Профессор физики Дежан Стойкович и кандидат Аншул Саини из университета штата Нью-Йорк в Буффало опубликовали работу, в которой описано решение проблемы «исчезновения информации» в чёрной дыре. Учёные утверждают, что им удалось доказать – информация не исчезает, и может быть получена из частиц излучения чёрной дыры.
Чёрные дыры – уникальные космические объекты. Концепция небесного тела такой чудовищной массы, которая удерживает даже свет, была выдвинута Джоном Митчеллом ещё в конце 18 века. Математически их существование было предсказано ещё 100 лет назад в рамках развития Общей теории относительности, но поначалу их воспринимали лишь как математический курьёз. Серьёзно предсказанием их свойств как реально существующих объектов стали заниматься только во второй половине 20-го века. Сейчас они считаются рядовым явлением. Массивная звезда, истратив всю энергию, коллапсирует внутрь, в результате чего возникает чёрная дыра. Также эти объекты можно встретить в центре практически любой галактики.
У теоретиков получается, что любая чёрная дыра характеризуется всего тремя параметрами – массой, моментом импульса и электрическим зарядом. Из этого следует, что две чёрных дыры с одинаковыми параметрами неотличимы друг от друга. А также нельзя сказать, из чего она «была сделана» – информация о любом объекте, попавшем в чёрную дыру, исчезает, и не оставляет следа. Эту особенность один из теоретиков охарактеризовал как "у чёрной дыры нет волос".
Известный учёный Стивен Хокинг провёл множество теоретических исследований, связанных с чёрными дырами. В частности, он доказал, что чёрные дыры могут испаряться. На первый взгляд кажется, что раз тяготения чёрной дыры не может избежать даже свет, она может только расти. Однако Хокинг показал, что поскольку в вакууме на границе дыры постоянно рождаются частицы и античастицы, одна частица из пары может упасть за горизонт дыры, а вторая – убежать от неё. С точки зрения внешнего наблюдателя это будет выглядеть, как испарение.
Теоретически дыра может испариться целиком – но тогда получается, что вся информация о материи, попавшей в неё ранее, бесследно исчезает. А это противоречит основным положениям квантовой механики (унитарности операций), которые утверждают, что такая информация должна быть в принципе восстановима. Поэтому решение проблемы сохранения информации является необходимостью с точки зрения построения последовательной и внутренне непротиворечивой квантовой теории гравитации. Над этой теорией физики бьются уже почти 40 лет – она должна помочь объединить все фундаментальные взаимодействия в природе, в результате чего должна появится «теория всего».
Пока эта теория теоретикам недоступна, но исследователи из университета в Буффало описывают, каким образом взаимодействие частиц, «испущенных» чёрной дырой, может дать информацию о веществе, попавшем в чёрную дыру.
Комментарии (40)
maisvendoo
03.04.2015 21:57-3Концепция небесного тела такой чудовищной массы
Не чудовищной массы, а чудовищной ПЛОТНОСТИ. Земля, если бы её удалось сжать до радиуса Шварцильда, тоже стала бы черной дырой. Другой вопрос, что гравитационный коллапс возможен, если масса объекта превышает 3 солнечных массы, видимо отсюда и идет Ваша неточность в формулировке.
ImLiar
03.04.2015 22:14+7Средняя плотность падает с ростом массы чёрной дыры. Так, если чёрная дыра с массой порядка солнечной обладает плотностью, превышающей ядерную плотность, то сверхмассивная чёрная дыра с массой в 10^9 солнечных масс (существование таких чёрных дыр подозревается в квазарах) обладает средней плотностью порядка 20 кг/м?, что существенно меньше плотности воды. Таким образом, чёрную дыру можно получить не только сжатием имеющегося объёма вещества, но и экстенсивным путём, накоплением огромного количества материала.
darkfrei
04.04.2015 05:02Маленькие черные дыры относительно низкой плотности возможны?
ImLiar
04.04.2015 18:30+1Сомневаюсь
Все ведь банально как квадрат:
m = vp
Гравитационный радиус пропорционален массе.
r = 2Gm/c2
Следовательно, для «небольших» радиусов у ЧД должна быть радикально высокая плотность.
faiwer
04.04.2015 20:12-1А разве у ЧД может быть плотность? Там же сингулярность. Или вы имеете ввиду, для формирования такой ЧД нужна радикально высокая плотность?
isden
04.04.2015 20:20+1Плотность — это отношение массы к объему. Т.к. у ЧД есть и то и другое — то можно определить некую среднюю плотность.
faiwer
05.04.2015 06:23Теперь понял. Под объёмом имеется ввиду объём пространства под горизонтом события, а не объём пространства занятый массой чёрной дыры. Т.е. это не совсем та плотность, к которой мы привыкли в обиходе.
darkfrei
05.04.2015 12:13Я подразумеваю что у черной дыры в разных точках плотность может быть разной, а значит в центре может быть «полпикселя» высокой массы и плотности, но в среднем по объёму плотность весьма невысока.
aikixd
05.04.2015 11:40Все в кучу, люди, кони… Человека зря поправили. Падает плотность сферы за горизонтом событий. Сама черная дыра это сингулярность в центре этой сферы, формы точки или кольца если дыра вращается.
maisvendoo
03.04.2015 22:15+1Хорошая научно-популярная книга на тему. В своё время поразила моё воображение при прочтении.
VenomBlood
03.04.2015 22:58+1Не чудовищной плотности, а просто меньше радиуса Шварцшильда (если подразумевать под черной дырой объект ограниченный горизонтом событий). Черная дыра размером в световые годы может иметь плотность меньше воды и даже воздуха.
UPD — уже опередилиdarkfrei
04.04.2015 05:04Черная дыра размером с галактику может иметь плотность галактики?
И, собственно, черная дыра размером со вселенную имеет плотность вселенной?
Duduka
04.04.2015 06:30>>> И, собственно, черная дыра размером со вселенную имеет плотность вселенной?
Если свет не покидаеет ее, то она черная :) </предположение>
WWolf
03.04.2015 22:13+5Позабавил пассаж о теории недоступной теоретикам… :) Она была недоступна — практически голословным утверждением в восьмидесятых. В девяностых уже неплохо смоделирована, а в нулевых — практически имела и физическое объяснение и математические модели, и кучу обоснований. К сожалению, пока придется подождать экспериментальной проверки. Говорят, не сильно долго — пару миллиардов лет… :)
Часть проблемы заключается в том, что образ Хокинга довольно сильно затмевает собой целую толпу работающих на поприще теоретической физики ученых. Нельзя сказать, что их не слушают совсем, однако, в вопросах черных дыр журналисты ждут, так сказать, одобрения самого Хокинга. И только после этого бросаются тиражировать очередной успех физиков.
Стоит почитать Леонарда Сасскинда. В «Битве при черной дыре» он заявляет, что Хокинг в 2004 году согласился с тем, что информация в черной дыре не исчезает. Одним из последних приверженцев теории, что черная дыра — это большой космический шреддер… :)
Там же неплохо написано о черных дырах вообще. И о возможности их быть «волосатыми», в том числе. Но главная тематика книги как раз теория исчезновения информации в черных дырах.
mishaskt
03.04.2015 23:48Если я правильно понял Сасскинда, то ждать придётся несколько дольше чем пару миллиардов лет ;) ведь чёрные дыры начнут испаряться только после того, как их температура станет выше окружающей среды.
А так я честно говоря не очень понял что в этой новости такого особенного, если Сасскинд и его товарищи об этом уже давно говорят и теоретические подтверждения у них есть.darkfrei
04.04.2015 05:10+1температура станет выше окружающей среды
Про температуру окружающей среды понравилось. Тут скорее не испарение, а что-то вроде излучения или эмиссии, насколько я понимаю.
faiwer
04.04.2015 06:11+3Вопрос к знающим людям. Предположим, учёные смогли в лабораторных условиях сжать до радиуса Шварцшильда какой-то мизерный кусочек материи. Тем самым получив мини-мини-чёрную-дыру. Чтобы не случилось чего плохого, её придётся удерживать, в каких-нибудь магнитных полях. И тут вопрос: а что если учёные случайно уронят эту чёрную дыру, предположим, на пол… Чёрная дыра плавно опустится в центр планеты поглощая по пути материю, а через какое то время вся Земля и мы окажемся в ней? Или произойдёт что-то иное?
darkfrei
04.04.2015 07:10-2Десятисантиметровая черная дыра не упадёт медленно, а упадёт по формуле гравитации, через произведение масс на квадрат расстояния. Даже не она упадёт, а Земля упадёт на неё, потому как у ЧД масса больше и потому сдвинется меньше.
Можно Землю поставить на орбиту миниатюрной черной дыры, но что-то мне подсказывает что расползётся Земля по разным орбитам из-за разницы орбитальных скоростей на разной высоте.faiwer
04.04.2015 07:52Даже не она упадёт, а Земля упадёт на неё, потому как у ЧД масса больше и потому сдвинется меньше.
Насколько я понимаю, изначально у такой сверх-мини-чёрной дыры будет мизерная масса, не сравнимая даже с кубиком сахара, не то что с Землёй. Я ведь говорю об искусственной чёрной дыре, созданной в лабораторных условиях, за счёт сжатия материи до радиуса Шварцшильда. А не за счёт собственной гравитации, как у звёзд.
Правда немного погуглив прочитал, что такие мелкие дыры должны сразу «взрываться» за счёт излучения Хокинга. Лабораторию разнесёт в щепки :)
maaGames
04.04.2015 08:04Масса мизерной чёрной дыры не может быть больше массы Земли по определению. Если мы взяли килограмм материи и сжали её в точку, то килограмм останется килограммом и мы получим Чёрную дырочку с массой в килограмм. А вот отпустив её в свободное падение, она уже начнёт поглощать окружающую действительность и, в какой-то момент, её масса станет равной массе оставшейся половины Земли, а потом она поглотит Землю целиком. На Луне и Солнечной системе это существенно никак не скажется.
Hoshi
04.04.2015 07:59+6Существует несколько теорий, либо эта микро дыра тут-же испарится за счёт излучения хокинга(чем меньше дыра — тем быстрее), либо просто улетит к центру планеты, но это не беда — есть мнение что она поглощать планету будет достаточно продолжительное время.
Даже если микроскопические черные дыры действительно могут родиться на LHC и упасть в центр Земли и даже если они при этом действительно начнут расти (что само по себе чрезвычайно маловероятно), то никакого ощутимого эффекта на свойства Земли за время жизни Солнца они не окажут.
отсюда
DmitriyN
04.04.2015 13:29+3Даже если бы черная дыра не испарялась, она настолько мала (скажем, у черной дыры массой 10 грамм радиус всего 10^-29 метра, что меньше ядра водорода в 10^14 раз), что процесс захвата вещества безумно медленный. Она будет тратить часы на захват одного атома даже падая в центр земли. При этом захват даже миллиарда атомов пракически не увеличивает массы и сечения захвата. Поэтому такая дыра практически не будет расти.
Все это рассуждение не имеет смысла, потому что такая штука сразу же испарится с довольно серьезным взрывом. Но сделать черную дыру такой массы — это сильно за пределами наших возможностей. Те, которые гипотетически могут получиться на ускорителях, даже толком взрываься не будут.faiwer
04.04.2015 14:05Но ведь с течением времени скорость её роста будет увеличиваться. И, наверное, не в арифметической прогрессии. А излучение Хокинга, судя по вики, это процесс гипотетический. Мне бОльшим аргументом кажется, приведённый в статье по ссылке от Hoshi, факт того, что нас и без того бомбардируют высокоэнергетические частицы уже несколько миллиардов лет, но Земля никуда не испарилась. Правда в той же статье есть и контраргумент к этому.
DmitriyN
04.04.2015 14:15А я и не говорил, что ничего не случится. Через несколько миллиардов лет скорость вырастет сущесвенно и будут проблемы. А испарение — процесс настолько же гипотетический, насколько и сами дыры — то есть, ни то ни то ни у кого сомнения не вызывает.
amarao
04.04.2015 16:09+4Эм, а как выглядит процесс «захвата» квантовой частицы? Предположим, что у нас мимо такой дыры пролетает частица, про которую точно известны масса и скорость частицы, wait, oh shi…
В окрестностях чего, говорите, это произошло?
mikhanoid
05.04.2015 09:16А какие проблемы? Скорость же может быть любой. Главное — положение частицы. Если написать уравнение Шрёдингера, наверняка будут какие-то решения, которые описывают положение: ушла за горизонт событий. И, насколько я понимаю, именно в этом основная проблема. Если реализовалась такая вероятность, то это очень начинает походить на настоящий коллапс, когда информация стирается, а уравнение Шрёдингера теряет смысл.
Но на самом деле, к физикам есть очень такой интересный вопрос: а чего они так цепляются за это самое сохранение информации?
DmitriyN
06.04.2015 21:09У вас какое-то странное представление о квантовой механике. А как атомы, по-вашему, формируются?
valplo
05.04.2015 08:02Если это вообще возможно, то такая дыра в центре Земли уже скорее всего есть: за 4.5 миллиарда лет могло прилететь из космоса. Но, скорее всего, максимоны долго не живут: красиво взрываются. Собственно, я скорее опасался бы именно взрыва: планковская масса — 2.4 гигаджоуля, это где-то полтонны тротила, а выделяться эта энергия будет в виде жесткой гаммы, насколько я понимаю.
Zenitchik
06.04.2015 20:30Всё зависит от одного интересного вопроса: с какой стати такая микро-ЧД будет стабильной? Гравитационного поля у неё очевидно будет недостаточно для того, чтобы удерживать собственный радиус в сфере Шварцшильда. Такая способность появляется где-то от пяти солнечных масс.
А раз так, то она перестанет быть ЧД едва покинув установку. Взрыв это будет или превращение в какое-то другое тело — вопрос отдельный.
emusic
05.04.2015 20:00Сейчас физики вообще рискуют предполагать, что черная дыра может быть этакой большой элементарной частицей. :) В теории струн что-то на эту тему есть.
faiwer
Какой-то странный у вас пост получился. О главном: каким образом им удалось это доказать, а также какую именно информацию излучение может дать, помимо массы, у вас ни слова. Но краткий пересказ главы из «Истории времени...» Хокинга вы сделали.
WWolf
Кстати, опять же порекомендую Сасскинда. Он пишет и о том, какая именно информация имеется в виду.