Черные дыры не существуют. Черных дыр нет и быть не может? Хокинг отменил стену огня

МОСКВА, 24 янв — РИА Новости. Британский физик-теоретик Стивен Хокинг, один из основателей современной теории черных дыр, предлагает пересмотреть одно из основных положений этой теории — существование "горизонта событий" черной дыры, из-за которого ни материя, ни энергия не могут вернуться во внешний мир; эта "тюрьма" только временная, а значит черных дыр в обычном понимании не существует, пишет физик в статье, размещенной в электронной библиотеке Корнеллского университета.

"В классической теории нет возможности покинуть черную дыру <…> (Квантовая теория) однако позволяет энергии и информации "бежать" из черной дыры", — говорит Хокинг, слова которого приводятся на сайте журнала Nature .

Одним из основных свойств черных дыр — как "обычных", возникающих при гравитационном коллапсе на поздней стадии эволюции массивных звезд, так и сверхмассивных в центрах галактик — является наличие горизонта событий или сферы Шварцшильда, границы, за которой гравитация черной дыры становится настолько большой, что вырваться оттуда можно только превысив скорость света. Поскольку скорость света — предельная скорость, то, согласно господствующим представлениям, ничто покинуть черную дыру не может.

Согласно теории Эйнштейна, астронавт, пролетевший через горизонт событий, не почувствует ничего — только позже, по мере приближения к центру черной дыры и росту градиента гравитации (разнице в силе тяготения в разных точках) его тело будет вытягиваться, пока не превратится в "спагетти" и попадет в сингулярность в центре.

В 2012 году американский физик Джозеф Полчински (Joseph Polchinski) основываясь на квантовой теории, пришел к выводу, что на горизонте событий должна возникать "стена огня" из частиц высоких энергий и потоков излучения. Однако это противоречило эйнштейновским представлениям. Хокинг предложил разрешить этот парадокс, "убрав" горизонт событий.

Согласно его предположениям, квантовые эффекты в окрестностях черной дыры настолько сильно искажают пространство-время, что четкая граница горизонта событий просто не может существовать. По мнению Хокинга, существует "кажущийся горизонт" (apparent horizon) — поверхность, на которой излучение, уходящее от центра черной дыры, лишь задерживается. В отличие от классического горизонта событий, "кажущийся" может в какой-то момент исчезнуть, и то, что было в черной дыре, может выйти наружу.

"Отсутствие горизонта событий означает, что не существует черных дыр как объектов, откуда излучение не может уйти никогда", — пишет Хокинг.

Сам ученый не описал причин, по которым кажущийся горизонт может исчезнуть, однако Дон Пэйдж (Don Page) из канадского университета Альберты полагает, что это может произойти, когда черная дыра за счет излучения Хокинга станет настолько малой, что гравитационные и квантовые эффекты станут неразличимы.

Не имеют четкого горизонта событий. Это заявление сделал никто иной, как Стивен Хокинг (Stephen Hawking ); так что значит, что черных дыр больше нет? Это зависит от того, правильна ли новая идея Хокинга, и от того, что вы подразумеваете под черной дырой. Заявление основано на новой статье Хокинга , в которой тот утверждает, что горизонта событий черной дыры не существует.

Горизонт событий, по существу, - это точка не возвращения, когда вы приближаетесь к черной дыре. В общей теории относительности Эйнштейна горизонт событий - это где пространство и время настолько деформированы гравитацией (притяжением, всемирным тяготением), что вы никогда не сможете убежать. Пересеките горизонт событий, и вы сможете двигаться только вперед, но не назад. Проблема с "односторонним" горизонтом событий в том, что это приводит к тому, что известно как информационный парадокс.

Профессор Стивен Хокинг во время полета в невесомости. Предоставлено: Zero G .

Информационный парадокс имеет свое происхождение в термодинамике, а именно второй закон термодинамики. В самой простой форме его можно сформулировать как "тепло течет от горячих объектов к холодным объектам". Но этот закон более полезен, когда он выражен в терминах энтропии. Этим способом он формулируется как "энтропия системы никогда не может уменьшиться". Многие люди интерпретируют энтропию как меру неупорядоченности системы, или "непригодная для использования" часть системы. Что означало бы, что все должно всегда становиться менее полезным со временем. Но энтропия - это на самом деле уровень информации, которая вам нужна для описания системы. Упорядоченную систему (так сказать, шарики равномерно, расположенные в сетке) просто описать, потому что объекты имеют простые связи друг с другом. С другой стороны, неупорядоченная система (шарики, разбросанные случайным образом) требует большей информации для описания, потому что не существует простого шаблона (модели) для них. Поэтому, когда второй закон гласит, что энтропия никогда не может уменьшаться, означает, что физическая информация системы не может уменьшаться. Другими словами, информация не может быть уничтожена.

Проблема с горизонтом событий в том, что вы могли бы бросить объект (с большой энтропией) в черную дыру, а энтропия просто бы "ушла" ("обнулилась"). Другими словами, энтропия вселенной стала бы меньше, что противоречит второму закону термодинамики. Конечно, он не принимает во внимание квантовые взаимодействия, а именно то, что известно как излучение Хокинга , которое Стивен Хокинг впервые предложил в 1974 году.

Первоначальная идея излучения Хокинга происходит из принципа неопределенности Гейзенберга квантовой физики. В квантовой физике (квантовой теории) существуют ограничения по тому, что может быть известно об объекте. Например, вы не можете знать точную энергию объекта. Из-за этой неопределенности энергия системы может колебаться спонтанно настолько, что в среднем остается постоянной. Хокинг продемонстрировал, что около горизонта событий могут появляться пары частиц, где одна частица становится захваченной внутри горизонта событий (чуть-чуть уменьшая массу черной дыры), в то время как другая может "убежать" как излучение (унося немного энергии черной дыры).

Излучение Хокинга около горизонта событий. Предоставлено: NAU.

Так как эти квантовые частицы появляются парами, они "запутанные" (квантово связанные). Это не имеет большого значения, пока вы не захотите, чтобы излучение Хокинга излучало информацию, содержащуюся внутри черной дыры. В первоначальной формулировке Хокинга , частицы появлялись случайно, поэтому излучение, испускаемое из черной дыры, было чисто случайным. Следовательно, излучение Хокинга не позволило бы вам возвратить любую захваченную информацию.

Чтобы позволить, чтобы излучение Хокинга переносило информацию из черной дыры, запутанная связь между парами частиц должна быть разрушена у горизонта событий, так что убегающая частица вместо этого может быть запутанной с материей, переносящей информацию внутри черной дыры. Это нарушение первоначальной запутанности заставило бы частицы быть похожими на сильный "файервол" (firewall, "стена огня") у поверхности горизонта событий. Это означало бы, что все падающее в черную дыру, не производило это в черной дыре. Вместо этого, материя бы испарялась при излучении Хокинга , когда она достигала бы горизонта событий. Тогда казалось бы, что либо физическая информация объекта теряется, когда он падает в черную дыру (информационный парадокс), либо объекты испаряются до входа в черную дыру (парадокс файервола).

В этой новой статье Хокинг предлагает другой подход. Он утверждает, что лучше вместо гравитации, искривляющей пространство и время в горизонте событий, квантовые флуктуации излучения Хокинга создают слой турбулентности в этой области. Поэтому вместо четкого горизонта событий, черная дыра имела бы видимый горизонт, который выглядит как горизонт событий, но позволяет просачиваться информации. Хокинг утверждает, что турбулентность была бы такой большой, что информация, покидающая черную дыру, была бы настолько перемешанной, что не подлежала бы восстановлению.

Если Стивен Хокинг прав, тогда это решило бы информационный/файервол парадокс, который "изводит" теоретическую физику. Черные дыры все еще бы существовали в астрофизике (та, что в центре нашей галактики, никуда не денется), но они потеряли бы горизонт событий. Следует подчеркнуть, что статья не была рецензирована, и немного не хватает подробностей. Это больше презентация идеи, а не подробное решение парадокса. Будут необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, является ли эта идея решением, которое мы ищем.

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.

Теории о чёрных дырах и происхождении Вселенной теперь под сомнением

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.

Исчезновение информации в чёрной дыре парадоксально и невозможно в точки зрения квантовой механики

(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.

Черные дыры, по крайней мере, не такие, какими мы их представляли

Черных дыр не существует - по крайней мере, в обычном понимании, считает известный физик Стивен Хокинг, подталкивая нас к переосмыслению одного из самых загадочных явлений космоса, сообщается в National Geographic .

Результаты нового исследования Хокинга также указывают на то, что черные дыры не имеют «стены огня» - разрушительного поля излучения, которое, по предположениям некоторых ученых, сжигает все, что через них проходит.

Согласно традиционному пониманию черных дыр, их гравитационные силы настолько огромны, что ничто не может их покинуть - даже свет, поэтому их и называют черными дырами. Граница, после прохождения которой, предположительно, нет возврата, известна как «горизонт событий».

В общеизвестном понимании, вся информация, которая проходит через горизонт событий черной дыры, исчезает. С другой стороны, согласно квантовой физике, которая лучше всего объясняет все, что происходит во Вселенной на уровне элементарных частиц, информация не может исчезнуть в никуда; это несоответствие привело к фундаментальному конфликту теорий.

Горизонта событий не существует

В настоящее время Хокинг предлагает следующее решение парадокса: черные дыры не имеют горизонта событий и, следовательно, не уничтожают информацию.

«Отсутствие горизонта событий означает, что черных дыр не существует - по крайней мере, в виде феноменов, которые не может покинуть свет», - пишет Хокинг в своей статье.

Хокинг предположил, что черные дыры имеют «видимый горизонт событий», который только временно задерживает материю и энергию, которые в конце концов вновь появляются в виде излучения. Это излучение обладает первоначальной информацией обо всем, что попадает в черные дыры, хотя в совершенно другом виде. Так как исходящая информация зашифрована, пишет Хокинг, нет практического способа воссоздать все, что попадает в черную дыру, основываясь на том, что из нее выходит. Зашифровка происходит из-за того, что видимый горизонт событий по своей природе хаотичен.

«Мы не можем воссоздать объекты, попавшие в черные дыры в их первоначальном виде, основываясь на исходящей информации», - пишет Хокинг.

Хокинг отменил стену огня

Предположения ученого о том, что горизонта событий нет, скорее всего, исключают существование так называемой стены огня - региона с мощным излучением, который мог находиться либо на самом горизонте событий, либо рядом с ним.

Стена огня подчиняется законам квантовой физики и объясняет загадку черных дыр с помощью так называемого AdS/CFT-соответствия . Но это ведет к другой проблеме, противопоставляемой эйнштейновскому принципу эквивалентности, который утверждает, что пересечение горизонта событий черной дыры является незаметным событием. Теоретически, астронавт, падающий в черную дыру, не поймет, что пересекает горизонт событий. Но если бы существовала стена огня, астронавт мгновенно сгорел бы заживо. Так как при этом нарушается принцип Эйнштейна, Хокинг и другие решили попытаться доказать, что видимой стены огня не существует.

«Все это выглядит так, как будто Хокинг меняет концепцию стены огня на «хаотическую стену», - говорит физик Джозеф Полчински из Института Кавли.

В своей последней работе Хокинг попытался объединить разногласия классической и квантовой физики. В классической теории из черной дыры ничто не способно «вырваться», но квантовая физика говорит о том, что материя и информация могут покидать черную дыру. Если Хокинг прав - то, что попадает в черную дыру, остается там «на хранении», а если информация и материя высвободятся, они будут иметь совершенно новый вид, и восстановить облик прежних объектов будет невозможно.

Ученый признаёт, что для объяснения всех процессов, происходящих как в черных дырах, так и вне их, придется решать еще многие задачи, в том числе объединение гравитации и других сил природы.

Под горизонтом событий черной дыры подразумевается точка невозврата при приближении к черной дыре. В общей теории относительности Эйнштейна, горизонт событий - это место, где пространство и время настолько деформированы под воздействием силы тяжести, что вы никогда не сможете оттуда уйти. Пересекая горизонт событий, вы можете двигаться только внутрь, никогда наружу. Однако односторонний горизонт событий приводит к тому, что известно как информационный парадокс.

Информационный парадокс берет начало в термодинамике, в частности во втором ее законе. В простейшей форме его можно объяснить, как "тепло переносится от горячего тела к холодному". Но закон более полезен, когда выражен в терминах энтропии. Таким образом, он формулируется как "энтропия системы не может уменьшаться". Многие люди интерпретируют энтропию, как уровень беспорядка в системе, или непригодную часть системы. Это означало бы, что вещи всегда должны становиться менее полезными с течением времени. Но энтропия зависит от уровня информации, необходимой для описания системы. Упорядоченную систему (например, шарики равномерно распределены по решетке) легко описать, так как объекты имеют простые связи друг с другом. С другой стороны, неупорядоченная система (шарики распределены беспорядочно) займет больше информации для описания, потому что это не простой шаблон на них. Таким образом, когда второй закон гласит, что энтропия никогда не может уменьшаться, предполагается, что физическая информация системы не может уменьшаться. Другими словами, информация не может быть уничтожена.

Проблема горизонта событий состоит в том, что вы могли бы бросить объект (с большой долей энтропии) в черную дыру, и энтропия должна просто уйти. Другими словами, энтропия Вселенной получится меньше, что будет нарушать второй закон термодинамики. Конечно, это не принимает во внимание квантовые эффекты, именно те, которые известны как излучение Хокинга, впервые предложенные Стивеном Хокингом в 1974 году.

Оригинальная идея излучения Хокинга связана с принципом неопределенности в квантовой теории. В квантовой теории есть пределы тому, что может быть известно об объекте. Например, вы не можете знать точно энергию объекта. Из-за этой неопределенности, энергия системы может колебаться спонтанно, при условии, что ее средний показатель остается неизменным. Хокинг показал, что вблизи горизонта событий черной дыры пары частиц могут появиться, когда одна частица оказывается в ловушке внутри горизонта событий (немного снижая массу черной дыры), а другая может избежать этого, в виде излучения (унося немного энергии черной дыры).

Так как эти квантовые частицы появляются парами, они "спутанны" (связаны в квантовом смысле). Это не имеет большого значения, если вы не хотите, чтобы излучение Хокинга излучало информацию, содержащуюся внутри черной дыры. В первоначальной формулировке Хокинга, частицы появились случайно, поэтому излучение, исходящие от черной дыры, было чисто случайным. Таким образом, излучение Хокинга не позволит вам восстановить любую захваченную информацию.

Чтобы разрешить излучению Хокинга вынести информацию из черной дыры, запутанная связь между парами частиц должна быть разбита на горизонте событий, поэтому частицы смогут затеряться с информационно-несущими веществами внутри черной дыры. Это нарушение первоначальной запутанности должно сделать выделяющиеся частицы проявляющимися, подобно интенсивной "огненной стене" на поверхности горизонта событий. Это означало бы, что все, направляющееся к черной дыре, не будет попадать в черную дыру. Вместо этого оно будет испаряться излучением Хокинга, когда достигнет горизонта событий. Казалось бы, что либо физическая информация объекта теряется, когда он падает в черную дыру (информационный парадокс), или объекты испаряются перед входом в нее (парадокс огненной стены).

В этой новой работе, Хокинг предлагает другой подход. Он утверждает, что вместо гравитационной деформации космоса и времени в горизонте событий, квантовые флуктуации излучения Хокинга создают слой турбулентности в этом регионе. Таким образом, вместо резкого горизонта событий, черная дыра будет иметь «кажущийся горизонт», который выглядит как горизонт событий, но позволяет информации просачиваться.

Если Стивен Хокинг прав, то он может разрешить парадокс информации/огненной стены, который преследует теоретическую физику. Черные дыры все еще существуют в астрофизическом смысле (одна в центре нашей галактики никуда не денется), но они будут лишены горизонта событий. Следует подчеркнуть, что работа Хокинга не рецензируемая, и ей немного не хватает деталей. Это, скорее, презентация идеи, а не детальное решения парадокса. Дальнейшие исследования будут необходимы, чтобы определить, станет ли эта идея решением, которое так долго искали.