Черной дыры больше нет. Большого взрыва не было, а Черные дыры не существуют – доказано математически

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.

Черных дыр не существует? September 29th, 2014

И как будто всего этого было недостаточно: сейчас появилась информация, что они и вовсе не существуют. Женщина математически доказала , что таких астрофизических объектов, как черные дыры, в природе просто не может существовать.

Давайте узнаем подробнее, что же это за версия в науке …

Объединив две, на первый взгляд, противоположные теории, Лаура Мерсини-Хьюстон (Laura Mersini-Houghton), профессор физики Колледжа наук и искусств Университета Северной Каролины (США), математически доказала, что черные дыры вообще не могли существовать. Ее исследование не только заставляет ученых переосмыслить ткань пространства-времени, но также и вновь задуматься над происхождением Вселенной.

Черные дыры - термин, популяризированный полвека назад американским теоретиком Джоном Уилером, - сверхмассивные релятивистские объекты, существование которых лежит в основе множества астрофизических теорий, описывающих эволюцию галактик, звезд, квазаров. И хотя сегодня их существование у большинства астрономов не вызывает сомнений, формально эти объекты считаются гипотетическими.

Поскольку эти объекты ни излучают свой, ни отражают чужой свет, определять их наличие можно только косвенными методами. Так, ученых убеждает в их существовании быстрое вращение звезд рядом с центрами галактик и отклонение лучей света (линзирование), которое наблюдается в окрестностях этих сильно гравитирующих объектов.

Астрономам известны черные дыры двух типов - звездных масс и сверхмассивные черные дыры массой в миллиарды масс Солнца.

Ведутся споры о существовании черных дыр промежуточных масс. Считается, что первый тип образуется при коллапсе массивных звезд, когда звезда, раздувшись, сбрасывает внешние слои и коллапсирует внутрь себя под действием собственной гравитации. Происхождение же сверхмассивных черных дыр вызывает у астрономов споры: то ли они формировались одновременно со Вселенной в сгустках темной материи, то ли при коллапсе больших газовых облаков.

То же самое произойдет, если Землю сжать до размеров грецкого ореха: ее плотность возрастет настолько, что ни одно тело не сможет оторваться от ее поверхности, даже двигаясь со скоростью света.

Основной характеристикой черной дыры является размер ее горизонта событий - воображаемой поверхности, попав за которую ни тело, ни информация уже не могут попасть обратно. Прелесть черных дыр в том, что они противопоставляют друг другу две фундаментальные физические теории - эйнштейновскую теорию гравитации, из которой вытекает возможность их существования, и квантовую теорию, которая постулирует, что никакая информация во Вселенной не может никуда исчезнуть.

В 1974 году известный британский ученый Стивен Хокинг предсказал, что черные дыры должны испаряться. Квантовая теория гласит, что в физическом вакууме постоянно рождаются пары частица - античастица. При этом рождение таких пар у горизонта событий допускает возможность, что одна частица упадет на черную дыру, а другая - нет. Так, улетевшие частицы могут уносить массу дыр за счет так называемого излучения Хокинга.

Примечательно, что свою теорию Хокинг выдвинул вскоре после того, как в 1973 году встречался в Москве с советскими физиками Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским.

Они убедили Хокинга в том, что вращающаяся черная дыра может испускать электромагнитные волны и частицы.

Марсини-Хоутон математически описала процесс коллапса массивных звезд и пришла к парадоксу. Ее расчеты показали, что при коллапсе звезды возникает излучение Хоккинга, которое заставляет звезду стремительно терять свою массу.

Причем настолько стремительно, что плотность внутренних областей перестает расти и образование черной дыры останавливается.

«Я сама не могу оправиться от шока. Мы изучали эту проблему более 50 лет, и это решение заставляет нас о многом задуматься», - сказала исследовательница.

Исследование, которое было направлено в базу ArXiv , онлайн хранилище исследований в области физики, которые не рецензируются, содержит точные математические решения этой проблемы и подготовлено в сотрудничестве с Гаральдом Пайффером (Harald Peiffer), экспертом в области математической относительности из Университета Торонто (Канада). Более раннее исследование Мерсини-Хьюстон, также направленное в ArXiv в июне, было опубликовано в журнале Physics Letters B и содержит приблизительное решение исследуемой проблемы.

Экспериментальные данные когда-нибудь могут представить физическое доказательство, существуют ли черные дыры во Вселенной. Однако на данный момент, по словам Мерсини-Хьюстон, математические выводы являются окончательными.

Многие физики и астрономы полагают, что наша Вселенная возникла из сингулярности, которая стала расширяться после Большой взрыва. Однако если сингулярностей не существует, ученым придется вновь обдумать теорию Большого взрыва и даже вопрос о том, произошел ли он в действительности.

«Физики пытались объединить эти две теории – теорию гравитации Эйнштейна и квантовую механику – на протяжении десятилетий, и этот сценарий приводит теории в гармонию, — говорит Мерсини-Хьюстон. – Это очень важно».

Что на самом деле остается на месте массивных звезд, могут дать дальнейшие наблюдения. Взрывы массивных звезд уже наблюдались в новейшую историю, так, в 1987 году астрономы наблюдали ярчайшую вспышку сверхновой SN 1987A. Однако ни черной дыры, ни нейтронной звезды на ее месте пока не обнаружено.

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.

Американский ученый высказал предположение, что черных дыр – одного из «краеугольных камней» современной физики – нет и быть не может. Предложенная им теория объясняет феномен темной энергии во Вселенной.

Согласно данным наблюдений движения галактик, проводившимся в последние годы, Вселенная на 70% состоит из так называемой «темной», или невидимой, энергии, благодаря которой она расширяется с непрерывно возрастающей скоростью.

Как сообщает Nature, Джордж Чаплин (George Chapline) из национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе высказал предположение, что коллапс массивных звезд приводит к образованию не черных дыр, как полагает современная астрофизика, а особых звезд, содержащих темную энергию. «Черных дыр почти наверняка не существует», - утверждает он.

До сих пор считалось, что черные дыры являются одним из наиболее убедительных подтверждений правоты общей теории относительности Эйнштейна, согласно положениям которой гравитация - не что иное как свойство пространства-времени, деформируемого массивными телами. Согласно теоретическим положениям, при неудержимом сжатии звезды с массой, превышающей некое пороговое значение, коллапс этот продолжается до тех пор, пока она не «схлопнется» в точку, из «капкана» которой неспособно вырваться даже электромагнитное излучение.

Правда, сам Эйнштейн, указывает Джордж Чаплин, в существование черных дыр не верил. «К сожалению, он не пояснил, почему именно» - говорит г-н Чаплин. Корень проблемы, по всей видимости - в квантовой механике, другой революционной теории ХХ века, в формировании которой Эйнштейн также принял самое непосредственное участие.

С точки зрения общей теории относительности, «универсального времени» во Вселенной не существует. Более того, скорость хода часов, вообще говоря, непостоянна и зависит от того, где они находятся. В то же время квантовая механика, как указывает Джордж Чаплин, имеет смысл только в том случае, если универсальное время все-таки существует - в противном случае ее аппарат просто неприменим.

В особенности вопиющее расхождение двух теорий проявляется при попытке описания физики событий, происходящих у так называемого «горизонта событий» гипотетической черной дыры. Удаленному наблюдателю будет казаться, что время здесь практически остановилось. Но для экипажа звездолета, падающего в "мысленном эксперименте" на черную дыру, время будет идти как обычно. «Общая теория относительности предсказывает, что в горизонте событий ничего не произойдет», - говорит г-н Чаплин.

Тем не менее, еще три десятка лет назад теоретики указали на то, что материя, согласно законам квантовой механики, должна у горизонта событий становиться «гиперчувствительной» к малейшим возмущениям. «Этот результат быстро позабыли, - говорит г-н Чаплин, - поскольку он не согласуется с предсказаниями общей теории относительности. Но на самом деле результат абсолютно верен».

Странное поведение материи, указывает он, является характерным признаком качественного «фазового перехода» пространственно-временного континуума. При этом коллапс массивной звезды приводит не к образованию черной дыры, а к появлению объекта («звезды»), состоящей из темной энергии, вследствие чего возникают интересные и загадочные гравитационные эффекты.

Снаружи такая звезда будет напоминать черную дыру с мощным гравитационным полем. Но вот внутри нее «отрицательная» гравитация темной энергии может привести к тому, что вещество будет «отскакивать» от нее. Если звезда будет достаточно большой, указывает г-н Чаплин в своей статье, «отскочившие» от нее электроны превратятся в собственные античастицы - позитроны - которые при аннигиляции с электронами приведут к образованию характерного гамма-излучения. При этом спектр излучения гипотетического объекта массой 1 млн. масс Солнца в области единиц МэВ хорошо согласуется с распределением 511 КэВ аннигиляционного излучения, приходящего из центральной области Галактики. Этот спектр очень похож также на спектр гамма-вспышек, что позволяет интерпретировать их как результат падения вещества, но не на черные дыры, а на звезды с темной энергией. По мнению Джорджа Чаплина, Вселенная изобилует «примордиальными» звездами с темной энергией, образовавшимися на заре развития Вселенной не вследствие коллапса звезд, а в результате деформации пространства-времени.