Стивен Хокинг: черные дыры - окна в другие Вселенные. Почему Хокинг ошибся по поводу черных дыр? Стивен хокинг черные дыры в разумах студентов

Решение парадокса потери информации в черных дырах. Эта проблема многими учеными считается одной из самых важных в физике, поскольку связана с детерминированностью мира - тем, как прошлое, настоящее и будущее влияют друг на друга. «Лента.ру» рассказывает подробности исследования.

Сущность проблемы информационного парадокса черных дыр сводится к следующему. Согласно простейшей версии теоремы «об отсутствии волос» , незаряженные и невращающиеся черные дыры, описанные в пространстве-времени Шварцшильда, характеризуются только одним параметром - массой. Слово «волосы» в этом случае используется в качестве метафоры для обозначения других параметров и предложено физиком Джоном Уилером .

Парадокс означает, что нет никакого способа отличить друг от друга черные дыры, имеющие равные массы. Материя, попадающая в черную дыру, впоследствии испаряется благодаря излучению Хокинга , и неясно, что происходит с переносимой ею ранее информацией. В широком смысле это может означать, как отметил Строминжер в интервью редактору Сету Флетчеру для Scientific American, недетерминированность мира: настоящее не определяет будущее и не может быть использовано для полной реконструкции прошлого.

О новом открытии Хокинг впервые заявил 25 августа 2015 года, выступая на конференции в Королевском технологическом институте в Стокгольме. Тогда он заинтриговал научную общественность готовящейся статьей, посвященной решению парадокса черных дыр. «Информация сохраняется не внутри, как можно было бы ожидать, а на горизонте событий черной дыры», - заявил тогда ученый. Он также упомянул супертрансляции, используемые авторами в работе (о них - ниже), исследование которых Строминжером вдохновило Хокинга на написание статьи. «Идея в том, что супертрансляции есть голограмма падающих частиц, - сказал Хокинг. - Они содержат всю информацию, которая иначе могла бы быть утеряна». Рассказал ученый и о перспективах использования информации из черных дыр. «Для всех практических целей информация теряется», - сказал Хокинг. По его словам, черные дыры возвращают информацию в «хаотической и бесполезной форме».

В своей лекции, организованной на день раньше, 24 августа, Хокинг рассказал о черных дырах как туннелях в другие вселенные. «Если черная дыра достаточно большая и вращается, она может быть мостом в другую вселенную. Но пройдя по нему, вы не вернетесь в нашу», - сказал физик. Представленные на конференции соображения Хокинг изложил 3 сентября в препринте на сайте arXiv.org. Сама работа Хокинга в соавторстве с Перри и Строминжером была опубликована там же 5 января 2016 года.

Ранее (с середины 1970-х годов) Хокинг полагал, что в черных дырах информация не сохраняется. По этому вопросу в 1997 году он и Кип Торн заключили пари с американским физиком-теоретиком Джонном Прескиллом . Точка зрения Хокинга об информационном парадоксе черных дыр изменилась после прогресса в теории струн.

В 1996 году в рамках теории струн Строминджер и Кумрун Вафа продемонстрировали вывод выражения для энтропии черных дыр, впервые полученного термодинамическим способом израильским физиком Якобом Бекенштейном в 1973 году. Их вывод указывает на то, что при испарении черных дыр сохраняется унитарность квантовой механики (связанная с непротиворечивой интерпретацией вероятности), что ранее Хокинг подвергал сомнению.

В опубликованной в 2005 году работе британский ученый попробовал качественно объяснить сохранение информации в черной дыре при помощи техники функционального интеграла , взятого по пространству с тривиальной топологией . Эти же результаты следовали из предложенной в 1998 году Хуаном Малдасеной в рамках теории струн идеи AdS/CFT-соответствия. Она, в свою очередь, основана на голографическом принципе, предложенном в 1993 году нидерландским физиком-теоретиком Герардом т"Хоофтом (этот ученый 5 сентября 2015 года опубликовал препринт с альтернативным способом сохранения информации черной дырой).

В новой работе ученые основывались на исследованиях 1960-х годов. Тогда физики Стивен Вайнберг и другие предложили концепцию супертрансляций (их не стоит путать с одноименным термином, используемым в суперматематике). Кроме того, авторы использовали результаты Строминжера и соавторов, из которых следовало наличие у черной дыры так называемых мягких волос. Строминжер использовал известные из квантовой электродинамики мягкие фотоны - кванты электромагнитного излучения большой длины волны, используемые в перенормировках (процедурах устранения расходимостей в квантовой теории поля). Такие частицы обладают малой энергией и при описании вакуумного состояния (с наименьшей энергией) приводят к появлению нового квантового состояния, характеризующегося угловым моментом (поскольку таковой есть у фотона).

Строминжер заинтересовался вопросом, будет ли отличным первоначальное квантовое состояние системы от последующего в случае, если положить длину волны фотона бесконечной (то есть посчитать его энергию равной нулю). Вычисления показали, что квантовое состояние системы в этом случае изменится. Мягкие гравитоны и фотоны в пределе бесконечной длины волны существуют на границах пространства-времени. В приложении к черным дырам оказывается, что мягкие частицы локализуются на горизонте событий - трехмерной голограмме четырехмерной пространственно-временной дыры.

Говоря о супертрансляциях, ученые имеют в виду преобразования идентичных световых лучей, существующих на горизонте событий черной дыры. В 1960-х годах супертрансляции использовались для описания световых лучей на бесконечности пространства-времени, а не горизонте событий черных дыр. Строминжер пояснил идею супертрансляции на примере совокупности бесконечно длинных и идентичных друг другу соломинок. Если одну из них переместить вверх или вниз относительно других, можно ли считать такое перемещение реальным? Исследования ученых дали положительный ответ на этот вопрос.

«Если вы сравните две черные дыры, которые отличаются только добавлением мягкого фотона, который не изменяет энергию, вы получите разные черные дыры. А потом вы позволите им испариться. В этом случае они должны испариться во что-то отличное друг от друга. Мы даем точную формулу, являющуюся одним из главных результатов нашей работы, описывающую отличия в квантовом состоянии черной дыры, в которую был или не был добавлен мягкий фотон», - рассказал в интервью Scientific American Строминжер.

Физик отметил, что в ходе проведенного исследования ему удалось сформулировать 35 перспективных задач, решение каждой из которых может занять до нескольких месяцев. «Если у нас есть все ингредиенты для понимания квантовой динамики черных дыр, это делает возможным подсчет количества голографических пикселей», - сказал он. В дальнейшем Строминжер с соавторами собирается изучать не супертрансляции, а суперротации. Используя аналогию с одинаковыми бесконечно длинными соломинками, можно сказать, что в этом случае последние меняются местами друг с другом (одна соломинка совершает вращение вокруг другой).

«Они (суперротации) представляют собой еще один вид симметрии на бесконечности, где вы не просто перемещаете световые лучи вверх и вниз, а позволяете им двигаться друг относительно друга», - сказал Строминжер. Такие преобразования ученые начали изучать около десяти лет назад, а прогресс в их понимании достигнут лишь в последние два года. Свое видение новой работы Хокинг, отметивший 8 января свое 74-летие, представит на лекциях, которые 26 января и 2 февраля будет транслировать BBC Radio 4.

Физики, заявляющие о том, что «никаких чёрных дыр нет, по крайней мере их нет в том смысле, в котором мы их себе представляем», в лучшем случае заработают репутацию... чудаков. Возможно, даже на букву «м». А вот Стивену Хокингу позволяется всё.

В своей новой работе известный физик заявляет о необходимости покончить с концепцией «горизонта событий», ключевым элементом в наших сегодняшних представлениях о чёрных дырах. Именно попав за его пределы, ничто, включая свет, не может покинуть чёрную дыру (ЧД), что в конечном счёте порождает все эти парадоксы вроде потери информации (чего, казалось бы, не может быть) и прочих «огненных стен».

Подготовлено по материалам Nature News . Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Александр Березин
24 января 2014 года
compulenta

Нет, речь не о настоящей стене из пламени: гореть там нечему, да и негде. Скорее за горизонтом событий чёрной дыры должна быть какая-то «противопожарная перегородка», своего рода брандмауэр. Ибо если его там нет, ОТО в опасности.

Документальный фильм «Краткая история времени» основан на одноимённом научно-популярном бестселлере британского физика-теоретика Стивена Хокинга, в котором автор затрагивает вопросы: откуда взялась Вселенная, как и почему она возникла, каков будет ее конец, если вообще будет. Но режиссёр ленты Эррол Моррис не ограничился одним лишь изложением содержания книги: в фильме много внимания уделено личности и повседневной жизни самого Хокинга.

Концепция массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, необходимая для преодоления этого притяжения (вторая космическая скорость), равна или превышает скорость света, впервые была высказана в 1784 году Джоном Мичеллом в письме, которое он послал в Королевское общество. Письмо содержало расчёт, из которого следовало, что для тела с радиусом в 500 солнечных радиусов и с плотностью Солнца вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым. Мичелл предположил, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов.

Документальный фильм 2013 года об одном из величайших учёных XX века – Стивене Хокинге. Фильм расскажет нам о жизни этого удивительного человека со школьных лет и до сегодняшних дней.

В конце января 2014 года на сайте arXiv.org появился препринт работы Стивена Хокинга, в которой тот предложил отказаться от понятия горизонта событий - формальной границы черной дыры, существование которой предсказывается в рамках теории относительности. Сделано это было для того, чтобы решить так называемую проблему файервола, или «стены огня», возникающую на стыке квантовой механики и теории относительности. Горизонт событий предлагалось заменить так называемым видимым горизонтом.

Вселенную заполняет гравитационно-волновой шум - беспорядочное наложение гравитационных волн, излученных в самых разных процессах за всё время жизни Вселенной. Обычно эффект от гравитационных волн ищут на специальных сверхчувствительных приборах, детекторах гравитационных волн. Авторы нового исследования пошли иным путем: они использовали данные специально выбранных сейсмометров. Им удалось получить новые оценки на интенсивность гравитационно-волнового шума Вселенной, которые в миллиард раз точнее предыдущих.

Трое физиков-теоретиков из Онтарио опубликовали в Scientific American статью, где объясняют, что наш мир вполне может быть поверхностью четырехмерной черной дыры. Мы сочли необходимым опубликовать соответствующие разъяснения.

Чем дольше период изменения блеска переменной звезды класса цефеид, тем больше энергии она излучает.

Ксанфомалити Л. В.

Понадобилось несколько поколений, чтобы новые физические идеи органично впитались наукой, а затем стали плодоносить (иногда, увы, грибами термоядерных взрывов). Революционные научные и технические достижения второй половины ХХ века основывались главным образом на гигантском прогрессе в физике твердого тела, прежде всего полупроводников. Но на новом стыке веков в науке стали разворачиваться события, масштаб которых вполне сопоставим с тем, что был в начале XX века. На международных конференциях доклады о новостях космологии собирают массу народа. Нового Эйнштейна пока не видно, но дело зашло очень далеко. Речь в предлагаемой статье пойдет о новых открытиях, которые привели к небывало глубокой ревизии представлений о Вселенной, в которой мы обитаем.

Даже астрономы не всегда правильно понимают расширение Вселенной. Раздувающийся воздушный шар – старая, но хорошая аналогия расширения Вселенной. Галактики, расположенные на поверхности шара, неподвижны, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними возрастает, а размеры самих галактик не увеличиваются.

Величайший космолог и физик-теоретик нашего времени. Родившийся в 1942 году, будущий ученый уже в 20 лет начал испытывать проблемы со здоровьем. Боковой амиотрофический склероз сильно затруднял обучение на факультете теоретической физики Оксфорда, однако не мешал Стивену вести весьма активный, наполненный событиями образ жизни. Он женился в 1965, стал членом Лондонского Королевского общества в 1974. К этому времени у него уже родились дочь и два сына. В 1985 году ученый перестал говорить. Сегодня в его организме подвижность сохранила только одна на щеке. Казалось, что полностью неподвижный и приговорен. Однако в 1995 он снова женится, а в 2007… совершает полет в невесомости.

На Земле нет человека, лишенного подвижности, который жил бы настолько наполненной, полезной и интересной жизнью.

Но и это еще не все. Величайшей разработкой Хокинга стала теория Черных дыр. «Теория Хокинга», как ее теперь называют, кардинально изменила многолетние представления ученых о Черных дырах Вселенной.

В начале работы над теорией ученый, как и многие его коллеги, утверждал, навсегда уничтожается все, что попадает в них. Этот информационный парадокс не давал покоя военным и ученым всего мира. Считалось, что никаких свойств этих космических объектов, за исключением массы, установить невозможно.

Занявшись изучением Черных дыр в 1975 году, Хокинг установил, что они постоянно излучают в космос поток фотонов и некоторых других элементарных частиц. Однако даже сам ученый был уверен, что «излучение Хокинга» носит случайный, непредсказуемый характер. Ученый британец сначала думал, что это излучение не несет никакой информации.

Однако свойство гениального ума - умение постоянно сомневаться. Хокинг продолжил исследования и обнаружил, что испарение Черной Дыры (т.е. излучение Хокинга) носит квантовый характер. Это позволило ему сделать вывод, что информация, попавшая в Черную дыру, не разрушается, а изменяется. Теория о том, что состояние дыры постоянно, верно, если рассматривать его с точки зрения неквантовой физики.

С учетом квантовой теории, вакуум наполнен «виртуальными» частицами, которые излучают разные физические поля. Сила излучения меняется постоянно. Когда она становится очень сильной, непосредственно из вакуума на горизонте событий (границе) Черной дыры могут родиться пары частица-античастица. Если полная энергия одной частицы оказывается положительной, а второй - отрицательной, если при этом частицы упали в Черную дыру, то они начинают вести себя по-разному. Отрицательная античастица начинает уменьшать энергию покоя Черной дыры, а положительная частица стремится в бесконечность.

Со стороны этот процесс выглядит как испарение, идущее из Черной дыры. Именно и носит название «излучение Хокинга». Ученый установил, что это «испарение» искаженной информации имеет собственный тепловой, видимый приборами, спектр, определенную температуру.

Излучение Хокинга, по мнению самого ученого, свидетельствует о том, что не вся информация теряется и навсегда исчезает в Черной дыре. Он уверен, что квантовая физика доказывает невозможность полного уничтожения или потери информации. А это значит, что такую информацию, пусть в измененном виде, содержит излучение Хокинга.

Если ученый прав, то прошлое и будущее Черных дыр можно исследовать так же, как историю других планет.

К сожалению, мнение о возможности путешествия через время или в другие вселенные при помощи Черных дыр. Наличие излучения Хокинга доказывает, что любой объект, упавший в дыру, вернется в нашу Вселенную в виде измененной информации.

Не все ученые разделяют убеждения британского физика. Однако оспаривать их они тоже не решаются. Сегодня весь мир ждет новых публикаций Хокинга, в которых он обещал подробно и доказательно подтвердить объективность своей перевернувшей научный мир теории.

Тем более что ученым удалось получить излучение Хокинга в лабораторных условиях. Это произошло в 2010 г.

Стивен Хокинг опроверг традиционную теорию черных дыр

Знаменитый физик Стивен Хокинг опубликовал статью на сайте библиотеки Корнеллского университета (США), в которой утверждает, что черных дыр в их сегодняшнем понимании не существует. Об этом сообщает научный журнал .

Традиционно считается, что каждую дыру окружает невидимая граница — горизонт событий, миновать который не может ничто, даже свет. Между тем Хокинг предлагает заменить термин «горизонт событий» на «видимый горизонт», который, по его мнению, лишь временно задерживает материю и энергию, после чего снова выпускает их, хотя и в искаженном виде. А отсутствие горизонта событий означает, что не существует и черных дыр.

Стивен Хокинг объясняет, что тогда как по классической теории пути назад из черной дыры нет, если следовать квантовой теории, то энергия и информация все же способны покидать черную дыру. Правда, полное объяснение процесса потребовало бы создать теорию квантовой гравитации, объединяющую квантовую механику и общую теорию относительности, чего физикам не удается сделать уже целое столетие. Но учитывая, что Стивен Хокинг является одним из создателей теории черных дыр, к его теории, пусть и не до конца математически доказанной, стоит проявить внимание.

Напомним, что в конце 2013 года европейский исследовательский совет выписал грант на 14 миллионов евро команде проекта BlackHoleCam («Камера черной дыры»), цель которой — сделать первые в мире фотографии черной дыры .

http://www.vokrugsveta.ru/news/14791/

Стивен Хокинг выложил на arXiv.org препринт своей статьи, в которой предложил объяснение парадокса файервола (firewall), или «стены огня». Из объяснения следует, что черных дыр в классическом понимании этого слова не существует.

По мнению Хокинга, из-за вызванных квантовыми эффектами возмущений определить точную границу черной дыры невозможно в принципе. В рассуждениях, которые занимают всего две страницы печатного текста, он предлагает заменить горизонт событий так называемым «видимым горизонтом событий». Этот горизонт способен задерживать материю и энергию только на время, а не навсегда.

«Отсутствие горизонта событий означает, что не существует и черных дыр. По крайней мере, в смысле регионов пространства, в которые свет не в состоянии проникнуть», - делает вывод Хокинг.

Физик Дон Пейдж, слова которого приводит Nature News, считает, что в схеме Хокинга со временем видимый горизонт черной дыры может вообще исчезнуть. В результате, все, что в такой дыре было, будет выброшено наружу.

В работе Хокинг также пишет, что излучение дыры будет носить хаотический (в математическом смысле) характер. Это означает, что, несмотря на принципиальное сохранение информации, извлечь ее из излучения не представляется возможным. В работе физик сравнивает задачу извлечения информации с задачей предсказания погоды. Хаотичность в данном случае означает такую зависимость задачи от начальных условий, что малейшая неточность в определении этих условий приводит к принципиально различным решениям задачи. Физик признается, что строгую математическую реализацию его идей еще предстоит найти.

Согласно представлениям теории относительности, если материя достигает некоторой критической плотности, под воздействием собственной гравитации она коллапсирует в черную дыру. Это регион пространства, в котором гравитационные силы настолько велики, что даже свет не может его покинуть. Дыра от остальной Вселенной отделена горизонтом событий - условным барьером, проницаемым только в одну сторону. В случае, если речь идет о сверхмассивной черной дыре достаточно большого радиуса, приливные силы на горизонте событий слабы, и гипотетический наблюдатель может даже не заметить пересечения этой границы.

В классической теории относительности черная дыра не могла ничего излучать (астрономы находят дыры, например, по излучению падающей на них материи). В середине XX века Стивен Хокинг обнаружил, что квантовые эффекты вблизи горизонта событий приводят к тому, что дыра на самом деле излучает. Однако, спектр этого излучения оказался аналогичным спектру излучения абсолютно черного тела. С точки зрения квантовой механики, это означает, что черная дыра теряет информацию о том, что она поглотила. Этот эффект противоречит постулату о сохранении информации (в некотором смысле, далеко идущее обобщение закона сохранения энергии) и получил название информационного парадокса черных дыр.

Развивая идеи Хокинга и пытаясь разрешить парадокс, физик Джо Полчински с коллегами в 2012 описали эффект так называемой «стены огня». Суть его состоит в том, что, и з -за так называемой AdS/CFT-двойственности (о ней в интервью «Ленте.ру» подробно
рассказал Брайан Грин) вместо горизонта событий образуется так назыв аемая «стена огня» — регион с частицами колоссальных энергий. Этот результат, в свою очередь, оказывается в противоречии с теорией относительности, согласно которой горизонт событий нич ем не отличается от остальных регионов пространства с точки зрения физических з аконов.

Попробую объяснить чуть подробнее. С точки зрения Общей теории относительности, гравитация - искривление самого пространства-времени (да-да, всё дело в геометрии). Представим столь массивный объект, у которого вторая космическая скорость (преодоление притяжения) выше скорости света. А скорость света в вакууме - предельная скорость взаимодействия во вселеной.

Таким образом, чёрная дыра (в представлении ОТО) - объект с бесконечно искривлённым пространством-временем, который даже свет не может покинуть. Причём есть граница, пройдя которую возврата нет - горизонт событий. То, что за ним, называется сингулярностью (там, где нельзя непрерывно проложить геодезическую линию). Классическая чёрная дыра может только поглощать - увеличивать массу.

Дальнейшие теоретические исследования привели учёных к вопросам об излучении чёрных дыр. Стивен Хокинг показал, что чёрная дыра может излучать. Это излучение (пока не открыто) называется излучением Хокинга. Чтобы рассказать, как оно образуется, нужно сперва рассказать, что такое вакуум.

Физический вакуум пуст, да не совсем. По теории, в нём постоянно рождаются и исчезают пары частиц (частица+античастица). Есть даже некоторые эффекты, подтверждающие, что оно так и есть. Так вот, в районе горизонта событий чёрной дыры рождаются пары этих частиц, но не исчезают. Из пары одна оказывается дальше от горизонта и может свободно перемещаться, другая остаётся за горизонтом. Это называется поляризацией вакуума.

Так излучает чёрная дыра по Хокингу. Поскольку есть излучение, она теряет массу, то есть испаряется. Тут немножко сложнее, это как сказать, что вы взяли из ничего половинку и там на половинку стало меньше. Когда-нибудь наступит момент, когда дыра испарится полностью.

На этом история не заканчивается, так как встала другая проблема. Потеря информации в чёрной дыре. Под информацией понимается состояние попадающего туда вещества. Дело в том, что чёрная дыра может обладать всего несколькими параметрами (вращение, заряд и масса), так что получается, что две дыры, имеющие одинаковые параметры будут идентичны. Независимо от того, какие туда попадали объекты. Получается, что состояние объекта не переходит в другое (как во всей остальной вселеной), а просто скажем «обнуляется».

Например, вы взяли 2 одинаковых листка бумаги, написали на них разные надписи и сожгли их - пепел одного будет отличаться от пепла другого, но попав в чёрную дыру, по идее получается, что они идентичны.

Попыток решить этот парадокс было предпринято немало. В ходе решения появился странный эффект - должна быть стена огня (файервол) излучения Хокинга в районе горизонта событий, что опять же не вписывалось в концепцию чёрной дыры.

Совсем недавно Стивен Хокинг предположил, что как такового чёткого горизонта событий нет, он как бы размыт (из-за искажений пространства-времени квантовыми эффектами). Вместо него он предложил «видимый горизонт событий», на котором задерживается материя, но не навсегда. То есть, как я понимаю, объект, задерживающийся на видимом горизонте является связанным с излучением Хокинга, а значит сохраняется информация (правда искажённая, как пепел того листка бумаги, развеянный по ветру). Но это только предположение.