Существуют ли черные дыры на самом деле. Черная дыра

На днях ученый из США выступил с сенсационным заявлением о том, что «черных дыр» в природе не существует. К такому выводу американский физик пришел, после того, как соединил между собой две противоречивые теории на этот счет. Однако данная гипотеза вполне логично объясняет возникающее несоответствие между квантовой механикой и теорией относительности Эйнштейна.

Стоит отметить: более пятидесяти лет ученые считали, что материя под действием собственной гравитации при коллапсе звезды сжимается, образуя в итоге сингулярность, которая становится ядром черной дыры и способна уничтожить любую материю. Причем главной особенностью черный дыры является горизонт событий, своего рода граница за которую не может выйти даже свет.

На сегодняшний день большинство астрофизиков и любителей фантастики не сомневаются в существовании черных дыр, которые также неоднократно упоминаются в различных кинофильмах. Существуют даже косвенные доказательства существования черных дыр. В частности, считается, что в центре нашей галактики также располагается огромная черная дыра.

Между тем довольно часто в ходе объяснения происхождения и функционирования черных дыр возникают некоторые трудности. В частности, теория гравитации Эйнштейна подтверждает образование сингулярности, но согласно фундаментальным основам квантовой теории, во Вселенной никакая информация не может исчезнуть. Поэтому объединение двух этих теорий неизменной приводит к так называемому парадоксу потери информации.

Еще в 1974 году ученый Стивен Хокинг попробовал объяснить парадокс, используя квантовую механику. Он предположил, что несоответствие вполне можно объяснить существованием гипотетического излучения черной дыры. Данное излучение, которое назвали хокинговым, представляет собой поток виртуальных элементарных частиц. В результате воздействия квантовых эффектов они испаряются с поверхности черной дыры. Получается, что если сингулярность не будет поглощать энергию, то постепенно она «испарится», выбросив в итоге часть хаотичной информации. В какой-то мере это будет способствовать разрешению парадоксов.

Однако данная теория также порождает большое количество несоответствий. Тогда два года назад была выведена новая теорию, согласно которой в образовании квантовых эффектов виновата так называемая «стена огня» черной дыры, которая возникает позади невидимого события и мгновенно уничтожает любую материю. Данная теория вызвала огромный интерес в научном мире и в какой-то степени способствовала образованию ряда других гипотез. В частности, согласно гипотезе Хуана Малдасены наша Вселенная представляет собой проекцию информации на плоскость.

Другую теорию предложила профессор физики Лаура Мерсини-Хоутон. Она согласна с тем, что под действием гравитации звезда производит излучение Хокинга при коллапсировании. Однако, по расчетам эксперта звезда при этом также лишается массы. Поэтому она не сможет сжаться в сингулярность и образовать новую черную дыру. То есть, вместо того, чтобы умирающая звезда должна сформировать черную дыру, она взрывается.
Получается, что она не образует парадокс событий и другие, связанные с этим несоответствия. Таким образом,можно сказать, что черных дыр на самом деле не существует.

Таким образом, можно сказать, что гипотеза Мерсини-Хоутон порождает не меньше вопросов, чем гипотезы других ученых. Также ошибочными признаются теории о том, что наша Вселенная возникла из сингулярности, которая во время большого взрыва неожиданно начала расширяться. По мнению Мерсини-Хоутон, это не могло произойти, так как никакой сингулярности не было.

No related links found

Космический телескоп Хаббл, возможно, впервые, позволил получить четкое доказательство существования черных дыр. Он наблюдал исчезновение вещества, падающего в зону действия черной дыры, за так называемый "горизонт событий".

Наблюдаемые слабые световые импульсы потоков горячего газа в ультрафиолетовом спектре обесцвечивались и затем исчезали, образовывая завихрение вокруг массивного, компактного объекта по имени Cygnus XR-1. Этот механизм падения, похожий, к примеру, на падение воды на краю водопада, соответствует четкой аналогии теоретических расчетов падения вещества в черную дыру.

Горизонт событий - это область пространства, окружающая черную дыру, попав в которую, вещество уже никогда не сможет покинуть эту область и провалится в черную дыру. Свет еще может преодолеть огромную силу гравитации и послать последние потоки от пропадающего вещества, но только в течение небольшого промежутка времени, пока падающее вещество не попадет в так называемую зону сингулярности, за которую уже не может выйти даже свет.

Согласно общеизвестным теориям никакой другой астрономический объект, кроме черной дыры не может обладать зоной горизонта событий.

Черные дыры были выявлены путем наблюдения картин по засасыванию (перетеканию) в них масс звездного газа. Оценивая, сколько массы переходит в крошечную область пространства, можно определить, сколько черная дыра занимает места и ее массу.

Никто до сих пор никогда не видел, чтобы вещество уже попавшее в зону горизонта событий, падало в черную дыру. Обычно наблюдалась картина простого перетекания вещества из соседней с черной дырой звездой. При этом, черная дыра была полностью сферически окутана массой перетекающего газа и сама напоминала по внешнему виду небольшую звезду, но излучающую свет в спектре, близком к ультрафиолетовому или в нейтронах.

Этот секрет был скрыт от общественности довольно долго. Ученые занимались дотошным анализом и проверкой этих данных.

Сам Хаббл, конечно, не видел зоны горизонта событий - это слишком малая область пространства на таком расстоянии, чтобы ее можно было бы оценить. Хаббл измерил хаотические флуктуации в ультрафиолетовом свете кипящего газа, пойманного в зоне гравитационного воздействия черной дыры. Хаббл поймал уникальные моменты "затухающей последовательности импульсов", которые очень быстро ослабевали.

Этот механизм соответствует общепринятой теории, предсказанной учеными: когда вещество падает близко в зоне горизонта событий, свет от него быстро тускнеет, поскольку, чем ближе к центру черной дыры, тем сильнее сила гравитации и тем более длинными становятся волны, постепенно переходя от ультрафиолетового спектра к нейтронному, а затем и вовсе исчезают. Этот эффект носит название "красного смещения".

Наблюдаемый фрагмент падающего вещества исчез с поля зрения телескопа Хаббла прежде, чем он фактически достиг горизонта событий. Быстродействующий фотометр Хаббла отбираемый световые импульсы со скоростью 100000 измерений в секунду. Ультрафиолетовая разрешающая способность Хаббла позволила видеть слабое мерцание падающего вещества в пределах 1000 миль от горизонта событий.

Динамические модели предсказывали и раньше, что Cygnus XR-1"s относится к черной дыре. Газ не может непосредственно падать в нее, как в канаву, но образовывает завихрение в виде сглаженного спирального диска.

Черные дыры являются одними из самых удивительных и в то же время пугающих объектов нашей Вселенной. Возникают они в тот момент, когда в звездах, имеющих огромную массу, заканчивается ядерное топливо. Ядерные реакции прекращаются и светила начинают остывать. Тело звезды сжимается под действием гравитации и постепенно она начинает притягивать к себе более мелкие объекты, трансформируясь в черную дыру.

Первые исследования

Изучать черные дыры светила науки начали не так давно, несмотря на то что основные концепции их существования были разработаны еще в прошлом столетии. Само понятие «черной дыры» было введено в 1967 году Дж. Уиллером, хотя вывод о том, что эти объекты неизбежно возникают при коллапсе массивных звезд, был сделан еще в 30-х годах прошлого столетия. Все, что внутри черной дыры - астероиды, свет, поглощенные ею кометы, - когда-то приблизилось слишком близко к границам этого загадочного объекта и не сумело их покинуть.

Границы черных дыр

Первая из границ черной дыры называется пределом статичности. Это граница области, попадая в которую посторонний объект уже не может находиться в состоянии покоя и начинает вращаться относительно черной дыры, чтобы удержаться от падения в нее. Вторая граница зовется горизонтом событий. Все, что внутри черной дыры, когда-то проходило ее внешнюю границу и двигалось по направлению к точке сингулярности. По мнению ученых, здесь вещество вливается в эту центральную точку, плотность которой стремится к значению бесконечности. Люди не могут знать, какие законы физики действуют внутри объектов с такой плотностью, и поэтому описать характеристики этого места невозможно. В буквальном смысле слова оно является «черной дырой» (или, быть может, «пробелом») в знаниях человечества об окружающем мире.

Строение черных дыр

Горизонтом событий называется неприступная граница черной дыры. Внутри этой границы находится зона, которую не могут покинуть даже объекты, скорость движения которых равна скорости света. Даже кванты самого света не могут покинуть горизонт событий. Находясь в этой точке, никакой предмет уже не может вырваться из черной дыры. О том, что внутри черной дыры, мы не можем узнать по определению - ведь в ее глубинах находится так называемая точка сингулярности, которая формируется за счет предельного сжатия вещества. Когда объект попадает внутрь горизонта событий, с этого момента он никогда не сможет вырваться снова из нее и стать видимым для наблюдателей. С другой стороны, те, кто находятся внутри черных дыр, не могут видеть ничего из происходящего снаружи.

Размер горизонта событий, окружающего этот загадочный космический объект, всегда прямо пропорционален массе самой дыры. Если ее масса будет удвоена, то вдвое больше станет и внешняя граница. Если бы ученые смогли найти способ, позволяющий превратить Землю в черную дыру, то размер горизонта событий составлял бы всего лишь 2 см в поперечном разрезе.

Основные категории

Как правило, масса среднестатистических черных дыр приблизительно равна трем солнечным массам и более. Из двух видов черных дыр выделяют звездные, а также сверхмассивные. Их масса превосходит массу Солнца в несколько сотен тысяч раз. Звездные образуются после смерти больших небесных светил. Черные дыры обычной массы появляются после завершения жизненного цикла больших звезд. Оба вида черных дыр, несмотря на различное происхождение, имеют сходные свойства. Сверхмассивные черные дыры расположены в центрах галактик. Ученые предполагают, что они сформировались во времена образования галактик за счет слияния плотно прилежащих друг к другу звезд. Однако это только догадки, не подтвержденные фактами.

Что внутри черной дыры: догадки

Некоторые из математиков считают, что внутри этих загадочных объектов Вселенной находятся так называемые червоточины - переходы в другие Вселенные. Иными словами, в точке сингулярности расположен пространственно-временной туннель. Эта концепция послужила для многих писателей и режиссеров. Однако подавляющее большинство астрономов считают, что никаких туннелей между Вселенными не существует. Однако даже если бы они действительно были, у человека нет никаких способов узнать, что находится внутри черной дыры.

Существует и другая концепция, согласно которой в противоположном конце такого туннеля находится белая дыра, откуда из нашей Вселенной в другой мир через черные дыры поступает гигантское количество энергии. Однако на данном этапе развития науки и техники о путешествиях подобного рода не может быть и речи.

Связь с теорией относительности

Черные дыры являются одним из самых удивительных предсказаний А. Эйнштейна. Известно, что сила тяготения, которая создается на поверхности любой планеты, обратно пропорциональна квадрату ее радиуса и прямо пропорциональна ее массе. Для этого небесного тела можно определить понятие второй космической скорости, которая необходима, чтобы преодолеть эту силу тяготения. Для Земли она равна 11 км/сек. Если же масса небесного тела будет увеличиваться, а диаметр - наоборот, уменьшаться, то вторая космическая скорость со временем может превысить скорость света. И поскольку, согласно теории относительности, никакой объект не может двигаться быстрее скорости света, то образуется объект, не дающий ничему вырваться за его пределы.

В 1963 году учеными были обнаружены квазары - космические объекты, являющиеся гигантскими источниками радиоизлучения. Располагаются они очень далеко от нашей галактики - их удаленность составляет миллиарды световых лет от Земли. Чтобы объяснить чрезвычайно высокую активность квазаров, ученые ввели гипотезу о том, что внутри них располагаются черные дыры. Эта точка зрения сейчас является общепринятой в научных кругах. Исследования, которые проводились в течение последних 50 лет, не только подтвердили данную гипотезу, но и привели ученых к выводу о том, что черные дыры есть в центре каждой галактики. В центре нашей галактики также есть такой объект, его масса составляет 4 миллиона солнечных масс. Эта черная дыра носит название «Стрелец А», и поскольку она расположена ближе всего к нам, ее больше всего исследуют астрономы.

Излучение Хокинга

Этот тип излучения, открытый известным физиком Стивеном Хокингом, значительно усложняет жизнь современным ученым - ведь из-за этого открытия в теории черных дыр появилось немало трудностей. В классической физике существует понятие вакуума. Этим словом обозначается полная пустота и отсутствие материи. Однако с развитием квантовой физики понятие вакуума было видоизменено. Ученые выяснили, что он заполнен так называемыми виртуальными частицами - под воздействием сильного поля они могут превратиться в реальные. В 1974 году Хокинг выяснил, что подобные превращения могут происходить в сильном гравитационном поле черной дыры - возле ее внешней границы, горизонта событий. Такое рождение является парным - появляется частица и античастица. Как правило, античастица обречена на падение в черную дыру, а частица улетает. В результате ученые наблюдают некоторое излучение вокруг этих космических объектов. Оно и получило название излучения Хокинга.

В ходе этого излучения то вещество, что внутри черной дыры, медленно испаряется. Дыра теряет массу, при этом интенсивность излучения обратно пропорциональна величине квадрата ее массы. Интенсивность излучения Хокинга ничтожно мала по космическим меркам. Если предположить, что существует дыра массой в 10 солнц, и на нее не попадает ни свет, ни какие-либо материальные объекты, то даже в этом случае время ее распада будет чудовищно велико. Жизнь такой дыры будет превосходить все время существования нашей Вселенной на 65 порядков.

Вопрос о сохранении информации

Одной из основных проблем, которая появилась после открытия излучения Хокинга, является проблема потери информации. Связана она с вопросом, кажущимся на первый взгляд очень простым: что произойдет, когда черная дыра испарится полностью? Обе теории - как квантовая физика, так и классическая - имеют дело с описанием состояния системы. Обладая информацией о начальном состоянии системы, при помощи теории можно описать, каким образом она будет меняться.

При этом в процессе эволюции информация о начальном состоянии не теряется - действует своего рода закон о сохранении информации. Но если черная дыра испарится полностью, то наблюдатель теряет информацию о той части физического мира, который когда-то попал в дыру. Стивен Хокинг считал, что информация о начальном состоянии системы каким-то образом восстанавливается после того, как черная дыра испарилась полностью. Но трудность состоит в том, что по определению из черной дыры передача информации невозможна - ничто не может покинуть горизонт событий.

Что будет, если попадешь в черную дыру?

Считается, что если бы каким-либо невероятным способом человек мог попасть на поверхность черной дыры, то она сразу стала бы его затягивать в направлении себя. В конечном счете человек бы растянулся настолько, что превратился бы в поток субатомных частиц, движущихся по направлению к точке сингулярности. Доказать эту гипотезу, конечо же, невозможно, ведь ученые вряд ли когда-нибудь смогут узнать, что происходит внутри черных дыр. Сейчас некоторые физики заявляют, что если бы человек попал в черную дыру, то у него появился бы клон. Первая из его версий сразу же была бы уничтожена потоком раскаленных частиц излучения Хокинга, а вторая бы прошла через горизонт событий без возможности вернуться назад.

Впервые термин «Черная дыра» был использован в 1967 году Джоном А. Уилером. Так называют область в пространстве и времени с настолько большой гравитацией, что покинуть ее пределы не могут даже кванты света. Размер определяют гравитационным радиусом, а границу действия называют горизонтом событий.

Черная дыра в представлении художника

В идеале черная дыра, при условии ее изоляции – это абсолютно черный участок пространства. Как выглядит черная дыра на самом деле, пока не знает никто, известно лишь, что она не оправдывает своего названия, так как она абсолютно невидима. По мнению ученых астрономов, определить ее наличие можно только по свечению в районе горизонта событий. Это происходит по двум причинам:

1. В нее попадают частицы вещества, скорость которых по мере приближения к точке невозврата, понижается. Они создают картинку диффузного газопылевого облака, с увеличивающейся внутри плотностью.
2. Кванты света, проходя рядом с черной дырой, изменяют свою траекторию. Это искажение иногда настолько велико, что свет несколько раз огибает ее, прежде чем попасть внутрь. Так образуется световое кольцо.

По предположениям астрономов, всепоглощающая звезда вовсе не бесформенна, а похожа на полумесяц. Это происходит потому, что сторона, обращенная к наблюдателю, по особым космическим причинам, всегда ярче другой стороны. Темный круг, находящийся в центре полумесяца и есть черная дыра.

Возникновение

Существует два сценария возникновения: сильное сжатие массивной звезды, сжатие центра галактики или ее газа. Есть также гипотезы, что они сформировались после Большого Взрыва или возникли в результате возникновения огромного количества энергии в ядерной реакции.

Виды

Джет в галактике M87 — проявление активности сверхмассивной черной дыры в ядре галактики

Различают несколько основных видов: Сверхмассивные – очень разросшиеся, часто находятся в центре галактик; Первичные – предполагается, что они могли появиться при больших отклонениях в однородности гравитационного поля и плотности при появлении Вселенной; Квантовые – гипотетически возникают при ядерных реакциях и имеют микроскопические размеры.

Жизнь черной дыры не вечна

По предположению С. Хокинга она ограничена примерно 10 в 60 степени годами. Дыра постепенно «худеет» и оставляет после себя только элементарные частицы.

Есть предположение, что существует и антипод – белая дыра. Если в первую все входит и не выходит, то во вторую попасть невозможно – она только выпускает. Согласно этой теории, белая дыра возникает на короткое время и распадается, выплеснув энергию и вещество. Вполне серьезные ученые полагают, что таким образом создается некоторый тоннель, с помощью которого можно перемещаться на колоссальные расстояния.

Научно-популярный фильм о черных дырах

Но сегодня мало кто из учёных сомневается в их существовании. Сверхплотные объекты с почти абсолютной массой и гравитацией являются конечным продуктом эволюции гигантских звёзд, они искривляют пространство и время и не позволяют , даже свету.

Тем не менее, Лаура Мерсини-Хоутон (Laura Mersini-Houghton), профессор физики из Северного Калифорнийского университета, доказала математически, что чёрных дыр вообще может не быть в природе. В связи со своими выводами исследовательница не предлагает пересматривать современные представления о пространстве-времени, но считает, что в теориях о происхождении Вселенной учёные что-то упускают.

"Я до сих пор шокирована. На протяжении полувека мы изучаем явление чёрных дыр, и эти гигантские объёмы информации вкупе с нашими новыми выводами дают нам пищу для серьёзного размышления", — признаётся Мерсини-Хоутон в пресс-релизе .

Общепринятая теория гласит, что чёрные дыры образуются, когда массивная звезда коллапсирует под действием собственной гравитации к одной точке пространства. Так рождается сингулярность , бесконечно плотная точка. Её окружает так называемый горизонт событий, условная черта, которую всё то, что когда-либо пересекало, более никогда не возвращалось обратно в открытый космос, настолько сильным оказывалось притяжение чёрной дыры.

Причина необычности таких объектов заключается в том, что природу чёрных дыр описывают противоречащие друг другу физические теории — релятивизм и квантовая механика. Теория гравитации Эйнштейна предсказывает формирование чёрных дыр, но фундаментальный закон квантовой теории гласит, что никакая информация из Вселенной не может исчезнуть навсегда, а чёрные дыры, согласно Эйнштейну, частицы (и информация о них) исчезают для остальной части Вселенной за горизонтом событий навсегда.

Попытки объединить эти теории и прийти к единому описанию чёрных дыр во Вселенной закончились тем, что возник математический феномен — парадокс потери информации .

В 1974 году известнейший космолог Стивен Хокинг (Stephen Hawking) использовал законы квантовой механики, чтобы доказать, что за горизонт событий всё же могут выходить частицы. Этот гипотетический поток "удачливых" фотонов получил название излучении Хокинга . С тех пор астрофизики обнаружили несколько довольно точных свидетельств существования такого излучения.

(иллюстрация NASA/JPL-Caltech).

Но теперь Мерсини-Хоутон описывает совершенно новый сценарий эволюции Вселенной. Она соглашается с Хокингом в том, что звезда коллапсирует под действием собственной гравитации, после чего испускает потоки частиц. Тем не менее, в своей новой работе Мерсини-Хоутон показывает, что, испуская это излучение, звезда также теряет свою массу и делает это с такой скоростью, что при сжатии она не может обрести плотность чёрной дыры.

В своей статье исследовательница утверждает, что сингулярность не может сформироваться и, как следствие, . С документами ( , ), опровергающими существование чёрных дыр, можно ознакомиться на сайте препринтов ArXiv.org.

Поскольку считается, что наша Вселенная сама , то вопрос о верности теории Большого Взрыва также ставится под сомнение в связи с новыми выводами. Мерсини-Хоутон утверждает, что в её расчётах квантовая физика и релятивизм идут рука об руку, как и всегда мечтали учёные, и потому именно её сценарий может оказаться достоверным.