Черная дыра… Что вы себе представляете когда слышите это слово? Наверное, представляете себе огромную черноту с раскаленным как лава газом, которая медленно крутиться и притягивает, затем поглощает всё на своём пути? В научно-популярном языке, вы правы, но есть моменты которые нужно прояснить. В этой статье вы узнаете про такие вещи как:
Аномалия QSO1.
Градиент плотности и кривизны.
Первичные черные дыры.
Космология Шварцшильда.
Динамическое трение и проблема последнего парсека.
Информационный парадокс: куда деваются наши данные?
Но давайте сначала быстро пробежимся по структуре и природе черных дыр, её структура состоит из двух основных компонентов: горизонта событий и сингулярности. В случае вращающейся чёрной дыры также выделяют эргосферу.
Горизонт событий — это воображаемая граница вокруг чёрной дыры, за которую невозможно выбраться. Радиус горизонта событий определяется радиусом Шварцшильда, который зависит от массы чёрной дыры. При приближении к горизонту событий объекты испытывают спагеттификацию — растяжение в длинные нити под действием огромных гравитационных сил.
Сингулярность - это центральная часть чёрной дыры — точка или, в случае вращающейся чёрной дыры, кольцевая область, где материя сжата до бесконечно малого объёма, а плотность и кривизна пространства-времени становятся бесконечными. Вся масса чёрной дыры сосредоточена в сингулярности, что создаёт колоссальную гравитацию, искривляющую пространство и время. Теоретически сингулярность не имеет объёма, но обладает огромной массой, что создаёт гравитационный парадокс.
Эргосфера (у вращающихся чёрных дыр) - это область, окружающая вращающуюся чёрную дыру. Вращающиеся чёрные дыры описываются метрикой Керра, и их структура отличается от невращающихся чёрных дыр, описываемых метрикой Шварцшильда.
Итак… Продолжаем наше погружение в бездну. Мы остановились на том, что чёрные дыры — это не просто дыры, а сложные геометрические объекты, которые ведут себя крайне странно. Теперь, когда у нас есть базовые знания о черной дыре, давайте перейдём к более интересным вещам.
1. Аномалия QSO1: Голый монстр в центре ничего
До недавнего времени учебники по космологии учили нас простому порядку: сначала из газа рождаются звёзды, они собираются в галактики, а потом в центрах этих галактик вырастают сверхмассивные чёрные дыры. Красиво, логично, но телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) решил, что это слишком просто и пора усложнить жизнь астрофизикам.
Он обнаружил объект QSO1 — чёрную дыру массой в 50 миллионов Солнц, которая существует сама по себе. Вокруг неё нет гигантской звёздной толпы, только горстка звёзд и облака практически чистого водорода, оставшегося после Большого взрыва. Это голый исполин, который весит больше, чем всё вещество вокруг него. По классическим меркам он просто не успел бы так вырасти за 750 миллионов лет существования Вселенной.
2. Градиент плотности и кривизны: Почему гиганты нежнее облаков?
Здесь начинается то самое издевательство над физикой. Мы привыкли думать, что чёрная дыра — это нечто запредельно плотное. Но это верно только для чайников…
Парадокс плотности: Средняя плотность чёрной дыры падает пропорционально квадрату её массы. Сверхмассивные гиганты могут иметь плотность ниже плотности воды или даже воздуха. Вы могли бы буквально плавать внутри такой дыры, его «удерживает» горизонт событий.
Убийственная кривизна: А вот маленькие чёрные дыры, массой в 3–5 Солнц — это настоящие садисты. У них горизонт событий находится так близко к центру, что разница гравитации между вашей головой и ногами будет составлять квинтиллионы раз. Вас превратит в спагетти, ещё на подлёте, разорвав на цепочки атомов.
Именно поэтому маленькие чёрные дыры — лучшие лаборатории для проверки теории относительности: там пространство искривлено сильнее всего во Вселенной.
3. Первичные черные дыры: Космическая тапиока
Если QSO1 не могла вырасти из звёзд, значит, она была там всегда. Это возвращает нас к гипотезе Стивена Хокинга (и советских физиков Зельдовича и Новикова) о первичных чёрных дырах. Представьте раннюю Вселенную сразу после Большого взрыва она была неоднородной, и сверхплотные сгустки материи могли схлопнуться в дыры напрямую, минуя стадию звёзд. Эти тёмные шарики тапиоки могли стать семенами, вокруг которых позже наросли галактики. Если эта теория верна, то чёрные дыры — это не трупы звёзд, а древнейшие структуры, определившие облик нашего мира.
4. Космология Шварцшильда: Вселенная-матрёшка
Есть звезданутая теория, что мы уже находимся внутри чёрной дыры. Эта идея называется космологией Шварцшильда. JWST обнаружил странную аномалию: большинство ранних галактик вращаются в одном предпочтительном направлении. В случайной Вселенной шансы на это — 1 к 45 миллионам. Физик Никодем Поплавский объясняет это тем, что наша Вселенная родилась внутри чёрной дыры в “родительской” реальности. Согласно его теории, при коллапсе звезды материя не сжимается в сингулярность, а из-за кручения пространства испытывает отскок, как сжатая пружина. Этот отскок мы и называем Большим взрывом. Таким образом, каждая чёрная дыра в нашем небе может быть входом в новую детскую вселенную.
5. Динамическое трение и проблема последнего парсека
Когда две галактики сталкиваются, их центральные монстры начинают сближаться. Сначала их подталкивает динамическое трение — они расталкивают звёзды и газ, теряя энергию. Но когда между ними остается около одного парсека, звёзд и газа вокруг почти не остаётся. Расчёты говорят, что они должны вечно кружить друг вокруг друга, так и не слившись. Но мы то знаем, что они сливаются, потому что ловим их гравитационные волны. Решением может быть вязкая тёмная материя или присутствие третьей чёрной дыры, которая подталкивает парочку к финальному объятию.
6. Информационный парадокс: Куда деваются наши данные?
Это главный кошмар современной физики. Чёрная дыра — это идеальный космический шредер. Согласно квантовой механике, информация не может исчезнуть. Но если вы бросите в дыру флешку с данными, а дыра потом испарится через излучение Хокинга, что станет с байтами? Сегодня учёные спорят о двух решениях:
Квантовые волосы: Дыра не лысеет в 15 как я, она сохраняет информацию о съеденном в своём гравитационном поле снаружи горизонта.
ER=EPR: Запутанные частицы связаны микроскопическими червоточинами, это называют мостами Эйнштейна-Розена. Информация не уничтожается, а просто перепутывается так сложно, что расшифровать её сможет только квантовый компьютер размером со Вселенную.
Итог: Чёрные дыры — это объекты, которые, возможно, создали наши галактики, хранят в себе новые вселенные и заставляют нас признать, что пространство-время — лишь иллюзия, сотканная из квантовых нитей. Если Вселенная продолжит расширяться, когда-нибудь все звёзды погаснут, и космос будет состоять буквально из них. Поставь плюс и карму, утром найдешь маленькую черную дыру под подушкой? А пока… Шевелите нейронами в черепной коробочке.
Комментарии (23)
phenik
15.05.2026 19:59Информация не теряется, если гравитация имеет квантовую природу, как это описывается в КТП для других видов взаимодействий, и гравитационное взаимодействие частиц происходит посредством гравитонов. При коллапсе звезды все частицы превращаются в гравитоны. ЧД это гравитонная звезда) Есть нейтронные, есть предположительно кварк-глюооные, а это конечная форма - гравитонная. Хотя существуют альтернативные гравитонные теории гравитации за пределами КТП, которые также прогнозируют возникновение гравитонных звезд. Ждем открытия гравитона - 1, 2, 3.
ilriv
Откуда следует что информация не может исчезнуть?
avshkol
Да, информация может исчезать без следа.
Представьте атом водорода, электрон которого поглотил фотон в точке А, летевший в определенном направлении (и перешел на более высокую орбиту), а потом излучил фотон в другом направлении. При этом ни в излученном фотоне , ни в электроне, ни в атоме не осталось никакой информации, где и когда был поглощен этот фотон.
Radisto
Но зная вылетевший фотон и отдачу атома водорода, можно вычислить, где и когда. Информация не делась, он по прежнему с нами, в дочернем фотоне и водороде
avshkol
Вылетевший фотон вылетит в абсолютно случайном направлении, его частота будет определяться тем, с какой орбиты на какую он перешёл.
ARad
Из квантовой механики и квантовой теории поля. Но это так только для квантовой вселенной целиком (многомировая интерпретация). Для классической вселенной (копенгагенская интерпретация) это не так. Там при каждом коллапсе волновой функции происходит стирание огромного объема информации.
Поэтому физики которые придерживаются копенгагенской интерпретации должны сразу соглашаться с тем, что информация стирается при каждом коллапсе волновой функции, а значит в том что информация стирается парадокса нет. И в том числе она стирается и в черной дыре и в этом тоже нет парадокса для копенгагенской интерпретации.
При многомирой же интерпретации информация не стирается в целом, но она разбивается на маленькие порции по каждой из классических вселенных. А так мы живем только в одной классической вселенной, то и получается что из нашей классической вселенной она тоже стирается.
Т.е. результат с нашей точки зрения выглядит примерно одинаково.
ilriv
Следствия из законов квантовой механики должны действовать только в области применимости квантовой механики.
То есть если мы сложим из кубиков слово "ПРИВЕТ", эта информация рано или поздно исчезнет без следа. Кубики же не квантовые объекты.
ARad
В квантовой механике все состоит из элементарных квантовых объектов. Которые живут в квантовой вселенной. В том числе и кубики будут состоять из огромного количества элементарных квантовых объектов. Так вот в квантовой вселенной исходя из уравнений квантовой механики, никакая информация не стирается.
ilriv
В квантовом мире (микромире) информация сохраняется какое-то время. Но это время ограничено. Например квантовая запутанность (информация о состоянии связанных квантовых частиц) сохраняется недолго, и в этом заключается основная проблема квантовых технологий.
В макромире закон сохранения информации нарушается очень быстро, так же как и другие квантовые законы. Основной враг это тепловые флуктуации.
ARad
По уравнениям квантовой механики квантовая запутаность сохраняется навсегда. Это только в копенгагенской интерпретации она пропадает в процессе измерения. В уравнениях КМ нет никакого измерения, как и в многомировой интерпретации, и там квантовая запутаность сохраняется навсегда.
ilriv
На практике квантовая запутанность исчезает очень быстро (неважно, есть наблюдатель или нет), это серьезная техническая проблема. Уравнения КМ справедливы в изолированном пустом пространстве, где можно пренебречь воздействием сторонних частиц. Но в реальности в каждой точке мы имеем множество волновых функций сторонних частиц и любая из них может разрушить рассматриваемый квантовый ансамбль.
Квантовые уравнения для одной частицы обратимы по времени. Но для системы многих частиц проявляется уже необратимость взаимодействия.
ARad
Квантовые системы обратимы по времени при любом количестве квантовых частиц. Вы ошибаетесь думая что уравнения квантовой механики зависят от их количества. Нет такого числа начиная с которого квантовая система становится необратимой по времени. Если вам оно известно, напишите научную работу и получите Нобелевскую премию.
В уравнениях квантовой механики нет ничего другого, кроме квантовых частиц, а все взаимодействия между ними обратимы по времени.
Наша вселенная состоит только из квантовых частиц, так что если брать не её классическую часть, а полные квантовые состояния всех частич нашей вселенной, то там нет потери информации, другое дело что это справедливо только для полной квантовой вселенной, а мы видим только одну классическую, поэтому во вселенной которую мы видим информация постоянно теряется.
ilriv
Квантовые системы необратимы, потому что практически невозможно отменить уже произошедший квантовый эффект. Например если электрон вырвался из атома под действием солнечного света (фотоэффект), он уже не возвращается без внешнего воздействия. Если вы увидели дифракционную картину, вы уже не сможете отменить это наблюдение, оно уже произошло.
Поэтому одна-единственная частица в пустой вселенной удовлетворяла бы закону сохранения информации, но при имеющемся огромном количестве частиц этот закон не действует.
ARad
Обратимость по времени не означает что процессы можно запустить в обратном направлении в реальности. В реальной вселенной этого не сделать, никто про это не говорит.
То что информация не пропадает означает, что имея состояние системы в любой момент времени мы можем рассчитать как что будет дальше, что для классических систем и классической физики не удивительно, но и то что было в прошлом в точности в любое момент до этого — из пепла восстанавливать рукописи.
Информация о том как получился тот пепел сохранятся полностью, просто она размазана по всей квантовой вселенной. И в теории квантовую вселенную можно отмотать назад от любого момента времени до любого момента в прошлом.
Квантовая вселенная абсолютно детерминированная система как в будущее так и в прошлое. Вот что означает обратимость по времени и то что информация никуда не пропадает. Если бы информация пропадала, то рассчитать прошлое было бы нельзя.
ilriv
То что в реальной вселенной квантовые процессы необратимы, означает что закон сохранения информации не сохраняется.
Вот например электрон №1 прошёл через светодиод, выбил фотон света, этот фотон попал на фотоэлемент и выбил электрон №2. Внимание вопрос: если мы измерим характеристики системы в конце процесса, мы сможем определить каким был спин электрона №1 до этого процесса? Нет, эта информация утеряна потому что процесс необратим.
Детерминированность квантовой вселенной ничего нам не дает потому что мы не можем прокрутить фарш назад, не можем из текущего состояния частицы вычислить предыдущие состояния.
ARad
В квантовых системах все процессы обратимы и можно считать в любом направлении. Например в квантовых компьютерах. Сейчас это ограниченное время, пока не произошла декогеренция.
Когда пишут про парадоксы стирания информации в черных дырах, пишут про квантовую вселенную, иначе никакого парадокса и нет.
В квантовой вселенной даже при наличии черных дыр ничего не стирается.
В статье пишут про квантовую вселенную, а не классическую, для нашей вселенной которую мы видим стирание происходит постоянно, а не только в черных дырах.
От того что мы не видим квантовую вселенную целиком, не означает что ее нет на самом деле. Это вопрос на который не будет ответа похоже. Но все современные теории описания мира именно квантовые, они описывают квантовые вселенные целиком, потому что нашу вселенную невозможно описать без описания законов именно квантовой вселенной целиком. Что как бы намекает на ее существование, но не доказывает.
Если квантовая вселенная существует целиком, то наша вселенная это бесконечно малая часть квантовой вселенной.
ilriv
Если квантовые процессы обратимы, значит солнечная батарея светится когда на нее подают электричество? А светодиод вырабатывает электричество, когда на него падает свет? Как вы предлагаете обращать квантовые процессы фотоэффекта и световой эмиссии?
Допустим у вас два электрона. Один находился в атоме меди, другой в атоме железа. Затем эти электроны интерферировали друг с другом. Как вы обратите эти процессы и вернёте каждый электрон в свой родной атом на тот же энергетический уровень?
ARad
Обратимы это значит что если время пойдет в обратном направлении, то все процессы будут идти так, как будто запустили кинопленку в обратном направлении. Вот что это значит, а не то что вы пишите. А это значит что информация не стирается.
ARad
Я продолжу эту аналогию с кинопленкой. Для просмотра фильма нам надо обладать всеми кадрами этого фильма.
Имея один кадр фильма мы не можем из него получить последующие или предыдущие кадры фильма без потерь. Мы конечно можем примерно их предполагать, но на основании наших предположений не сможем целиком восстановить фильм по одному кадру. Сейчас нейронки могут оживить одну фотографию и каждый раз оживление будет разным. Потому что кадр из фильма не хранит в себе всю информацию о фильме целиком.
В квантовой вселенной имея любой один кадр (все квантовые состояния в любой момент времени) мы можем прокручивать время как вперед, так и назад. И у нас будет прокручиваться один и тот же фильм в любом направлении. Это будет именно тот же самый фильм, а не разные. Т.е. квантовая вселенная в любой момент времени хранит информацию как о своем прошлом так и о своем будущем. Это полная информация, и она от кадра к кадру не пропадает. Из любого кадра можно восстановить все предыдущие и все последующие.
Вот что значит что информация не пропадает.
DrSmile
Да, солнечная батарея светится при подаче тока (это способ быстрой проверки на работоспособность), а светодиод — вырабатывает ток при освещении. Концептуально это один и тот же элемент (диод), просто заточенный на разные применения.
Квантовая запутанность наблюдается редко не потому, что она такая хрупкая, а наоборот — она слишком сильная. Пара запутанных частиц вовлекает в запутанность все, что с ней взаимодействует, вызывая бесконтрольную и неостановимую лавину распространения запутанности (декогеренция), пока в запутанность не попадает наблюдатель. В результате наблюдатель расщепляется на запутанные копии, каждая из которых уже запутанности не видит (субъективный коллапс).
ARad
Если мы знаем квантовые характеристики системы в конце процесса, то все можно восстановить, там ничего не стирается. Если только классические то нет.
ilriv
Светодиод превращает огромное количество электронов в фотоны. Где именно сохраняются квантовые характеристики электронов и как их восстановить?
ARad
В электронах и фотонах.