Черные дыры хокинг кратко
Обновлено: 05.07.2024
Теорема площади черной дыры, которую Хокинг вывел в 1971 году из общей теории относительности Эйнштейна, утверждает, что площадь поверхности черной дыры не может уменьшаться с течением времени . Это правило интересует физиков, потому что оно тесно связано с другим правилом, которое, кажется, заставляет время течь в определенном направлении, вторым законом термодинамики, который гласит:
Поскольку энтропия черной дыры пропорциональна площади ее поверхности, обе они всегда должны увеличиваться.
Согласно новому исследованию, подтверждение исследователями закона площадей, по-видимому, подразумевает, что свойства черных дыр являются важным ключом к разгадке скрытых законов, управляющих Вселенной. Как ни странно, закон площади, кажется, противоречит другой доказанной теореме известного физика:
Поэтому выяснение источника противоречия между двумя теориями может открыть новую физику.
Поскольку ни один объект, брошенный внутрь, не может выбраться, площадь ее поверхности не может уменьшаться. Но площадь поверхности черной дыры также сжимается, чем больше она вращается, поэтому исследователи задались вопросом, можно ли бросить внутрь объект с такой силой, чтобы черная дыра вращалась достаточно сильно, чтобы уменьшить ее площадь.
Чтобы проверить эту теорию, исследователи проанализировали гравитационные волны или рябь в ткани пространства-времени, созданную 1,3 миллиарда лет назад двумя гигантскими черными дырами, когда они с большой скоростью летели навстречу друг другу. Это были первые гравитационные волны, обнаруженные в 2015 году обсерваторией гравитационных волн LIGO .
Разделив сигнал на две половины - до и после слияния черных дыр - исследователи вычислили массу и вращение как двух исходных черных дыр, так и новой объединенной. Эти числа, в свою очередь, позволили им вычислить площадь поверхности каждой черной дыры до и после столкновения.
По мере того как они вращаются вокруг друг друга все быстрее и быстрее, гравитационные волны увеличиваются в амплитуде все больше и больше, пока они в конечном итоге не погрузятся друг в друга, создавая этот большой всплеск волн
Площадь поверхности вновь созданной черной дыры была больше, чем у первых двух вместе взятых , что подтверждает закон площади Хокинга с уровнем достоверности более 95%. По словам исследователей, их результаты в значительной степени соответствуют тому, что они ожидали найти. Общая теория относительности, откуда появился закон площадей, очень эффективно описывает черные дыры и другие крупномасштабные объекты.
Однако настоящая загадка начинается, когда мы пытаемся интегрировать общую теорию относительности с квантовой механикой.
Это потому, что черные дыры не могут сжиматься согласно общей теории относительности, но они могут сжиматься согласно квантовой механике.
Шах и мат господа, пока эти данные не согласуются, какая-то новая, мистическая физика витает где-то вокруг нас, надеюсь, когда-нибудь ее удастся обуздать.
Самый известный ученый XX века Стивен Хокинг в 1974 году сделал одно из своих самых необычных предсказаний: черные дыры способны полностью испаряться. На протяжении почти 50 лет теория ученого оставалась всего лишь неподтвержденной гипотезой. Однако последние исследования говорят о том, что версия знаменитого исследователя могла быть верной, а самые таинственные объекты во Вселенной действительно могут испаряться.
Кажется, черные дыры не вечны
Что такое черная дыра?
Черная дыра — это гигантская воронка, притягивающая абсолютно все, что встречается на ее пути. Сила притяжения этого невидимого объекта настолько велика, что даже свет не способен покинуть страшные объятия этого космического монстра.
Однако совсем недавно физики смогли отыскать неуловимое излучение Хокинга и даже воспроизвести его в своей лаборатории. Хотя полученное излучение оказалось слишком слабо, чтобы быть обнаруженным в космосе нашими современными приборами, физики смогли увидеть это излучение в аналоге черной дыры, которую ученые смогли создать в лабораторных условиях.
Что такое антиматерия?
Черные дыры обладают настолько мощной гравитационной силой, что даже мельчайшая частица света — фотон, которая движется со скоростью света, не может убежать из лап этого космического монстра. Хотя вакуум обычно считается пустым, неопределенность квантовой механики показывает, что вакуум изобилует некими виртуальными частицами, которые способны образовать такое экзотическое вещество, как антиматерия. Частицы антиматерии имеют ту же массу, что и их материальные аналоги, но отличаются противоположным электрическим зарядом.
Считалось, что сразу после появления пары таких гипотетических частиц, они тут же сливаются друг с другом. Однако, как оказалось, рядом с черной дырой экстремальные силы гравитации не заставляют частицы взаимно уничтожаться, а растягивают их в противоположных направлениях, причем одна из частиц поглощается черной дырой, а вторая улетает далеко в космос. Поглощенная в результате подобного процесса частица обладает отрицательной энергией, которая взаимодействует с черной дырой и уменьшает ее энергию и массу. Если черная дыра хорошенько сможет отобедать такими виртуальными частицами, то она отдаст столько энергии, что черный монстр в конечном итоге испарится.
Можно ли создать черную дыру в лабораторных условиях?
Первая искусственная черная дыра была создана в Израиле
Результат эксперимента показал, что теория Стивена Хокинга действительно проливает свет на загадку черных дыр: постепенное поглощение черными дырами частиц Хокинга ведет к рассеиванию галактических монстров.
Таким образом, именно идея самого гениального ученого XX века сможет помочь людям приручить однажды колоссальную энергию самых невероятных объектов Вселенной, сделав человеческую расу настоящими покорителями галактики. А вот уже об этом давайте-ка попробуем порассуждать в нашем Telegram-чате.
Стивен Хокинг был если не величайшим физиком наших дней, то наверняка известнейшим. Авторитет британца был настолько велик, что его мнение спрашивали по самым разным темам. Хокинг не отказывал. В "Коротких ответах на серьезные вопросы" собраны размышления ученого о волнительных вещах вроде существования бога, опасности искусственного интеллекта, путешествий во времени.
Даже из этого неполного списка видно, что многие вопросы выходят далеко за сферу компетенции Хокинга, — ответы получились соответствующие. Также нужно иметь в виду, что книга не специально написана, а составлена из лекций, публичных выступлений, интервью. Физик не успел ее закончить — после смерти "Короткие ответы…" доделывали коллеги и родственники.
Как это часто бывает с людьми в конце жизненного пути, ученый Хокинг рассуждает не столько о научных, сколько об этических проблемах, но с научной точки зрения. Насчет людей и нашего будущего британец был, скорее, оптимистом, пусть не всегда до конца понимал, о чем говорит. В чем он действительно разбирался, так это в черных дырах. В следующем отрывке британец объясняет, как вообще появилась идея об этих поразительных объектах и что они собой представляют.
Говорят, что факты порой причудливей вымысла, и нигде это не оправдывается в большей степени, чем в черных дырах. Черные дыры необычнее всех выдумок писателей-фантастов, и при этом их существование — доказанный научный факт.
Первым заговорил о черных дырах ученый из Кембриджа Джон Мичелл в 1783 году. Его идея заключалась в следующем. Если выстрелить частицу, например пушечное ядро, вертикально вверх, сила гравитации будет замедлять ее движение. Постепенно частица перестанет двигаться вверх и начнет падать обратно. Однако если первоначальная вертикальная скорость будет выше определенного критического значения, так называемой скорости убегания, то силы гравитации окажется недостаточно, чтобы остановить частицу, и она улетит. Скорость убегания, или вторая космическая скорость, для Земли составляет свыше 11 километров в секунду, а для Солнца — примерно 617 километров в секунду. И та и другая значительно выше скорости реального пушечного ядра. Но они невысоки по сравнению со скоростью света, которая составляет 300 000 километров в секунду. Таким образом, свет без особого труда может покинуть и Землю, и Солнце. Однако Мичелл отметил, что могут существовать звезды гораздо массивнее Солнца, на которых скорость убегания будет превышать скорость света. Мы не в состоянии их увидеть, потому что свет, испускаемый ими, притягивается обратно благодаря силе гравитации. Мичелл назвал их "темными звездами". Сейчас мы называем их черными дырами.
Чтобы понять их, нужно начать с гравитации. Гравитация описана в общей теории относительности Эйнштейна, которая также является теорией пространства и времени. Поведение пространства и времени определяется рядом уравнений, которые Эйнштейн вывел в 1915 году. С тех пор они так и называются — уравнения Эйнштейна. Хотя гравитация считается самой слабой из известных сил природы, у нее есть два существенных преимущества перед ними. Во-первых, она действует на большом расстоянии. Земля удерживается на орбите вокруг Солнца, до которого 150 миллионов километров. Солнце вращается по орбите вокруг центра Галактики, до которого примерно 25 000 световых лет. Второе преимущество заключается в том, что гравитация всегда положительная, в отличие от электрических сил, которые могут быть как положительными, так и отрицательными. Эти две характеристики означают, что у достаточно крупной звезды гравитационное притяжение между частицами доминирует над всеми остальными силами и приводит к гравитационному коллапсу. Несмотря на эти факты, научное сообщество долго шло к пониманию, что массивные звезды под воздействием собственной гравитации могут обрушиваться внутрь себя, и не могло представить, как будут вести себя возникшие в результате объекты. Альберт Эйнштейн в 1939 году даже опубликовал статью, в которой утверждал, что гравитация не может привести к коллапсу звезды, потому что материя не может сжиматься плотнее определенных величин. Многие ученые соглашались с интуитивной догадкой Эйнштейна. Главным исключением стал американский ученый Джон Уилер, которого во многом можно считать главным героем истории о черных дырах. В работах 1950–1960-х годов он доказывал, что многие звезды должны со временем переживать коллапс, и исследовал проблемы, которые в связи с этим могут возникнуть для теоретической физики. Он также предсказал многие свойства объектов, в которые превращаются звезды после гравитационного коллапса, то есть черных дыр.
На протяжении основной части жизни обычной звезды, длящейся много миллиардов лет, она противостоит собственной гравитации за счет теплового давления, создаваемого термоядерным процессом, в ходе которого водород превращается в гелий. Но постепенно ядерное топливо звезды заканчивается. Звезда начинает сжиматься. В некоторых случаях она может сохраниться как белый карлик — плотные остатки звездного ядра. Однако в 1930 году Субраманьян Чандрасекар доказал, что максимальная масса звезды — белого карлика не может более чем в 1,4 раза превышать массу Солнца. Аналогичную предельную массу рассчитал советский физик Лев Ландау для нейтронной звезды.
Стивен Хокинг получил известность благодаря изучению модели расширяющейся Вселенной и космологической сингулярности — описываемого этой моделью состояния Вселенной. Главные же его достижения как физика-теоретика связывают с исследованием черных дыр. Он одним из первых в 1970-х начал изучать поведение элементарных частиц вблизи черной дыры с точки зрения квантовой механики.
Излучение Хокинга
Хокинга можно считать одним из создателей квантовой космологии. В 1973 году он первым рассчитал поведение квантовых полей при наличии горизонта событий (горизонт событий — ограничивающая черную дыру воображаемая световая поверхность, из пределов которой свет не может попасть наружу). До публикаций Хокинга считалось, что в черной дыре исчезает вся информация о поглощенных ею объектах за исключением трех параметров — массы, электрического заряда и момента импульса, но это противоречило некоторым постулатам квантовой механики.
Читайте также: