10 faktów o czarnych dziurach, które powinien znać każdy

Czarne dziury — jest to chyba najbardziej tajemnicze obiekty Wszechświata. Jeśli, oczywiście, gdzieś w głębi nie czają się rzeczy, o których istnieniu nie wiemy i nie możemy wiedzieć, co jest mało prawdopodobne. Czarne dziury — to kolosalna masa i gęstość, zbierający w jednym punkcie małego promienia. Fizyczne właściwości tych obiektów jest tak dziwne, że zmuszeni zmagać się z najbardziej doświadczonych fizyków i астрофизиков. Sabina Хоссфендер, fizyk-teoretyk, zrobiłam zestawienie dziesięciu faktów o czarnych dziurach, które powinien znać każdy.

Co to jest czarna dziura?

Określenie właściwości czarnej dziury jest jej horyzont. To granica, łamiąc której nic, nawet światło, nie może wrócić z powrotem. Jeśli oddzielony obszar staje się oddzielnie na zawsze, mówimy o "horyzoncie zdarzeń". Jeśli tylko tymczasowo oddzielone, mówimy o "widocznym horyzoncie". Ale to "chwilowo" może również oznaczać, że obszar zostanie oddzielona znacznie dłużej obecnego wieku Wszechświata. Jeśli horyzont czarnej dziury jest tymczasowe, ale najdłużej żyjącym, różnica między pierwszym a drugim jest rozmazany.

Jak wielkie czarne dziury?

Można sobie wyobrazić horyzont czarnej dziury jako sferę, a jej średnica będzie wprost proporcjonalny do masy czarnej dziury. Dlatego im więcej masy spada w czarną dziurę, tym bardziej staje się czarna dziura. W porównaniu z " gwiezdnymi, jak, zresztą, czarne dziury małe, bo masa kurczy się w bardzo małych objętości pod wpływem nieodpartego ciśnienia grawitacyjnego. Promień czarnej dziury o masie z planety Ziemia, na przykład, zaledwie kilka milimetrów. To jest 10 000 000 000 razy mniej niniejszej promienia Ziemi.

Promień czarnej dziury nazywa się promieniem Schwarzschilda na cześć Karla Schwarzschilda, który po raz pierwszy wyprowadził czarne dziury jako rozwiązanie do ogólnej teorii względności Einsteina.

Co się dzieje na horyzoncie?

Kiedy krzyż horyzont, wokół ciebie nic specjalnego się nie dzieje. Wszystko ze względu na zasadę równoważności Einsteina, z którego wynika, że nie można znaleźć różnicę między przyspieszeniem w płaskiej przestrzeni i polem grawitacyjnym, tworzącym krzywiznę przestrzeni. Jednak obserwator z dala od czarnej dziury, który czuwa nad tym, jak ktoś inny zakochuje się w niej, zauważy, że człowiek porusza się coraz wolniej i wolniej, zbliżając się do horyzontu. Jakby czas w pobliżu horyzontu zdarzeń porusza się wolniej, niż z dala od horyzontu. Jednak minie trochę czasu, a padający w dziurę obserwator przekroczy horyzont zdarzeń i okaże się wewnątrz promienia Schwarzschilda.

To, co można doświadczyć na horyzoncie, zależy od pływowych sił pola grawitacyjnego. Siły pływowe na horyzoncie są odwrotnie proporcjonalne do kwadratu masy czarnej dziury. Oznacza to, że im większe i masywniejsze czarna dziura, tym mniej siły. I jeśli tylko czarna dziura będzie na tyle olbrzymia, będziesz w stanie pokonać horyzont jeszcze przed tym, jak zauważy, że coś się dzieje. Efekt tych sił pływowych rozciągnąć ciebie: termin techniczny, który w tym celu wykorzystuje się fizyki, nazywa się "спагеттификация".

W pierwszych dniach ogólnej teorii względności uważano, że na horyzoncie jest osobliwość, ale to okazało się nie tak.

Co jest w środku czarnej dziury?

Nikt nie wie na pewno, ale na pewno nie z książkami. Ogólna teoria względności przewiduje, że w czarnej dziurze osobliwość, miejsce, w którym siły pływowe są nieskończenie duże, i jak tylko преодолеваете horyzont zdarzeń, nie można już dostać się gdzie indziej, jak tylko w osobliwość. Odpowiednio, ZE lepiej nie używać w tych miejscach — ona po prostu nie działa. Aby powiedzieć, co się dzieje wewnątrz czarnej dziury, potrzebna nam teoria kwantowej grawitacji. Udowodnione jest, że ta teoria zastąpi osobliwość czymś innym.

Jak powstają czarne dziury?

Obecnie wiemy o czterech różnych sposobach powstawania czarnych dziur. Najlepiej rozumiemy związane z rozgwieżdżonym upadku. Dość duża gwiazda tworzy czarną dziurę po tym, jak jej fuzję jądrową kończy, bo wszystko, co można było już syntetyzować, było syntetyzować. Gdy ciśnienie wytwarzane przez syntezą ustaje, substancja zaczyna się zbiórka do własnego grawitacyjnemu środka, stając się coraz bardziej gęsta. W końcu jest tak zbita, że nic nie może pokonać oddziaływanie grawitacyjne na powierzchni gwiazdy: tak rodzi się czarna dziura. Te czarne dziury są nazywane "czarnymi dziurami masy słonecznej" i najbardziej powszechne.

Kolejnym popularnym typem czarnych dziur są "czarne dziury istnieją one", które można znaleźć w centrach wielu galaktyk, które mają masę około miliard razy więcej, niż czarne dziury masy słonecznej. Na razie nie wiadomo dokładnie, jak one powstają. Uważa się, że kiedy one zaczynały się jak czarne dziury masy słonecznej, które w gęsto zaludnionych galaktycznych centrach podbijać wiele innych gwiazd i rosły. Niemniej jednak, wygląda na to, pochłaniają substancja szybciej, niż zakłada to prosty pomysł, a jak to robią to — wciąż pozostaje przedmiotem badań.

Bardziej kontrowersyjny pomysł nierdzewnej pierwotne czarne dziury, które mogą być formowane w prawie każdej masą w dużych флуктуациях gęstości we wczesnym Wszechświecie. Chociaż to może być dość trudno znaleźć model, który je produkuje, jednocześnie nie powodując nadmiernego ichilość.

W Końcu, jest bardzo умозрительная pomysł o tym, że w Wielkim zderzaczu hadronów mogą powstawać małe czarne dziury, o masach, bliskimi masy bozonu Higgsa. To działa tylko w przypadku, gdy u naszego Wszechświata są dodatkowe pomiary. Na razie nie było żadnych dowodów na rzecz tej teorii.

Skąd wiemy, że czarne dziury nie istnieją?

Mamy wiele obserwacyjnych dowodów na istnienie niewielkich obiektów z dużymi masami, które nie emitują światło. Obiekty te wydają się grawitacyjnemu grawitacji, na przykład, za pomocą ruchów innych gwiazd lub gazowych chmur wokół nich. One również tworzą grawitacyjne линзирование. Wiemy, że tych obiektów nie ma twardej powierzchni. To wynika z obserwacji, bo substancja, padając na obiekt z powierzchnią, musi powodować uwalnianie większej liczby cząstek, niż substancja leci przez horyzont.

Dlaczego w zeszłym roku Hawking powiedział, że czarne dziury nie istnieją?

Miał na myśli, że czarne dziury nie mają wiecznego horyzontu zdarzeń, a tylko tymczasowy pozorny horyzont (patrz punkt pierwszy). W ścisłym znaczeniu tylko horyzont zdarzeń jest czarną dziurą.

Jak czarne dziury emitują promieniowanie?

Czarne dziury emitują promieniowanie kosztem kwantowych efektów. Ważne jest, aby pamiętać, że efekty kwantowe materii, a nie kwantowe efekty grawitacji. Dynamiczna przestrzeń-czas коллапсирующей czarnej dziury zmienia samej definicji cząstki. Podobnie jak rzeki czasu, który jest zniekształcony obok czarną dziurą, pojęcie cząstek jest zbyt zależna od obserwatora. W szczególności, gdy obserwator, spadającego na czarną dziurę, myśli, że spada w próżni, obserwator daleko od czarnej dziury myśli, że to nie jest próżnia, a pełne cząstek przestrzeń. Właśnie rozciąganie czasu i przestrzeni powoduje ten efekt.

Po raz Pierwszy wykryta Stephenem Hawkingiem, испускаемое czarną dziurą promieniowanie nazywa się "promieniowanie Hawkinga". Promieniowanie to ma temperaturę, odwrotnie proporcjonalną do masy czarnej dziury: im mniejsza czarna dziura, tym wyższa temperatura. U gwiezdnych i bardzo masywnych czarnych dziur, które znamy, temperatura jest znacznie niższa od temperatury mikrofalowego tła i dlatego nie obserwuje się.

Co to jest paradoks informacyjny?

Paradoks utraty informacji spowodowany promieniowaniem Hawkinga. Promieniowanie to czysto termiczne, czyli przypadkowo i z pewnych właściwości ma tylko temperaturę. Promieniowanie samo w sobie nie zawiera żadnej informacji o tym, jak powstała czarna dziura. Ale gdy czarna dziura emituje promieniowanie, traci masę i kurczy. Wszystko to zupełnie nie zależy od substancji, która stała się częścią czarnej dziury lub z którego ona powstała. Wychodzi na to, wiedząc tylko stan końcowy parowania nie można powiedzieć, z czego powstała czarna dziura. Ten proces "nieodwracalne" — sęk w tym, że w mechanice kwantowej nie ma takiego procesu.

Wychodzi na to, parowanie czarnej dziury jest niezgodna z kwantowej teorii, znanej nam, i z tym trzeba coś zrobić. Jakoś usunąć niespójność. Większość fizyków uważa, że rozwiązanie polega na tym, że promieniowanie Hawkinga musi w jakiś sposób zawierać informacje.

Co oferuje Hawking do rozwiązania paradoksu informacyjnego czarnej dziury?

Pomysł polega na tym, że u czarnych dziur musi być sposób przechowywać informacje, które do tej pory nie przyjęli. Informacje są przechowywane na horyzoncie czarnej dziury i może powodować drobne przesunięcia cząstek w promieniowaniu Hawkinga. W tych maleńkich przesunięcia może być informacje o zgromadzonej wewnątrz materii. Dokładne szczegóły tego procesu w chwili obecnej nie są określone. Naukowcy czekają na bardziej szczegółowego technicznego dokumentu od Stephena Hawkinga, Малькома Perry i Andrew Строминджера. Mówią, że pojawi się pod koniec września.

W tej chwili jesteśmy pewni, że czarne dziury istnieją, wiemy, gdzie one są, jak powstają i czym staną się w końcu. Ale szczegóły tego, gdzie ma iść przekazana w nich informacje, do tej pory stanowią jedną z największych zagadek Wszechświata.