Самая известная черта черных дыр оказалась мифом

Можно ли попасть в черную дыру

Тем не менее, идея того, что вас засосет в черную дыру, остается неверной. Это заблуждение. Каждая отдельная частица, составляющая объект, на который воздействует черная дыра, все еще подчиняется тем же законам физики, включая гравитационную кривизну пространства-времени, порожденную общей теорией относительности.

Сила гравитационного воздействия может менять в зависимости от многих факторов.

Хотя справедливо, что ткань пространства искривлена наличием массы, и что черные дыры обеспечивают наибольшую концентрацию массы во всей Вселенной, также верно и то, что плотность этой массы не играет роли в том, как искривляется пространство. Если заменить Солнце белым карликом, нейтронной звездой или черной дырой с такой же массой, гравитационная сила, воздействующая на Землю, не изменилась бы. Именно общая масса искривляет пространство вокруг; плотность практически не имеет к этому никакого отношения.

Издали черная дыра напомнит любую другую массу во Вселенной. Только при приближении — в пределах нескольких радиусов Шварцшильда — вы начнете замечать отклонения от ньютоновской гравитации. Тем не менее, черная дыра действует просто как аттрактор, и объекты, приближающиеся к ней, будут обладать такими же орбитами, что и всегда: круговыми, эллиптическими, параболическими или гиперболическими, с достаточно большим приближением.

Из-за приливных сил приближающиеся объекты могут разрываться на части, а поскольку вещество собирается вокруг черной дыры в форме диска аккреции, могут быть и другие эффекты: магнитные поля, трение и нагревание. Часть вещества, учитывая эти дополнительные взаимодействия, может замедляться и в конечном итоге поглощаться черной дырой, но подавляющее большинство ее все равно будет убегать.

Самое главное в том, что черные дыры ничего не засасывают; нет никакой силы, которую черная дыра оказывала бы на обычный объект (вроде луны, планеты или звезды). Работает исключительно гравитация. Самое главное отличие в том, что черные дыры плотнее большинства других тел, при этом занимают меньший объем пространства и могут быть гораздо более массивными, чем любой другой объект по отдельности. Сатурн может быть замечательно кружит на орбите вокруг Солнца, но если поместить вместо светила черную дыру из центра Млечного Пути — которая в 4 000 000 раз массивнее нашей звезды — приливные силы будут достаточно мощными, чтобы вытянуть Сатурн в огромное кольце, так что он станет частью диска аккреции черной дыры. При достаточном трении, нагреве и ускорении в присутствии гравитационных, электрических и магнитных полей, которые создает материя, все рано или поздно будет проглочено и упадет в черную дыру.

Черные дыры, по всей видимости, засасывают материю внутрь лишь благодаря своей массе, а сочетание приливных сил и вещества, уже присутствующего возле черной дыры, разрывает объекты на мелкие частицы, которые увлекаются диском аккреции и в конечном итоге самой черной дырой. Однако подавляющее большинство вещества, которое пройдет рядом с черной дырой, будет выплюнуто обратно в той или иной форме. Лишь малая часть, попадающая в горизонт событий, приведет к росту черной дыры.

Если заменить всю массу Вселенной эквивалентной черной дырой и убрать весь трущийся материал в виде дисков аккреции, очень мало чего вообще будет засосано. Единственное трение, которое испытает частица, будет связано с гравитационным излучением, испускаемым в процессе движения частицы сквозь искривленное черной дырой пространство. Только материал, который сформировал внутреннюю часть, в три раза превышающую радиус горизонта событий, будет засосан внутрь вследствие поведения самой теории Эйнштейна. Но это пшик по сравнению с тем, что попадает в горизонт событий в нашей физической реальности.

Идея о том, что черные дыры вообще что-то засасывают, похоже, стала отличительной чертой этих загадочных объектов. Но это миф. Черные дыры растут только из-за гравитации, ничего более. В нашей Вселенной этого более чем достаточно.

Что ж, пришло время рассказать об этом всем, кто до сих пор не знает правды. Начните в нашем чате в Телеграме.

Как образуются черные дыры

И все же у нас есть способ получить качественную оценку количества и распределения черных дыр: мы знаем, как они образуются. Мы знаем, как сделать их из молодых и массивных звезд, которые становятся сверхновыми, из нейтронных звезд, которые сливаются, и в процессе прямого коллапса. И хотя оптические сигнатуры создания черной дыры крайне неоднозначны, мы повидали достаточно звезд, их смерти, катастрофических событий и звездообразования за всю историю Вселенной, чтобы иметь возможность найти именно те цифры, которые ищем.

Останки сверхновой, рожденной из массивной звезды, оставляют после себя коллапсирующий объект: либо черную дыру, либо нейтронную звезду, из которой в дальнейшем может образоваться черная дыра при определенных условиях

Три этих способа создания черных дыр все уходят корнями, если проследить все до конца, в массивные регионы звездообразования. Чтобы получить:

• Сверхновую, вам нужна звезда, которая будет в 8-10 раз больше массы Солнца. Звезды больше 20-40 солнечных масс дадут вам черную дыру; звезды меньше — нейтронную звезду.
• Нейтронную звезду, сливающуюся в черную дыру, нужно либо две нейтронных звезды, танцующих в спирали или сталкивающихся, либо нейтронная звезда, высасывающая массу из звезды-компаньона до определенного предела (около 2,5-3 солнечных масс), чтобы стать черной дырой.
• Прямой коллапс черной дыры, вам нужно достаточно материала в одном месте для образования звезды в 25 раз массивнее Солнца, и определенные условия, чтобы точно получить черную дыру (а не сверхновую).

В наших окрестностях мы можем измерить, из всех образующихся звезд, сколько из них имеют правильную массу, чтобы потенциально стать черной дырой. Мы находим, что лишь 0,1-0,2% всех звезд поблизости имеют достаточно массы, чтобы стать сверхновой, причем подавляющее большинство образует нейтронные звезды. Около половины систем, которые образуют бинарные (двоичные) системы, однако, включают звезды сопоставимых масс. Другими словами, большинство из 400 миллиардов звезд, сформировавшихся в нашей галактике, никогда не станут черными дырами.

Современная система спектральной классификации систем Моргана-Кинана с температурным диапазоном каждого звездного класса в кельвинах. Превосходящее большинство (75%) звезд сегодня — звезды М-класса, из которых лишь 1 на 800 достаточно массивна, чтобы стать сверхновой

Но это нормально, потому что некоторые из них станут

Что еще более важно, многие уже стали, хоть и в далеком прошлом. При образовании звезд вы получаете распределение масс: вы получаете несколько массивных звезд, несколько больше средних по массе и очень много маломассивных

Настолько много, что маломассивные звезды М-класса (красные карлики) с массой всего в 8-40% солнечной составляют три четверти звезд в наших окрестностях. В новых скоплениях звезд будет не так много массивных звезд, которые могут стать сверхновыми. Но в прошлом звездообразующие регионы были намного больше и богаче массой, чем Млечный Путь сегодня.

Крупнейшие звездные ясли в местной группе, 30 Doradus в Туманности Тарантула, включают самые массивные звезды, известные человечеству. Сотни из них (в следующие несколько миллионов лет) станут черными дырами

Выше вы видите 30 Doradus, крупнейший звездообразующий регион в местной группе, с массой в 400 000 солнц. В этом регионе тысячи горячих, очень синих звезд, из которых сотни станут сверхновыми. 10-30% из них превратятся в черные дыры, а остальные станут нейтронными звездами. Если предположить, что:

• в нашей галактике было много таких регионов в прошлом;
• крупнейшие звездообразующие регионы сосредоточены вдоль спиральных рукавов и по направлению к галактическому центру;
• где мы видим пульсары (останки нейтронных звезд) и источники гамма-лучей сегодня, будут черные дыры,

мы можем составить карту и показать на ней, где будут черные дыры.

Спутник NASA «Ферми» составил карту высоких энергий Вселенной в высоком разрешении. Черные дыры в галактике на карте вероятнее всего будут следовать выбросам с небольшим разбросом и разрешаться миллионами отдельных источников

Как образуются черные дыры

В современной астрофизике различают 4 гипотезы об образовании черных дыр:

• гравитационный коллапс очень массивной звезды;
• коллапс центральной части галактики или протогалактического газа;
• возникновение в результате Большого взрыва;
• появление в ядерных реакциях высоких энергий.

Гравитационный коллапс очень массивной звезды. Черная дыра, образованная по этому сценарию, рождается в результате умирания тяжелой звезды с массой более трех солнечных масс, которая в процессе выгорания теряет свой электрический заряд и магнитное поле. Она сжимается к центру под собственной тяжестью до состояния черной дыры, и ее гравитационное поле становится настолько сильным, что перестает выпускать даже свет.

В конце своей жизни любая звезда с соответствующей массой может превратиться в темную материю, при этом карликовые и недостаточно массивные объекты не могут коллапсировать до такого состояния.

Коллапс центральной части галактики или области протогалактического газа. Согласно это гипотезе, практически каждая галактика имеет черную дыру в своем центре, поэтому под собственной массой коллапсирует не просто отдельная звезда, но целая часть галактики.

Возникновение в результате Большого взрыва. В рамках этой теории рассматривается образование первичных черных дыр на ранней стадии развития Вселенной в результате Большого взрыва.

Появление в ядерных реакциях высоких энергий. Такие объекты называют квантовыми, они отличаются недолгой продолжительностью жизни. Подобные реакции можно проводить и в лабораториях. К примеру, их использует в изучении частиц в адронных коллайдерах.

Падение в черную дыру

Что же произойдет, если вы случайно упадете в одну из этих космических аберраций? Сначала спросим вашего космического напарника — назовем ее Анна — которая с ужасом смотрит, как вы плывете по направлению к черной дыре, в то время как она остается на безопасном расстоянии. Она наблюдает странные вещи.

Если вы ускоряетесь по направлению к горизонту событий, Анна видит, как вы растягиваетесь и искажаетесь, словно она смотрит на вас через гигантскую лупу. Кроме того, чем ближе вы подходите к горизонту, тем больше ваши движения замедляются.

Вы не можете крикнуть, поскольку воздуха в космосе нет, но можете попытаться сигнализировать Анне сообщение Морзе светом своего iPhone (даже приложение есть для этого). Однако ваши слова будут достигать ее все медленнее и медленнее, поскольку световые волны растягиваются до все более низких и красных частот: «Хорошо, х о р о ш о, х  о  р  о…».

Когда вы достигнете горизонта, Анна увидит, что вы замерзли, словно кто-то нажал кнопку паузы. Вы отпечатаетесь там, обездвиженный и вытянутый по всей поверхности горизонта, когда нарастающее тепло начнет вас поглощать.

По мнению Анны, вас медленно стирает растяжение пространства, остановка времени и тепло излучения Хокинга. Перед тем как погрузиться в темноту черной дыры, вы превратитесь в пепел.

Но прежде чем начинать планировать похороны, давайте забудем об Анне и посмотрим эту жуткую сцену с вашей точки зрения. И знаете, что тут происходит? Ничего.

Световые волны все больше растягиваются

Вы плывете прямиком в самое зловещее проявление природы и не получаете ни шишки, ни синяка — и уж точно не растягиваетесь, не замедляетесь и не поджариваетесь на излучении. Потому что находитесь в свободном падении и не испытываете гравитации: Эйнштейн назвал это «самой счастливой мыслью».

В конце концов, горизонт событий — это не кирпичная стена, плавающая в пространстве. Это артефакт перспективы. Наблюдатель, который остается вне черной дыры, не может видеть сквозь него, но это не ваша проблема. Для вас горизонта не существует.

Если бы черная дыра была меньше, у вас были бы проблемы. Сила гравитации была бы гораздо сильнее у ваших ног, чем у вашей головы, и растянула бы вас как спагетти. Но к счастью для вас это большая черная дыра, в миллионы раз массивнее Солнца, так что силы, которые могли бы вас спагеттифицировать, достаточно слабы, чтобы их можно было проигнорировать.

Более того, в достаточно большой черной дыре вы могли бы прожить остаток своей жизни, а после умереть в сингулярности.

Возможно ли вернуться обратно из черной дыры?

Насколько нормальной эта жизнь будет, большой вопрос, учитывая что вас засосало против вашей воли в разрыв в пространственно-временном континууме и обратного пути нет.

Но если задуматься, нам всем знакомо это чувство, по опыту общения не с пространством, но со временем. Время идет только вперед, никогда назад, и засасывает нас против нашей воли, не оставляя шанса на отступление.

Это не просто аналогия. Черные дыры искажают пространство и время до такого экстремального состояния, что внутри горизонта событий черной дыры пространство и время на самом деле меняются ролями. В действительности, именно время засасывает вас в сингулярность. Вы не можете развернуться и уйти из черной дыры точно так же, как не можете развернуться и уйти обратно в прошлое.

В этот момент вы спросите себя: что не так с Анной? Если вы прохлаждаетесь внутри черной дыры, будучи окруженным пустым пространством, почему ваш напарник видит, как вы сгораете в излучении на горизонте событий? Галлюцинации?

А как ваше путешествие будет выглядеть со стороны наблюдателя?

На самом деле, Анна пребывает в полном здравии. С ее точки зрения вы действительно сгорели на горизонте. Это не иллюзия. Она даже могла бы собрать ваш пепел и отправить его домой.

На самом деле, законы природы требуют, чтобы вы оставались за пределами черной дыры, как это видно с точки зрения Анны. Это потому что квантовая физика требует, чтобы информация не пропадала, не терялась. Каждый бит информации, который говорит о вашем существовании, должен оставаться за пределами горизонта, чтобы законы физики Анны не нарушались.

С другой стороны, законы физики также требуют, чтобы вы плыли через горизонт, не сталкиваясь с горячими частицами или чем-то из ряда вон выходящего. В противном случае, вы будете нарушать «самую счастливую мысль» Эйнштейна и его общую теорию относительности.

Итак, законы физики требуют, чтобы вы одновременно были снаружи черной дыры в виде горстки пепла и внутри черной дыры, живы и здоровы. И есть также третий законы физики, который говорит, что информация не может быть клонирована. Вы должны быть в двух местах, но может быть только одна копия вас.

Как образуются чёрные дыры

Такие большие объекты, как звёзды, обладают большой гравитацией. Вся материя звезды всегда притягивается к центру, но термоядерные реакции не позволяют ей схлопнуться. То есть с одной стороны работает притяжение, а с другой давление, которое удерживает форму звезды.

Самой популярной считается теория, что чёрная дыра — это конечная стадия жизни звезды с очень большой массой, превышающей как минимум массу 20 Солнц. Когда внутри такой звезды прекращаются термоядерные реакции (заканчивается топливо), то под действием своей огромной гравитации она ускоренно сжимается в нейтронную звезду. В зависимости от своей начальной массы, она может остаться сверхплотной нейтронной звездой либо продолжить сжиматься с такой силой, что даже свет не сможет покинуть её пределы — это и будет чёрная дыра.

Рекомендуем: Что такое магнитная буря

Существует и другой сценарий, когда все те же процессы происходят с межзвёздным газом, находящимся на стадии превращения в галактику или какое-то скопление. Если внутреннее давление не может компенсировать гравитацию, то вся материя начинает сжиматься, что приводит к образованию чёрной дыры.

Самые яркие объекты во Вселенной

Наш мир – совокупность парадоксов. Иногда в нем уживаются вещи, сосуществование которых не поддается никакой логике. Например, термин «черная дыра» не будет ассоциироваться у нормального человека с выражением «невероятно яркий», однако открытие начала 60-х годов прошлого века позволило ученым считать это утверждение неверным.

С помощью телескопов астрофизикам удалось обнаружить неизвестные до того момента объекты на звездном небе, которые вели себя совсем странно несмотря на то, что выглядели, как обычные звезды

Изучая эти странные светила, американский ученый Мартин Шмидт обратил внимание на их спектрографию, данные которой показывали отличные от сканирования других звезд результаты. Проще говоря, эти звезды не были похожи на другие, привычные нам

Внезапно Шмидта осенило, и он обратил внимание на смещение спектра в красном диапазоне. Оказалось, что эти объекты намного дальше от нас, чем те звезды, что мы привыкли наблюдать в небе

Например, наблюдаемый Шмидтом объект был расположен в двух с половиной миллиардах световых лет от нашей планеты, но светил так же ярко, как и звезда в каких-нибудь сотне световых лет от нас. Получается, свет от одного такого объекта сопоставим с яркостью целой галактики. Такое открытие стало настоящим прорывом в астрофизике. Ученый назвал эти объекты «quasi-stellar» или просто «квазар».

Мартин Шмидт продолжил изучение новых объектов и выяснил, что столь яркое свечение может быть вызвано только по одной причине – аккреции. Аккреция – это процесс поглощения сверхмассивным телом окружающей материи с помощью гравитации. Ученый пришел к выводу, что в центре квазаров находится огромная черная дыра, которая с невероятной силой втягивает в себя окружающую ее в пространстве материю. В процессе поглощения дырой материи, частицы разгоняются до огромных скоростей и начинают светиться. Своеобразный светящийся купол вокруг черной дыры называется аккреационным диском. Его визуализация была хорошо продемонстрирована в киноленте Кристофера Нолана «Интерстеллар», которая породила множество вопросов «как черная дыра может светиться?».

На сегодняшний день ученые нашли на звездном небе уже тысячи квазаров. Эти странные невероятно яркие объекты называют маяками Вселенной. Они позволяют нам чуть лучше представить устройство космоса и ближе подойти к моменту, с которого все началось.

• Несмотря на то, что астрофизики уже много лет получали косвенные доказательства существования сверхмассивных невидимых объектов во Вселенной, термина «черная дыра» не существовало вплоть до 1967 года. Чтобы избежать сложных названий, американский физик Джон Арчибальд Уиллер предложил назвать такие объекты «черными дырами». Почему бы и нет? В какой-то мере они черные, ведь мы их не можем увидеть. К тому же они все притягивают, в них можно упасть, прямо как в настоящую дыру. Да и выбраться из такого места согласно современным законам физики просто невозможно. Впрочем, Стивен Хокинг утверждает, что при путешествии сквозь черную дыру можно попасть в другую Вселенную, другой мир, а это уже надежда.

Может быть, это портал?

Внутри черной дыры не действуют привычные нам физические законы. Время там растягивается или вовсе останавливается, то же самое происходит с пространством. Если бы мы могли наблюдать за погружением в черную дыру какого-нибудь объекта, например космического корабля, то нам бы казалось, что, приближаясь к ее границе, он замедляет свое движение, а потом полностью останавливается. Мы бы не увидели падения, которое уже произошло в реальности. А если бы на поверхности этого корабля находились часы, то они бы для нас остановились. Хотя время для наблюдателей, находящихся внутри корабля, шло бы как обычно. Все эти парадоксы следуют из общей теории относительности, разработанной Эйнштейном.

Граница черной дыры, попав за которую уже невозможно выбраться, называется горизонтом событий. Попав за этот горизонт, объект затягивается в центр черной дыры, попутно вытягиваясь в пространстве, и со временем полностью исчезает. Во всяком случае, из нашей Вселенной. По предположению некоторых ученых, черные дыры — это что-то вроде тоннеля в другое измерение. На другом конце этого тоннеля находится так называемая белая дыра, которая действует противоположно черной — выбрасывает из себя энергию и материю. Правда, эта интересная теория пока не имеет доказательств.

Поделиться ссылкой

Кем нора «вырыта» сегодня?

Сложности исследования и гипотетического создания кротовых нор связаны со спецификой уравнений Эйнштейна и поиском той самой экзотической материи. Но ученые продолжают «копать», пусть и работа над всесторонним изучением решений уравнений гравитации и их технической реализацией займет не одно столетие.

«Недавно удалось найти несколько интересных решений, вроде кротовых нор, для которых достаточно и обычной материи. Их предложил профессор Хуан Малдасена из Принстона в соавторстве с бывшими студентами МФТИ Федором Поповым и Алексеем Милехиным. У этих решений есть недостатки с точки зрения реализации быстрых космических путешествий. Но не исключено, что в будущем получится найти кротовые норы с обычной материей, имеющие достаточно большие размеры и существующие достаточно долго. Если это удастся, то останется преодолеть технологические сложности — создать такую нору на практике, чтобы в нее смог пролететь космический корабль», — добавил Ахмедов.

Стоит ли вообще искать кротовую нору?

Конечно, каждому писателю-фантасту или же режиссеру фильма о космосе подвластно создать кротовую нору любых размеров и проявлений. Однако ученые, порой, под сомнение ставят не только вопрос целесообразности изучения кротовой норы, но и сам факт ее существования.

«Говоря о кротовой норе, мы имеем дело с так называемым парадоксом Энрико Ферми, который можно сформулировать в одно простое изречение: «Если бы что-то существовало, то мы бы давно это увидели». Пока что достоверных и научно доказанных фактов существования кротовых нор, к сожалению, нет. Иначе, как я люблю говорить, уже бы давно в каждой квартире налогоплательщика была бы кротовая нора», — отметил Владимир Липунов.

Однако, по мнению Эмиля Ахмедова, не все так просто и категорично. Однозначно утверждать, что кротовые норы существуют только математически и на бумаге, нельзя. По словам ученого, уравнения Эйнштейна не очень ограничительные — это значит, что у них много различных решений, и не все из них обязаны реализоваться в природе. Например, белые дыры существуют как решения уравнений гравитации, но вполне вероятно, что в природе их нет. При этом черные дыры регистрируются, и уже есть их фото. Еще один важный факт — некоторые из этих гипотетических объектов неустойчивы, т.е. живут достаточно короткое время, как поставленная на ребро монета, которая может упасть при малейшем дуновении ветра.

Футурология

Космонавты опять сняли НЛО: объясняем самые известные снимки из космоса

Информационный парадокс черных дыр

Вы наверняка слышали, что черные дыры уничтожают информацию, которая в них попадает. Почему это является такой огромной проблемой для физики, что ученые всеми силами пытаются избавиться от этой нелепой и нелогичной формулировки? Что ж, мир стал довольно сложным. В моем детстве все было проще. Трава была зеленее, газировка вкуснее, а черные дыры были черными. То есть черные дыры сжимали материю и энергию в бесконечно плотные сингулярности, не создавая непреодолимых парадоксов. Это были хорошие дни.

Но им пришел конец. Сегодня черные дыры вмещают все пятьдесят оттенков серого, изгибая законы физики один за другим. Что же такое информационный парадокс черной дыры?

Для начала давайте поговорим об информации. Когда физики говорят «Информация», они имеют в виду конкретное состояние каждой частицы во вселенной: масса, положение, спин, температура и т. д. отпечаток пальца, который уникальным образом идентифицирует каждого, и вероятность того, что эти частицы собираются делать во вселенной. Вы можете взять атомы, раздавить их или сжать вместе, но квантово — волновая функция, которая их описывает, всегда будет сохраняться.

Квантовая физика позволяет вам запускать всю вселенную вперед и назад до тех пор, пока вы обращаете все в своей математике: заряд, четность и время

Это важно. Светлые умы говорят нам, что информация должна жить, несмотря ни на что

Представьте ее в виде энергии. Вы не можете уничтожить энергию: только преобразовать.

Что такое черная дыра? Она образуется, когда крупнейшая звезда с массой в 20 раз превышающей солнечную жестоко коллапсирует и взрывается. Ее плотность материи чрезвычайно высока, скорость убегания превышает скорость света. Особо прикольные имеют перегретый диск аккреции с материей, которая кружится вокруг горизонта событий черной дыры, за пределы которого свет уже не может вырваться никак.

И тут у нас появляется один из самых странных побочных эффектов относительности: замедление времени. Представьте себе часы, падающие в направлении черной дыры, которые засасывает гравитационный колодец. Время будет идти медленнее по мере приближения к черной дыре, пока наконец не замерзнет на краю горизонта событий. Фотоны от часов вытянутся, и цвет часов пройдет через красное смещение. В конце концов, он исчезнет, поскольку фотоны вытянутся за пределы того, что могут обнаружить наши глаза.

Лишь в том случае, если бы вы смотрели на черную дыру миллиарды лет, вы увидели бы все, что она собрала, что застряло внутри, как на липучке. Вы нашли бы и часы, и «Титаник», и теоретически смогли бы определить квантовое состояние каждой отдельной частицы и фотона, который попал в черную дыру. Поскольку потребуется практически бесконечное количество времени, чтобы все испарилось совершенно, все в порядке.

Информация навсегда на поверхности черной дыры сохраняется. Все, что туда попало, определенно погибло, но их информация, их драгоценная квантовая информация, в полном порядке.

В 1975 году Стивен хокинг сбросил на черные дыры бомбу. Он осознал, что у черных дыр есть температура, и с течением огромного периода времени они совершенно испарятся, выпустив массу и энергию обратно во вселенную. Этот процесс был обозначен как излучение хокинга.

Но эта же идея парадокс породила. Информация о том, что попало в черную дыру сохраняется замедлением времени, но сама масса черной дыры испаряется. В конце концов, она совершенно исчезнет, и тогда куда денется информация? Та информация, которая не может быть уничтожена?

Астрономы в шоке. Десятками лет они работают, пытаясь решить этот вопрос. Есть небольшой набор вариантов:

Черные дыры не испаряются вовсе, хокинг ошибся.
Информация в черной дыре каким-то образом утекает вместе с излучением хокинга.
Черная дыра удерживает ее до самого конца, и когда испаряются две последних частицы, вся информация внезапно высвобождается во вселенную.
Информация сжимается в микроскопическое пространство, которое остается после испарения черной дыры.
Черная дыра.

Возможно, физики никогда не смогут выяснить это. Недавно хокинг выдвинул новую идею, которая могла бы разрешить информационный парадокс черной дыры. Он предположил, что есть некий способ, которым излучение хокинга могло бы уносить в себе информацию о новой материи, падающей в черную дыру.

Таким образом, информация обо всем, что падает, сохраняется уходящим излучением, возвращается во вселенную и разрешает парадокс. Но это догадка, поскольку и само излучение хокинга никто не обнаружил. Возможно, мы через много десятков лет узнаем не только то, в правильном направлении мы движемся или нет, но и собственно решение парадокса.

В ситуациях вроде этой мы вспоминаем, как мало знаем о вселенной на самом деле.

Почему Хокинг ошибся по поводу черных дыр?

Согласно недавнему исследованию Стивена Хокинга (Stephen Hawking), создавшего настоящий переполох, некоторые издания объявили о том, что черных дыр нет. Однако, это не совсем то, что утверждал Хокинг. Впрочем уже сейчас понятно, что предположение Хокинга о черных дырах ошибочно, потому что парадокс, который он пытается доказать, уже не парадокс вовсе.

Это все сводится к известному нам парадоксу огненной стены черных дыр. Главной особенностью черной дыры является ее горизонт событий. Горизонт событий черной дыры – точка невозврата при приближении к ней. В общей теории относительности Эйнштейна, горизонт событий представляет собой пространство и время, которые настолько деформированы под воздействием силы тяжести, что их невозможно покинуть. Пересечете горизонт событий — и вы навсегда в ловушке.

Это односторонняя природа горизонта событий уже давняя проблема для понимания гравитационной физики. Например, горизонт событий черной дыры, казалось бы, нарушает законы термодинамики. Один из принципов термодинамики гласит о том, что ничто не должно иметь температуру абсолютного нуля. Даже очень холодные вещи излучают немного тепла, но если черная дыра поглощает свет, то она не выделяет никакого тепла. Таким образом, температура черной дыры равна нулю, что не возможно.

Тогда в 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают свет благодаря квантовой механике. 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, до тех пор, пока ее средняя величина остается постоянной. Хокинг продемонстрировал, 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).

В то время как излучение Хокинга решило одну проблему с черными дырами, оно создало еще одну, известную как парадокс огненной стены. Когда квантовые частицы появляются парами, они спутаны, то есть, они связаны в квантовом смысле. Если одна частица захватывается черной дырой, а другая вырывается, тогда спутанность пары нарушается. В квантовой механике можно было бы сказать, что пара частиц появляется в чистом, первоначальном, виде, и горизонт событий, казалось бы, сломал это состояние.

В прошлом году было показано, что если излучение Хокинга в чистом виде, тогда либо оно не может излучать в направлении, требуемом термодинамикой, или это создаст огненную стену частиц высокой энергии вблизи поверхности горизонта событий. Это часто называют парадокс огненной стены, потому что согласно общей теории относительности, если оказаться вблизи горизонта событий черной дыры, ничего необычного не удастся заметить. Основная идея общей теории относительности (принцип эквивалентности) требует, чтобы, если вы свободно падаете к горизонту событий, не должно быть сильной огненной стены частиц высокой энергии. В своей работе Хокинг предложил решение этого парадокса, предположив, что черные дыры не имеют горизонты событий. Вместо этого они имеют кажущиеся горизонты, которые не требуют соответствия огненной стены и термодинамики. Поэтому заявление «черных дыр нет» популярно в прессе.

Но парадокс огненной стены возникает только при излучении Хокинга в чистом виде, и исследование  Сабины Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder) показывает, что излучение Хокинга не в чистом виде. В своей статье, Хоссенфельдер показывает, что вместо пары спутанных частиц, излучение Хокинга связано с двумя такими парами. Одна спутанная пара попадает в ловушку черной дыры, в то время как другая убегает. Процесс похож на первоначальное предложение Хокинга, но частицы Хокинга не в чистом виде.

Таким образом, нет никакого парадокса. Черные дыры могут излучать свет таким образом, который согласуется с термодинамикой, и область вблизи горизонта событий не имеет огненной стены, как требует общая теория относительности. В итоге, предложение Хокинга является решением проблемы, которой не существует.