения Хокинга? Может быть, но это пока не доказано. На сегодня есть множество гипотетических решений этого парадокса, но ни одно из них еще не было подтверждено.
Информационный парадокс черных дыр не зависит от того, является ли природа квантовой Вселенной детерминистической или недетерминистической, какую квантовую интерпретацию вы предпочитаете, существуют ли скрытые переменные и множества других аспектов природы реальности. И хотя многие предложенные решения включают голографический принцип, пока не известно, играет ли он какую-то роль в итоговом решении парадокса.
Внутри чёрных дыр определённого типа должна существовать «фрактальная вселенная»
Чёрные дыры притягательны не только в буквальном смысле (ещё бы при такой гравитации!), они захватывают воображение фантастов, кинематографистов и, естественно, ученых. Смесь опасности и необъяснимости этих космических объектов порождает огромное множество теорий на их счет. И если вопрос о реальности их существования в наше время уже снят (потому, что снята первая фотография чёрной дыры), то вопросов об их природе и свойствах остается очень много.
В разных теориях чёрные дыры могут оказываться связанными друг с другом через кротовые норы, порождать наши дочерние вселенные, иметь электрический заряд, вращаться или быть стационарными, парить в вакууме или быть плотно окруженными материей.
Поскольку изучение чёрных дыр это процесс, по большей части, чисто теоретический, то и сами теории можно строить практически на любой основе.
Один из самых свежих взглядов на возможную сущность чёрных дыр совсем недавно представил в своем исследовании астрофизик Пол Саттер (Paul Sutter). Его чисто теоретический, основанный на математических расчетах, подход позволяет обосновать тип сверхпроводящих чёрных дыр, которые будучи электрически заряженными, окружены определенным видом пространства, известным как «антидеситтеровское пространство».
Этот тип пространства интересен и сам по себе, потому что предполагает отрицательную геометрическую кривизну, что делает это пространство похожим на седло. Но не менее интересно, что такая совокупность исходных предположений по расчетам Саттера должна приводить к существованию внутри такой чёрной дыры фрактальной вселенной.
Логика Саттера основана на следующем построении. Заряженные чёрные дыры во многом аналогичны вращающимся чёрным дырам, существование которых однозначно доказано. Поэтому изучая заряженные дыры, математика которых даже проще, можно основываться на том, что известно о вращающихся чёрных дырах.
Ученые выяснили, что когда последние становятся относительно холодными, то вокруг них возникает «дымка» квантовых полей. Эта дымка липнет к поверхности чёрной дыры, притягиваемая неумолимой гравитацией, но выталкивается наружу наэлектризованным отталкиванием той же самой чёрной дыры. Такая дымка квантовых полей, постоянно колеблющихся на поверхности чёрной дыры, создает сверхпроводящий слой.
Всю свою последующую математическую модель Саттер на известных свойствах сверхпроводников. Обычно частицы в реальных сверхпроводниках могут колебаться, поддерживая колебания волн взад и вперед, создавая эффект, известный как колебания Джозефсона. А глубоко внутри этих чёрных дыр само пространство колеблется взад и вперед, что позволяет строить самые фантастические предположения относительно их внутренней природы.
Кроме того, в зависимости от температуры чёрной дыры, некоторые из этих областей пространства могут вызвать новый цикл вибраций, которые затем создают новый участок расширяющегося пространства, который в свою очередь запускает новый цикл вибраций, которые затем создают новый участок расширения пространства, и так далее, и так далее во все меньших масштабах.
Это сформировало бы миниатюрную фрактальную вселенную, бесконечно повторяющуюся от большей до меньшей. Совершенно невозможно представить, как бы выглядело путешествие через такое пространство, но это определенно было бы необычно.
В центре этого причудливого фрактального хаотического беспорядка должна находиться сингулярность: точка с бесконечной плотностью, место, где находится всё, что составляло материю, когда-то упавшую в черную дыру.
К сожалению, даже используя свои математические методы сверхзаряженной сверхпроводимости, исследователи не могут описать, что происходит в сингулярности. Вся известная физика рушится, и для ее полного описания требуются новые теории гравитации.
Никто не знает, что может обнаружиться в центре сверхпроводящей чёрной дыры. Но, учитывая как обычный, не связанный с наукой зритель, залипает на видах фракталов, большинству путешествие к такому центру понравилось бы.
Смотрите также анонсы новых тем на нашем ютуб-канале