Мы все еще в неведении относительно ключевого парадокса черных дыр

До недавнего времени существование черных дыр было далеко не само собой разумеющимся.

Отредактировано 2023-25-06
Светящаяся красная сфера света вокруг черной дыры в симуляции НАСАСимулированная черная дыра.

О черных дырах, одних из самых странных объектов во Вселенной, мало что понятно. Ученые имеют более полное представление об этих поражающих воображение объектах, чем когда-либо прежде, благодаря изучению массивных пульсаций, которые черные дыры создают в пространстве-времени, и познанию того, как они образуются. Но краткая история понимания человечеством черных дыр была потрясена серьезными поворотами на этом пути.

Хотя существование черных дыр практически не вызывает сомнений, всего полвека назад эксперты не были в этом так уверены. Роберт Манн, физик из Университета Ватерлоо, изучающий черные дыры и квантовую информацию, говорит, что когда он был аспирантом в 1970-х годах, "профессора действительно сомневались в этом".

Первые сведения о существовании черных дыр появились раньше, чем американская Конституция. Еще в 1783 году преподобный Джон Мичелл, британский ученый, придумал черные дыры как "темные звезды". Мишелл спросил, как выглядела бы звезда, если бы она была настолько тяжелой, что скорость, необходимая для того, чтобы избежать ее гравитационного притяжения, была бы "быстрее света", - говорит Манн.

Вопрос Мишелля был хорошим. Но несколько лет спустя, в 1790-х годах, знаменитый французский математик Пьер-Симон Лаплас и другие новаторы убедили научное сообщество в том, что свет ведет себя как волна и, следовательно, не подвержен влиянию гравитации, говорит Манн. Эта новая концепция света сделала теорию Мичелла неактуальной.

Но эта идея возродилась после 1915 года, когда Альберт Эйнштейн предложил свою теорию общей относительности. Теория гласит, что любой объект с массой искривляет пространство-время пропорционально своей массе, и допускает, что определенное количество материи становится настолько плотным, что коллапсирует в бесконечно плотную точку, называемую сингулярностью - сердце черной дыры.

Люди часто говорят, что Эйнштейн предсказал черные дыры, но это не совсем верно, говорит Хавьер Гарсия, астрофизик из Калифорнийского технологического института, который использует рентгеновские лучи для изучения фундаментальных свойств черных дыр. "Эйнштейн разработал теорию", необходимую для их существования, говорит Гарсия, но не предсказал сами объекты.

В 1915 году Эйнштейн использовал общую теорию относительности для объяснения движения Меркурия вокруг Солнца. Это и другие успешные применения теории Эйнштейна побудили ученых исследовать ее более глубокие следствия.

Через год Карл Шварцшильд, который был "лейтенантом немецкой армии по призыву, но астрономом-теоретиком по профессии", по словам Манна, услышал о теории Эйнштейна. Он был первым, кто нашел решение уравнений Эйнштейна, которое показало, что сингулярность может сформироваться - и ничто, если оно окажется слишком близко, не сможет двигаться достаточно быстро, чтобы избежать притяжения сингулярности.

Затем, в 1939 году, физики Робер Оппенгеймер (известный или печально известный Манхэттенский проект) и Хартланд Снайдер попытались выяснить, может ли звезда создать невозможно звучащий объект Шварцшильда. Они рассуждали, что при наличии достаточно большой сферы из пыли гравитация заставит массу схлопнуться и образовать сингулярность, что они и продемонстрировали своими расчетами. Но после начала Второй мировой войны прогресс в этой области застопорился до конца 1950-х годов, когда люди снова начали пытаться проверить теории Эйнштейна.

Физик Джон Уилер, размышляя о последствиях существования черной дыры, задал одному из своих аспирантов, Якобу Бекенштейну, вопрос, который поставил ученых в тупик в конце 1950-х годов. Как перефразировал его Манн: "Что произойдет, если в черную дыру налить горячий чай?".

Ответ: черная дыра, конечно же, пьет его. Но горячий чай вызывает парадокс. Все, что имеет определенную температуру, излучает тепло. А смешивание горячих и холодных объектов приводит к обмену - например, когда вы кладете кубики льда в горячую ванну, кубики льда нагреваются, а ванна остывает.

Если черная дыра поглощает все и ничего не излучает, это означает, что она не излучает тепло и должна иметь нулевую температуру. Черная дыра, которая всасывает горячую материю и не становится теплее, "противоречит всему, что мы знаем о термодинамике", - говорит Манн.

К 1960-м годам эти объекты получили броское название "черная дыра". Этот термин объяснял две особенности: Они были дырами в том смысле, что предметы могли падать в них, но никогда не выбрасываться, и они казались абсолютно темными для любых наблюдателей.

Ученик Уилера, Бекенштейн, в дальнейшем работал со Стивеном Хокингом и выяснил, что черные дыры действительно излучают энергию. Это излучение, вызванное квантовыми флуктуациями в пространстве, высвобождает лишь небольшое количество энергии. Но их исследование доказало, что черные дыры обладают теплом, что однозначно отвечает на вопрос, заданный Уилером за полтора десятилетия до этого.

По словам Манна, введение квантовой физики в черные дыры разрешило один парадокс, но породило другой. Квантовая механика требует, чтобы информация не могла быть уничтожена. А в настоящее время у ученых нет возможности узнать что-либо о том, что попало в черную дыру, по небольшому излучению, которое она испускает - эта информация потеряна.

"До сих пор нет согласия по поводу того, как решить эту проблему", - говорит Манн, хотя некоторые исследователи считают, что они близки к ее решению.

Хокинг помог разгадать еще одну загадку, которая с самого начала цеплялась за черные дыры. Решение проблемы черных дыр, которое придумал Шварцшильд в начале 20 века, не только не позволяло свету вырваться наружу. Оно также включало в себя дыру в пространстве-времени в центре черной дыры - сингулярность. Но в то время ученые не были уверены, является ли это общим свойством черных дыр или просто причудой конкретных систем, которые Шварцшильд, а позже Оппенгеймер и Снайдер, выбрали для расчета.

Хокинг и Роджер Пенроуз показали, что решение Шварцшильда, создающее сингулярность, не было единичным случаем для невозможно круглых звезд - любая достаточно большая масса приведет к этому.

Рентгеновские наблюдения за потенциальными черными дырами накапливались десятилетиями, но только после первых обнаружений LIGO, объявленных в 2016 году, астрономы получили прямые доказательства того, что черные дыры существуют. И не только это, они сталкиваются друг с другом, образуя большие черные дыры и излучая гравитационные волны, говорит Манн.

Ученые до сих пор не знают, что делать с информационным парадоксом или сингулярностями. "И все же мы видим эти объекты. И мы также сфотографировали один из них", - говорит Манн, имея в виду первое изображение светящейся материи вокруг черной дыры, сделанное телескопом Event Horizon в 2019 году.

Новые телескопы продолжают проливать свет на самые темные объекты Вселенной. И когда будут готовы основные обновления, команда телескопа "Горизонт событий" надеется снять первое видео черной дыры.