Crne rupe ne postoje. Nema crnih rupa i ne može ih biti? Hawking je poništio vatreni zid

MOSKVA, 24. januara – RIA Novosti. Britanski teorijski fizičar Stephen Hawking, jedan od osnivača moderne teorije crnih rupa, predlaže da se preispita jedna od glavnih odredbi ove teorije - postojanje "horizonta događaja" crne rupe, zbog kojeg ni materija ni energija može se vratiti u vanjski svijet; ovaj "zatvor" je samo privremen, što znači da crne rupe u uobičajenom smislu ne postoje, piše fizičar u članku objavljenom u elektronskoj biblioteci Univerziteta Cornell.

„U klasičnoj teoriji ne postoji način da se ostavi crna rupa<…>(Kvantna teorija) međutim dozvoljava energiji i informacijama da 'pobjegnu' iz crne rupe", rekao je Hawking, citiran na web stranici časopisa Nature.

Jedno od glavnih svojstava crnih rupa - kako "običnih" koje nastaju tokom gravitacionog kolapsa u kasnoj fazi evolucije masivnih zvijezda, tako i onih supermasivnih u centrima galaksija - je prisustvo horizonta događaja ili Schwarzschildove sfere, granica iza koje gravitacija crne rupe postaje toliko jaka da odatle možete pobjeći samo prekoračenjem brzine svjetlosti. Budući da je brzina svjetlosti najveća brzina, onda, prema preovlađujućim idejama, ništa ne može ostaviti crnu rupu.

Prema Ajnštajnovoj teoriji, astronaut koji leti kroz horizont događaja neće ništa osetiti – tek kasnije, kako se približi centru crne rupe i gravitacioni gradijent se povećava (razlika u sili gravitacije u različitim tačkama), njegovo telo će rastegnuti dok se ne pretvori u "špagete" i pasti u singularnost u centru.

Američki fizičar Joseph Polchinski je 2012. godine, na osnovu kvantne teorije, došao do zaključka da bi se na horizontu događaja trebao pojaviti "vatreni zid" čestica visoke energije i tokova zračenja. Međutim, to je bilo u suprotnosti sa Ajnštajnovim idejama. Hawking je predložio da se ovaj paradoks riješi „uklanjanjem“ horizonta događaja.

Prema njegovim pretpostavkama, kvantni efekti u blizini crne rupe toliko iskrivljuju prostor-vrijeme da jasna granica horizonta događaja jednostavno ne može postojati. Prema Hawkingu, postoji "prividni horizont" - površina na kojoj se zračenje koje izlazi iz centra crne rupe samo odlaže. Za razliku od klasičnog horizonta događaja, "prividni" može u jednom trenutku nestati, a ono što je bilo u crnoj rupi može izaći.

"Odsustvo horizonta događaja znači da ne postoje crne rupe kao objekti iz kojih zračenje nikada ne može pobjeći", piše Hawking.

Sam naučnik nije opisao razloge zbog kojih bi prividni horizont mogao nestati, ali Don Page sa kanadskog univerziteta Alberta vjeruje da se to može dogoditi kada crna rupa postane toliko mala zbog Hawkingovog zračenja da gravitacijski i kvantni efekti postanu nerazlučni.

Nemaju jasan horizont događaja. Ovu izjavu dao je niko drugi nego Stephen Hawking (Stephen Hawking); pa šta to znači da više nema crnih rupa? Zavisi od toga da li je Hokingova nova ideja tačna i šta podrazumevate pod crnom rupom. Izjava se zasniva na Hawkingov novi list, u kojem tvrdi da horizont događaja crne rupe ne postoji.

Horizont događaja je u suštini tačka bez povratka dok se približavate crnoj rupi. U Ajnštajnovoj opštoj teoriji relativnosti, horizont događaja je mesto gde su prostor i vreme toliko iskrivljeni gravitacijom (gravitacijom, univerzalnom gravitacijom) da nikada ne možete pobeći. Pređite horizont događaja i možete se kretati samo naprijed, ne nazad. Problem sa "jednosmjernim" horizontom događaja je u tome što on vodi do onoga što je poznato kao paradoks informacija.

Profesore Stephen Hawking tokom leta u nultoj gravitaciji. Obezbeđuje: Zero G.

Informacijski paradoks ima svoje porijeklo u termodinamici, odnosno drugom zakonu termodinamike. U svom najjednostavnijem obliku, može se reći kao "toplota teče od vrućih predmeta do hladnih objekata". Ali ovaj zakon je korisniji kada se izrazi u terminima entropije. Na ovaj način se formuliše kao "entropija sistema nikada ne može da se smanji." Mnogi ljudi tumače entropiju kao meru poremećaja sistema, ili "neupotrebljivog" dela sistema. Što bi značilo da bi sve uvijek trebalo vremenom postati manje korisno. Ali entropija je zapravo nivo informacija koji su vam potrebni da opišete sistem. Naređeni sistem (da tako kažem, kuglice ravnomjerno raspoređene u mreži) je lako opisati jer objekti imaju jednostavne veze jedni s drugima. S druge strane, nesređeni sistem (kuglice razbacane nasumično) zahtijeva više informacija za opisivanje jer za njih ne postoji jednostavan obrazac (model). Dakle, kada drugi zakon kaže da se entropija nikada ne može smanjiti, to znači da fizičke informacije sistem se ne može smanjiti. Drugim riječima, informacije se ne mogu uništiti.

Problem sa horizontom događaja je u tome što možete baciti objekat (sa visokom entropijom) u crnu rupu, a entropija bi jednostavno "otišla" ("otišla na nulu"). Drugim riječima, entropija svemira bi postala manja, što je u suprotnosti s drugim zakonom termodinamike. Naravno, ne uzima u obzir kvantne interakcije, odnosno ono što je poznato kao zračenje Hawking, koji Stephen Hawking prvi put predložen 1974.

Originalna ideja radijacije Hawking proizilazi iz principa neizvjesnosti Heisenberg kvantna fizika. U kvantnoj fizici (kvantnoj teoriji) postoje ograničenja onoga što se može znati o objektu. Na primjer, ne možete znati tačnu energiju objekta. Zbog ove nesigurnosti, energija sistema može spontano toliko fluktuirati da u prosjeku ostane konstantna. Hawking pokazao da se parovi čestica mogu pojaviti u blizini horizonta događaja, gdje jedna čestica ostaje zarobljena unutar horizonta događaja (blago smanjujući masu crne rupe), dok druga može "pobjeći" kao zračenje (odnoseći dio energije crne rupe).

Radijacija Hawking blizu horizonta događaja. Kredit: NAU

Budući da se ove kvantne čestice pojavljuju u parovima, one su "upletene" (kvantno vezane). Nije bitno sve dok ne želite zračenje Hawking emitovane informacije sadržane unutar crne rupe. U originalnoj formulaciji Hawking, čestice su se pojavljivale nasumično, tako da je zračenje koje emituje crna rupa bilo čisto nasumično. Dakle, zračenje Hawking neće vam dozvoliti da vratite bilo kakve snimljene informacije.

Da dozvolimo zračenje Hawking Iznesena informacija iz crne rupe, zamršena veza između parova čestica mora biti prekinuta na horizontu događaja, kako bi se čestica koja bježi umjesto toga mogla zapetljati sa materijom koja nosi informacije unutar crne rupe. Ovo narušavanje početnog uplitanja uzrokovalo bi da čestice izgledaju kao jak zaštitni zid na površini horizonta događaja. To bi značilo da sve što padne u crnu rupu ne proizvodi to u crnoj rupi. Umjesto toga, materija bi isparila radijacijom Hawking kada dosegne horizont događaja. Tada bi se činilo da se ili fizičke informacije objekta izgube kada padne u crnu rupu (informacijski paradoks) ili da se objekti ispare prije ulaska u crnu rupu (paradoks zaštitnog zida).

U ovom novom članku Hawking nudi drugačiji pristup. On tvrdi da su umjesto gravitacije, koja savija prostor i vrijeme u horizontu događaja, bolje kvantne fluktuacije zračenja Hawking stvoriti sloj turbulencije u ovoj oblasti. Dakle, umjesto jasnog horizonta događaja, crna rupa bi imala vidljiv horizont, koji izgleda kao horizont događaja, ali omogućava curenje informacija. Hawking navodi da bi turbulencija bila tolika da bi informacije koje izlaze iz crne rupe bile toliko zbrkane da se ne bi mogle rekonstruisati.

Ako Stephen Hawking je u pravu, onda bi ovo riješilo paradoks informacija/zaštitnog zida koji muči teorijsku fiziku. Crne rupe bi i dalje postojale u astrofizici (ona u centru naše galaksije je tu da ostane), ali bi izgubile horizont događaja. Treba naglasiti da članak nije recenziran i da nedostaje malo detalja. Ovo je više prezentacija ideje, a ne detaljno rješenje paradoksa. Biće potrebna dalja istraživanja kako bi se utvrdilo da li je ova ideja rešenje koje tražimo.

Ali danas malo naučnika sumnja u njihovo postojanje. Supergusti objekti sa gotovo apsolutnom masom i gravitacijom su krajnji proizvod evolucije gigantskih zvijezda, savijaju prostor i vrijeme i ne dopuštaju čak ni svjetlost.

Međutim, Laura Mersini-Houghton, profesorica fizike na Univerzitetu Sjeverne Kalifornije, matematički je pokazala da crne rupe možda uopće ne postoje u prirodi. U vezi sa svojim zaključcima, istraživačica ne predlaže reviziju modernih ideja o prostor-vremenu, ali vjeruje da naučnicima nešto nedostaje u teorijama o nastanku Univerzuma.

„Još sam šokiran pola vijeka proučavali smo fenomen crnih rupa, a ove ogromne količine informacija, zajedno s našim novim otkrićima, daju nam povoda za ozbiljno razmišljanje“, priznaje Mersini-Houghton u novinama. pustiti.

Općeprihvaćena teorija je da crne rupe nastaju kada se masivna zvijezda sruši pod vlastitom gravitacijom prema jednoj tački u svemiru. Tako se rađa singularnost, beskonačno gusta tačka. Okružen je takozvanim horizontom događaja, konvencionalnom linijom kroz koju se sve što je ikada prešlo nikada se ne vraća u svemir, toliko je snažna privlačnost crne rupe.

Teorije o crnim rupama i porijeklu svemira sada su pod sumnjom

Razlog neobičnosti ovakvih objekata je taj što prirodu crnih rupa opisuju kontradiktorne fizičke teorije - relativizam i kvantna mehanika. Ajnštajnova teorija gravitacije predviđa nastanak crnih rupa, ali osnovni zakon kvantne teorije kaže da nijedna informacija iz Univerzuma ne može zauvek nestati, a crne rupe, prema Einsteinu, čestice (i informacije o njima) nestaju u ostatku Univerzum zauvek iza horizonta događaja.

Pokušaji kombinovanja ovih teorija i dolaženja do jedinstvenog opisa crnih rupa u svemiru završili su se pojavom matematičkog fenomena - paradoksa gubitka informacija.

Godine 1974. poznati kosmolog Stephen Hawking koristio je zakone kvantne mehanike da dokaže da čestice još uvijek mogu pobjeći iz horizonta događaja. Ovaj hipotetički tok "sretnih" fotona naziva se Hawkingovo zračenje. Od tada, astrofizičari su otkrili neke prilično definitivne dokaze za postojanje takvog zračenja.

Nestanak informacija u crnoj rupi je paradoksalan i nemoguć sa stanovišta kvantne mehanike

(Ilustracija NASA/JPL-Caltech).

Ali sada Mersini-Houghton opisuje potpuno novi scenario za evoluciju Univerzuma. Ona se slaže s Hawkingom da se zvijezda urušava pod vlastitom gravitacijom, nakon čega emituje tokove čestica. Međutim, u svom novom radu Mersini-Houghton pokazuje da emitujući ovo zračenje, zvijezda također gubi svoju masu i to tolikom brzinom da ne može postići gustinu crne rupe kada se sruši.

U svom članku, istraživačica tvrdi da se singularnost ne može formirati i, kao posljedica toga, . Dokumenti (,) koji opovrgavaju postojanje crnih rupa mogu se naći na web stranici preprinta ArXiv.org.

Budući da se vjeruje da je naš Univerzum sam po sebi, pitanje valjanosti teorije Velikog praska također se dovodi u pitanje u vezi s novim saznanjima. Mersini-Houghton tvrdi da u njenim proračunima kvantna fizika i relativizam idu ruku pod ruku, o čemu su naučnici oduvijek sanjali, pa se stoga njen scenario može pokazati pouzdanim.

Crne rupe, barem ne ono što smo mislili da jesu

Crne rupe ne postoje - barem ne u konvencionalnom smislu, kaže poznati fizičar Stephen Hawking, gurajući nas da preispitamo jedan od najmisterioznijih fenomena u kosmosu, prenosi National Geographic.

Hawkingovo novo istraživanje također sugerira da crne rupe nemaju "vatreni zid" - destruktivno polje radijacije za koje neki naučnici teoretiziraju sagorijeva sve što prođe kroz njih.

Prema tradicionalnom shvaćanju crnih rupa, njihove gravitacijske sile su toliko ogromne da im ništa ne može pobjeći - čak ni svjetlost, zbog čega se nazivaju crnim rupama. Granica iza koje se pretpostavlja da nema povratka poznata je kao "horizont događaja".

U uobičajenom shvaćanju, sve informacije koje prolaze kroz horizont događaja crne rupe nestaju. S druge strane, prema kvantnoj fizici, koja najbolje objašnjava sve što se dešava u Univerzumu na nivou elementarnih čestica, informacija ne može nestati u nigdje; ova neslaganja dovela je do fundamentalnog sukoba teorija.

Ne postoji horizont događaja

Hawking trenutno predlaže sljedeće rješenje paradoksa: crne rupe nemaju horizont događaja i stoga ne uništavaju informacije.

“Odsustvo horizonta događaja znači da crne rupe ne postoje – barem ne kao fenomeni kojima svjetlost ne može pobjeći”, piše Hawking u svom radu.

Hawking je predložio da crne rupe imaju "vidljivi horizont događaja" koji samo privremeno zadržava materiju i energiju, koja se na kraju ponovo pojavljuje kao zračenje. Ovo zračenje ima originalne informacije o svemu što pada u crne rupe, iako u potpuno drugačijem obliku. Budući da su informacije koje izlaze šifrirane, piše Hawking, ne postoji praktičan način da se rekonstruiše sve što ulazi u crnu rupu na osnovu onoga što iz nje izlazi. Šifriranje se događa jer je vidljivi horizont događaja sam po sebi haotičan.

"Ne možemo rekonstruisati objekte koji padaju u crne rupe u njihovom originalnom obliku na osnovu informacija koje izlaze", piše Hawking.

Hawking je poništio vatreni zid

Pretpostavke naučnika da ne postoji horizont događaja najvjerovatnije isključuju postojanje takozvanog vatrenog zida - područja sa snažnim zračenjem koje bi se moglo nalaziti ili na samom horizontu događaja ili pored njega.

Vatreni zid poštuje zakone kvantne fizike i objašnjava misteriju crnih rupa koristeći takozvanu AdS/CFT korespondenciju. Ali ovo dovodi do drugog problema, u suprotnosti sa Einsteinovim principom ekvivalencije, koji kaže da je prelazak horizonta događaja crne rupe neprimjetan događaj. Teoretski, astronaut koji padne u crnu rupu ne bi shvatio da prelazi horizont događaja. Ali ako bi postojao zid od vatre, astronaut bi odmah izgorio. Pošto se time krši Ajnštajnov princip, Hoking i drugi su odlučili da pokušaju da dokažu da vidljivi zid od vatre ne postoji.

"Skoro kao da Hawking mijenja koncept vatrenog zida u 'haotični zid'", kaže fizičar Joseph Polchinski sa Instituta Kavli.

U svom najnovijem radu, Hawking je pokušao premostiti razlike između klasične i kvantne fizike. U klasičnoj teoriji ništa ne može "pobjeći" iz crne rupe, ali kvantna fizika sugerira da materija i informacija mogu pobjeći iz crne rupe. Ako je Hawking u pravu, ono što upadne u crnu rupu ostaje tamo „u skladištu“, a ako se informacije i materija puste, oni će imati potpuno novi izgled i biće nemoguće vratiti izgled prethodnih objekata.

Naučnik priznaje da će se za objašnjenje svih procesa koji se odvijaju u crnim rupama i izvan njih morati riješiti još mnogo problema, uključujući ujedinjenje gravitacije i drugih sila prirode.

Horizont događaja crne rupe odnosi se na tačku bez povratka kada se približava crnoj rupi. U Ajnštajnovoj opštoj teoriji relativnosti, horizont događaja je mesto gde su prostor i vreme toliko iskrivljeni gravitacijom da nikada ne možete pobeći. Kada prelazite horizont događaja, možete se kretati samo prema unutra, nikako prema van. Međutim, jednosmjerni horizont događaja vodi do onoga što je poznato kao informacijski paradoks.

Paradoks informacija potiče iz termodinamike, posebno u njenom drugom zakonu. U svom najjednostavnijem obliku može se objasniti kao „toplota se prenosi sa vrućeg tijela na hladno“. Ali zakon je korisniji kada se izrazi u terminima entropije. Stoga se formulira kao "entropija sistema ne može se smanjiti." Mnogi ljudi tumače entropiju kao nivo poremećaja u sistemu, ili neupotrebljiv deo sistema. To bi značilo da stvari s vremenom uvijek postaju manje korisne. Ali entropija zavisi od nivoa informacija potrebnih za opisivanje sistema. Uređeni sistem (na primjer, kuglice ravnomjerno raspoređene na rešetki) je lako opisati jer objekti imaju jednostavne veze jedni s drugima. S druge strane, nesređeni sistem (kuglice su nasumično raspoređene) zahtijevat će više informacija za opisivanje jer na njima ne postoji jednostavan obrazac. Dakle, kada drugi zakon kaže da se entropija nikada ne može smanjiti, pretpostavlja se da se fizička informacija sistema ne može smanjiti. Drugim riječima, informacije se ne mogu uništiti.

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

Originalna 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 tačno znati energiju nekog objekta. Zbog ove nesigurnosti, energija sistema može spontano fluktuirati, sve dok njegov prosjek ostaje konstantan. Hawking je pokazao da se u blizini horizonta događaja crne rupe mogu pojaviti parovi čestica kada jedna čestica ostane zarobljena unutar horizonta događaja (malo smanjivši masu crne rupe), a druga može pobjeći emitirajući nešto energije iz crne rupe.

Budući da se ove kvantne čestice pojavljuju u parovima, one su "upletene" (povezane u kvantnom smislu). Ovo zapravo nije važno osim ako ne želite da Hawkingovo zračenje emituje informacije sadržane unutar crne rupe. U originalnoj Hawkingovoj formulaciji, čestice su se pojavile slučajno, tako da je zračenje koje dolazi iz crne rupe bilo čisto slučajno. Dakle, Hawkingovo zračenje će vas spriječiti da povratite bilo koju uhvaćenu informaciju.

Da bi se omogućilo Hawkingovom zračenju da prenosi informacije iz crne rupe, preplitanje između parova čestica mora biti prekinuto na horizontu događaja, tako da se čestice mogu izgubiti sa supstancama koje nose informacije unutar crne rupe. Ovaj poremećaj početnog zapleta trebao bi uzrokovati da se oslobođene čestice pojave kao intenzivan "vatreni zid" 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 dostigne horizont događaja. Čini se da se ili fizička informacija objekta gubi kada padne u crnu rupu (informacijski paradoks), ili se objekti isparavaju prije nego što uđu u nju (paradoks vatrozida).

U ovom novom radu, Hawking predlaže drugačiji pristup. On tvrdi da umjesto gravitacionog savijanja prostora i vremena u horizontu događaja, kvantne fluktuacije u Hawkingovom zračenju stvaraju sloj turbulencije u regiji. Dakle, umjesto oštrog horizonta događaja, crna rupa će imati "prividni horizont", koji izgleda kao horizont događaja, ali omogućava curenje informacija.

Ako je Stephen Hawking u pravu, možda bi mogao riješiti paradoks informacija/zida vatre koji je mučio teorijsku fiziku. Crne rupe i dalje postoje u astrofizičkom smislu (ona u centru naše galaksije je tu da ostane), ali će im nedostajati horizont događaja. Treba naglasiti da Hawkingov rad nije recenziran i da mu malo nedostaje detalja. Ovo je više prezentacija ideje, a ne detaljno rješenje paradoksa. Biće potrebna dalja istraživanja kako bi se utvrdilo da li će ova ideja biti rešenje koje se traži.