Космический пылесос

[Аленка]

У чёрных дыр сложилась репутация объектов, безвозвратно поглощающих всё, что им удаётся "затянуть". Как считает большинство современных физиков, всё, что пересекает горизонт событий – своеобразную точку невозврата, – бесследно растворяется в недрах загадочной сингулярности. Группа американских учёных попыталась понять, были бы у нас шансы при попадании в "космический пылесос". В результате оказалось, что опасения кое в чём могут быть и безосновательны.

 

Точнее было бы, конечно, сказать, что доктору Абхаю Аштекару (Abhay Ashtekar) и его коллегам из университета Пенсильвании (Pennsylvania State University) всего лишь удалось продвинуться ещё на один шаг в разрешении одного из самых интересных научных споров последнего времени: сохраняется в чёрной дыре информация или нет? Или, говоря на языке квантовой механики, нарушаются ли её законы в условиях сильной гравитации.

Это может звучать как оторванная от реальности академическая дискуссия, но у такого космического "форматирования диска" могут быть вполне реальные земные последствия.

 

Напомним, что в "центре" чёрной дыры, как считают многие учёные, лежит сингулярность – точка, в которой кривизна пространства-времени обращается в бесконечность, а законы нашего мира рушатся. А если говорить проще, это точка, к которой неприменимы наши привычные представления о времени и пространстве, где невозможно отличить одно от другого и где, как полагают некоторые специалисты, стрела времени перестаёт существовать.

 

Всё равно сложно? Это действительно непросто представить, но физикам приходится подбирать какие-то аналогии, чтобы описывать эти странные объекты не только одними уравнениями.

 

Сингулярности ставят серьёзную проблему перед квантовой теорией, на основании которой, кстати говоря, сделаны расчёты всех полупроводниковых микросхем и вашего компьютера в том числе. Так вот, один из базовых принципов квантовой механики гласит, что текущее состояние Вселенной зависит от её предыдущего состояния. Соответственно, если "перемотать" все известные состояния Вселенной назад, то можно представить, что было в исходной точке. Этот принцип называется квантовой обратимостью.

 

Для физиков это означает, что можно математически рассчитать параметры всех частиц во Вселенной для какого-либо момента в прошлом и сказать, каким было это прошлое – информация должна сохраняться.

 

В 1970-х годах эти "основы мироздания" были подвергнуты сомнению Стивеном Хокингом – одним из самых известных современных физиков. Он утверждал, что чёрные дыры "перемалывают" всю материю без остатка и квантовая обратимость перестаёт в них работать.

 

Спустя 30 лет, в 2004 году, знаменитый космолог признал, что ошибался. Однако он так и не дал теоретического обоснования, почему "данные" сохраняются. Или не сохраняются. В общем, вопрос оставался открытым.

 

И вот появилась новая, математически выверенная теория, которая попыталась этот вопрос закрыть. Расчёты, проведённые доктором Аштекаром и его группой, позволяют предположить: кое-что всё-таки может выжить в недрах загадочного космического объекта – квантовая информация способна "продраться" сквозь чёрную дыру.

 

Если выкладки верны, это поможет решить важную проблему квантовой механики и сделать чёрные дыры для нас более предсказуемыми.

 

Вселенский шредер: чёрная дыра "перерабатывает" материю без остатка.

Согласно квантовой теории может происходить спонтанное рождение частиц

и античастиц из вакуума. Если поблизости есть чёрная дыра, то её поле

притянет ближайшую частицу, а другая частица, в силу квантовых эффектов,

"уйдёт" на большее расстояние, унося с собой часть энергии-массы (и информации)

чёрной дыры — это явление названо излучением Хокинга. В течение своего

формирования чёрные дыры поглощают множество падающих на них частиц

различных типов и свойств. Хотя квантовая теория требует, чтобы подобная

информация была сохранена, до недавнего времени считалось, что она теряется

в недрах дыры (иллюстрация NASA).

 

А может ли повлиять на нас с вами их гипотетическая непредсказуемость? Да запросто.

Мы уже писали о возможности создания микроскопической чёрной дыры в Европейском центре ядерных исследований (CERN) на большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider — LHC). В принципе, любые исследования с разгоном частиц до сверхвысоких энергий могут привести к созданию небольшой чёрной дыры.

 

Согласно теории Хокинга, такая дыра должна мгновенно "испариться", но при неблагоприятном исходе появление этих "миниатюрных" чёрных дыр даже на миг может уничтожить какую-то часть информации о нашем мире, и эксперимент окончится небывалой катастрофой. "Этот риск потери информации висит дамокловым мечом", — говорят авторы работы.

 

Доктор Аштекар с коллегами решили разобраться с проблемой путём… изменения структуры пространства и времени. Мысленного, разумеется.

Гравитационная теория Эйнштейна — общая теория относительности – рассматривает пространственно-временной континуум, то есть нечто сплошное и непрерывное. Как лист бумаги, например.

Американо-индийский физик обратился к этой аналогии и попытался развить её.

 

Так же, как лист бумаги, состоит из атомов, он представил пространство-время "собранным" из мириад строительных блоков. Как и бумага, пространство-время для удалённого наблюдателя (человека, пишущего письмо) кажется непрерывным, но при значительном приближении можно увидеть отдельные "кирпичики" (скажем, атомы листа бумаги в электронный микроскоп).

 

Основываясь на этой гипотезе, учёный со товарищи сделали математическую модель того, что может представлять собой центр чёрной дыры. При этом для упрощения модели и соответствующего математического аппарата они использовали двухмерные координаты вместо трёхмерных.

 

И вот в этой "плоской" пространственной системе исследователи выяснили, что сингулярность – всепоглощающий космический "стиратель" – исчезает, и вместо неё "появляется" некая причудливая область. Пространство-время в этом новом "сердце" чёрной дыры должно стать настолько непредсказуемым, что все причинно-следственные связи нашего мира окажутся нарушенными. И всё же даже в таких условиях ничего страшного не произойдёт.

 

По крайней мере так можно утверждать на основании полученных теоретических выкладок: в смоделированных учёными "несингулярных" объектах классическая логика не действует, а вот законы квантовой механики работают прекрасно.

 

В работе американских физиков говорится, что наша

Вселенная не непрерывна, а состоит из отдельных блоков-кирпичиков (иллюстрация с сайта pictopia.com).

 

И этот вывод – как бальзам на душу физиков. Ведь если чёрные дыры ведут себя именно так, как говорит доктор Аштекар, информация никогда не будет потеряна и "квантовые" законы продолжат выполняться даже за горизонтом событий.

 

Кстати, если ваc всерьёз заинтересовала эта работа, то её полный текст можно будет найти в выпуске журнала Physical Review Letters от 20 мая 2008 года.

Само собой, теория не претендует на законченность и полноту: полное соединение квантовых эффектов и гравитации должно произойти в давно ожидаемой Теории Всего, а на столь масштабный труд авторы работы не претендуют.

 

По словам профессора Билла Анруха (Bill Unruh), специалиста по гравитации из университета Британской Колумбии (University of British Columbia in Vancouver), полученная теория очень интересна и "находится одной ногой в реальности". По его мнению, теория "блочного пространства" позволит предсказать ранее неизвестные свойства чёрных дыр.

 

В свою очередь астроном Кимберли Уивер (Kimberly Weaver) из NASA, говорит, что необходимо экспериментально подтвердить факт излучения Хокинга и попытаться проанализировать его. Возможно, наблюдения покажут, что в излучаемых частицах какая-то информация о "предыстории" чёрной дыры всё-таки содержится. Но лишь в случае обнаружения "испарения" соответствующей аппаратурой это можно будет утверждать наверняка.

 

"Теория находится в младенческой стадии", — признаёт доктор Аштекар. Но он уверен, что она будет работать и для нашего трёхмерного пространства. А в этом случае, считает физик, исследование может приблизить учёных к пониманию того, как "взаимодействуют" квантовая механика и гравитация. То есть стать ещё одним кусочком мозаики, который поможет понять устройство Вселенной.

 

Если это возможно в принципе, разумеется.

 

 

(с) membrana

[Иванов Анатолий]

Чтобы земля стала черной дырой надо ее сжать в шарик диаметром 9 мм.Согласно расчетам в центре нашей галактики находится черная дыра с массой в миллион солнечных масс.

[Аленка]

ЧЕРНАЯ ДЫРА – область пространства, в которой гравитационное притяжение настолько сильно, что ни вещество, ни излучение не могут эту область покинуть. Для находящихся там тел вторая космическая скорость (скорость убегания) должна была бы превышать скорость света, что невозможно, поскольку ни вещество, ни излучение не могут двигаться быстрее света. Поэтому из черной дыры ничто не может вылететь. Границу области, за которую не выходит свет, называют «горизонтом событий», или просто «горизонтом» черной дыры.

 

Чтобы земля стала черной дырой надо ее сжать в шарик диаметром 9 мм.

Формирование черных дыр.

 

Самый очевидный путь образования черной дыры – коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие поддерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод, и т.д., вплоть до железа у наиболее массивных звезд). Выделяющееся при этом тепло компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением и звездным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя ее сжатию под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается и звезда начинает сжиматься.

 

Наиболее быстро сжимается ядро звезды, при этом оно сильно разогревается (его гравитационная энергия переходит в тепло) и нагревает окружающую его оболочку. В итоге звезда теряет свои наружные слои в виде медленно расширяющейся планетарной туманности или катастрофически сброшенной оболочки сверхновой. А судьба сжимающегося ядра зависит от его массы. Расчеты показывают, что если масса ядра звезды не превосходит трех масс Солнца, то она «выигрывает битву с гравитацией»: его сжатие будет остановлено давлением вырожденного вещества, и звезда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса ядра звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить его катастрофический коллапс, и оно быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой. Как следует из формулы для rg, черная дыра с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8,8 км.

 

Астрономические наблюдения хорошо согласуются с этими расчетами: все компоненты двойных звездных систем, проявляющие свойства черных дыр (в 2005 их известно около 20), имеют массы от 4 до 16 масс Солнца. Теория звездной эволюции указывает, что за 12 млрд. лет существования нашей Галактики, содержащей порядка 100 млрд. звезд, в результате коллапса наиболее массивных из них должно было образоваться несколько десятков миллионов черных дыр. К тому же, черные дыры очень большой массы (от миллионов до миллиардов масс Солнца)могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе, и нашей. Об этом свидетельствуют астрономические наблюдения, хотя пути формирования этих гигантских черных дыр не вполне ясны.

 

Если в нашу эпоху высокая плотность вещества, необходимая для рождения черной дыры, может возникнуть лишь в сжимающихся ядрах массивных звезд, то в далеком прошлом, сразу после Большого взрыва, с которого около 14 млрд. лет назад началось расширение Вселенной, высокая плотность материи была повсюду. Поэтому небольшие флуктуации плотности в ту эпоху могли приводить к рождению черных дыр любой массы, в том числе и малой. Но самые маленькие из них в силу квантовых эффектов должны были испариться, потеряв свою массу в виде излучения и потоков частиц. «Первичные черные дыры» с массой более 1012 кг могли сохраниться до наших дней. Самые мелкие из них, массой 1012 кг (как у небольшого астероида), должны иметь размер порядка 10–15 м (как у протона или нейтрона).

 

Наконец, существует гипотетическая возможность рождения микроскопических черных дыр при взаимных соударениях быстрых элементарных частиц. Таков один из прогнозов теории струн – одной из конкурирующих сейчас физических теорий строения материи. Теория струн предсказывает, что пространство имеет более трех измерений. Гравитация, в отличие от прочих сил, должна распространяться по всем этим измерениям и поэтому существенно усиливаться на коротких расстояниях. При мощном столкновении двух частиц (например, протонов) они могут сжаться достаточно сильно, чтобы родилась микроскопическая черная дыра. После этого она почти мгновенно разрушится («испарится»), но наблюдение за этим процессом представляет для физики большой интерес, поскольку, испаряясь, дыра будет испускать все существующие в природе виды частиц. Если гипотеза теории струн верна, то рождение таких черных дыр может происходить при столкновениях энергичных частиц космических лучей с атомами земной атмосферы, а также в наиболее мощных ускорителях элементарных частиц.

 

~~~~~~~~~~~

 

обалдеть...

[Иванов Анатолий]

обалдеть...

Впечатляет сам процесс коллапса звезды. До состояния белого карлика, когда состояние вырожденного газа (согласно принципу Паули электорны не могут рядом находиться в одном энергетическом состоянии) не дает сжиматься дальше. Да нейтронной звезды когда внутриядерные силы в нейтронах не дают сжимать вещество еще сильнее, и наконец до состояния черной дыры, когда никто не знает в каком состоянии находится материя.Правда идут дебаты, сохраняет ли информацию парный квант антивещества, и можно ли его оттуда достать.

[Строитель]

А вот о рукотворной "чёрной дыре" и возможном "апокалипсисе".

 

location=\'http://www.vesti.ru/videos?vid=135751\'script>');" title='http://www.vesti.ru/videos?vid=135751'>http://www.vesti.ru/videos?vid=135751

 

location=\'http://www.vesti.ru/doc.html?id=188174\'script>');" title='http://www.vesti.ru/doc.html?id=188174'>http://www.vesti.ru/doc.html?id=188174

 

Отсюда вопрос: Должны ли учёные продолжать свои исследования, если есть хотя бы малые сомнения в их успешном завершении?

[Иванов Анатолий]

Чтобы земля стала черной дырой надо ее сжать в шарик диаметром 9 мм.Согласно расчетам в центре нашей галактики находится черная дыра с массой в миллион солнечных масс.

Поправлюсь, в центре Млечного пути черная дыра с массой в 2,6 миллиона масс солнца.Солнце в 333'000 раз превышает массу Земли. В центрах некоторых галактик обнаружены черные дыры с массой в миллиард солнечных масс.

[штурманский]

Попалась мне в своё время книжка(не фантастика), в которой выдвигалась идея послать в чёрную дыру космический корабль. Там говорилось, что если масса дыры достаточно велика и имеет электрический заряд, то корабль и его экипаж уцелеет, и выскочит из этой дыры в другом пространстве.

[Иванов Анатолий]

Попалась мне в своё время книжка(не фантастика), в которой выдвигалась идея послать в чёрную дыру космический корабль. Там говорилось, что если масса дыры достаточно велика и имеет электрический заряд, то корабль и его экипаж уцелеет, и выскочит из этой дыры в другом пространстве.

Да конечно, только во время падения в черную дыру вещество разогревается до нескоьких миллионов градусов. Вот так хорошо разогретыми они и выскочат в другом пространстве.

[Аленка]

а можно ведь видеокамеру в огнеустойчивой оболочке туда отправить... или што нить на подобе???

[Иванов Анатолий]

а можно ведь видеокамеру в огнеустойчивой оболочке туда отправить... или што нить на подобе???

Несколько миллионов градусов, это не несколько тысяч. Испаряется любая материя.Кроме того на падающее тело действуют огромные приливные силы и оно разрушается.Для наблюдателя со стороны падение любой материи на черную дыру процесс бесконечный поскольку замедляется (практически останавливается) время вблизи горизонта событий.Ближайшие черные дыры очень далеко от нас и чтобы достичь их даже летя со соростью света можно достичь лишь через десятки тысяч лет.Да к тому ж, ничего на камеру записать не удастся. Черная дыра она и есть черная, поглощает все, не излучает ничего. После того как прошли горизонт событий не видно ничего даже если сильно светить прожектором -))). Изменено 23 июня, 2008 пользователем Иванов Анатолий

[Pasha L]

Российские ученые выдвинули оригинальную теорию происхождения Вселенной, которая отменяет Большой взрыв, передает ИТАР-ТАСС. Для этого сотрудники Астрокосмического центра Физического института (АКЦ ФИАН) заглянули по ту сторону черной дыры.

 

«Конечно, непосредственно проникнуть в этот астрономический объект, как и прежде, невозможно, — рассказал заведующий отделом Теоретической астрофизики АКЦ ФИАН, доктор физико-математических наук Владимир Лукаш. — Но нам удалось проследить на математической модели процесс прохождения фотонов через эти зоны, где неприменимы законы классической теории относительности».

 

Подробнее: http://news.mail.ru/society/7057813/

Изменено 13 октября, 2011 пользователем Pasha L