Jak wygląda wpadnięcie do czarnej dziury? Czarne dziury. Twój punkt widzenia

Artystyczna interpretacja tego, jak gwiazda przecina horyzont zdarzeń centralnej supermasywnej czarnej dziury

Czarna dziura charakteryzuje się niesamowicie silną grawitacją, nie emitując nawet światła. Horyzont zdarzeń koncentruje się wokół niego. Wystarczy przekroczyć tę „linię” i jesteś skazany na porażkę. Wszyscy o tym wiedzą, ale istnienie takich „linii” nie zostało udowodnione.

Naukowcy postanowili więc przeprowadzić eksperyment. Uważa się, że supermasywne czarne dziury znajdują się w centrach wszystkich dużych galaktyk. Ale istnieje opinia, że ​​\u200b\u200bjest też inny obiekt. To niezwykłe supermasywne coś, czemu udało się uniknąć zapadnięcia się i osobliwości. Wokół niego znajduje się również horyzont zdarzeń.

Jeśli osobliwość nie ma pola powierzchni, to obiekt ma bryłę. Dlatego gwiazda nie wpadnie do czarnej dziury, ale pęknie na powierzchni.

Jest to ogromna, masywna kula w centrum galaktyki. Widzimy, jak gwiazda uderza w twardą powierzchnię i rozrzuca szczątki

Aby ujawnić autentyczność teorii, naukowcy opracowali nowy test. Chodzi o zdefiniowanie, czym jest solid surface. Pomogłoby to rozwiązać problem z horyzontem zdarzeń.

Na początek odkryli, że kiedy obiekt uderza w stałą powierzchnię, gwiezdny gaz otacza go i świeci przez kilka miesięcy lub lat. Teleskop powinien to wychwycić. Kiedy naukowcy zdali sobie sprawę, co należy znaleźć, potwierdzili swoje argumenty.

Oszacowali prędkość, z jaką gwiazdy wpadają do czarnych dziur. W tym celu wzięto pod uwagę tylko te najbardziej masywne, których masa przekraczała masę Słońca o 100 milionów razy. Okazało się, że w odległości kilku miliardów lat od nas znajduje się około miliona takich obiektów.

Potem musiałem przejrzeć archiwalne dane 1,8-metrowego teleskopu Pan-STARRS, który przez 3,5 roku badał półkulę północną w poszukiwaniu „tymczasowej poświaty”. Jeśli założenie jest słuszne, to biorąc pod uwagę wszystkie dane, teleskop powinien zidentyfikować 9-10 takich zdarzeń.

I... nic nie znalazł.

Okazuje się, że wszystkie czarne dziury muszą mieć horyzont zdarzeń. Więc Einstein znowu miał rację. Teraz zespół próbuje ulepszyć test i przetestować go na 8,4-metrowym Large Survey Telescope (Large Synoptic Survey Telescope), który jest bardziej czuły.

Czytaj: 0

Czarna dziura to obszar przestrzeni, który ma takie przyciąganie, że nawet światło nie może z niego uciec. Pomysł istnienia takich obiektów pojawił się pod koniec XVIII wieku, kiedy angielski przyrodnik John Mitchell zasugerował, że jeśli rozmiar gwiazdy jest bardzo mały, a masa bardzo duża, to nie będzie świecić, ponieważ jego przyciąganie po prostu nie pozwoli światłu uciec (Mitchell wyobrażał sobie światło składające się z cząstek).

We współczesnej nauce istnienie czarnych dziur przewiduje teoria względności. Grawitacja zgodnie z tą teorią wizualnie wygląda następująco: wyobraź sobie tkaninę, a raczej arkusz gumy, na którym umieszczone są kamienie. Kamienie pchają go mocniej lub słabiej w zależności od ich ciężaru, a lżejsze toczą się tam, gdzie cięższe wepchnęły dziurę głębiej. Dlatego planety „przyciągają” satelity, Słońce „przyciąga” planety i tak dalej.

Uważaj na czarne dziury i wodospady

Używając tej metafory, Stephen Hawking wyjaśnia czarne dziury w następujący sposób: wyobraź sobie, że kładziemy bardzo ciężki i zwarty kamień na gumie, wpycha on bezdenną otchłań, do której substancja wpada nieodwołalnie.

Granica czarnej dziury nazywana jest horyzontem zdarzeń, poza tym horyzontem prędkość, z jaką trzeba się poruszać, aby uciec z czarnej dziury, musi przekraczać prędkość światła – zadanie niemożliwe. Możesz to sobie wyobrazić jako upadek łodzią do wodospadu: im bliżej wodospadu, tym mocniej musisz wiosłować, żeby się nie przeciągnął, ale od pewnego momentu, bez względu na to, jak bardzo się starasz, nie uda ci się” Aby móc uciec, spadasz, ale w przypadku czarnej dziury na dnie nie czekasz na ostre kamienie, ale na tajemniczą osobliwość.

W obszarze osobliwości gęstość materii staje się nieskończona. Mówi się, że może nawet powstać tunel do innego wszechświata. Ale to wszystko plotki i nikt nie wie, co tak naprawdę się tam dzieje.

Wszystko to brzmi dziwnie i tajemniczo, ale fakt, że czarne dziury istnieją, astrofizycy: na przykład długo oczekiwane odkrycie powstałe w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur, jest ważnym potwierdzeniem ich istnienia.

Skąd się biorą czarne dziury

Czarne dziury o masach gwiazdowych powstają z gwiazd o masie 3-5 razy większej od Słońca (dlatego nasze Słońce nie stanie się czarną dziurą, zamieni się w białego karła za miliardy lat). „Paliwo” dla reakcji termojądrowych w gwiazdach nie jest nieograniczone, a kiedy się wyczerpie, gwiazda „zapada się” i wybucha jako supernowa.

Nie wiadomo jednak, skąd pochodzą supermasywne czarne dziury. Istnieją tylko przypuszczenia w tym zakresie, takie jak zapadanie się masywnych obłoków gazu we wczesnych stadiach formowania się galaktyk, wzrost czarnych dziur o masie gwiazdowej w wyniku pochłaniania materii lub łączenie się wielu takich dziur w jedną supermasywną jeden. Przypuszczeń nie brakuje, ale obserwacje są trudniejsze.

Jak zobaczyć czarną dziurę

Nie można zobaczyć samej czarnej dziury, jak sugeruje jej nazwa, ale wpadająca do niej materia jest możliwa. W centrach wielu galaktyk znajdują się czarne dziury o masie milionów milionów większej niż Słońce. Przyciągają pył, gaz i gwiazdy. Materiał ten tworzy dysk akrecyjny wokół czarnej dziury. Materia w nim wiruje jak w lejku przed wpadnięciem do czarnej dziury, a pod wpływem tarcia nagrzewa się, przez co zaczyna jasno świecić w całym spektrum. Kiedy materia wpada do czarnej dziury, ciśnienie promieniowania i wpływ pola magnetycznego w pobliżu granicy czarnej dziury odrzucają część materii od niej.

Supermasywna czarna dziura w centrum naszej Galaktyki nazywa się Sagittarius A*. Wyrażenie „nasza Galaktyka” brzmi jakoś swojsko, jakby znajdowała się w niewielkiej odległości od centrum, ale w rzeczywistości czarna dziura jest oddalona od nas o 25 tysięcy lat świetlnych, jej masa jest 4 miliony razy większa od Słońca.

Dojrzeć ją z takiej odległości jest bardzo trudno – to jak próba dostrzeżenia piłki tenisowej na Księżycu, a niezbędna do tego ostrość „widzenia” jest dostępna tylko dla radioteleskopów dzięki technice pozwalającej łączyć teleskopy w różnych częściach globu w jeden ogromny wirtualny teleskop. Tym samym projekt Event Horizon Telescope połączy obserwacje teleskopów w USA, Hiszpanii, Meksyku, Chile, a nawet na Antarktydzie.

Drugim obserwowanym obiektem jest czarna dziura w centrum galaktyki M 87. Jest ona około 6 milionów razy masywniejsza od Słońca, ale jest też znacznie dalej - 53 miliony lat świetlnych od nas.

Jak wygląda czarna dziura

Wyniki obserwacji zostaną opublikowane dopiero w przyszłym roku, ale na razie, aby z grubsza wyobrazić sobie, co mogą zobaczyć teleskopy, można podziwiać czarną dziurę w filmie Interstellar, którego twórcy starali się, aby zdjęcie było jak najbardziej poprawne naukowo jak to możliwe.

Poprawność tego obrazu polega na tym, że dysk akrecyjny za czarną dziurą nie wygląda jak pierścienie Saturna, ale wystaje zza czarnej dziury, ponieważ jego silne pole grawitacyjne zniekształca ścieżkę, którą pokonuje promieniowanie dysku akrecyjnego. Istnieje jednak różnica w stosunku do Interstellar: z jednej strony dysk akrecyjny powinien wyglądać jaśniej dzięki swojej rotacji.

W rezultacie obraz powinien wyglądać podobnie do obrazu, który astrofizyk Jean-Pierre Luminet wykonał w 1978 roku na komputerze IBM 7040, który pracował na kartach perforowanych, i narysował go ręcznie do artykułu w czasopiśmie Astronomii i Astrofizyki.

Czarne dziury to prawdopodobnie najbardziej tajemnicze obiekty we wszechświecie. Są tak gęste, że siła grawitacji nie pozwala niczemu, nawet światłu, wydostać się z czarnej dziury. Fizycy odkryli wiele czarnych dziur, od małych do supermasywnych, o masach milionów lub miliardów mas Słońca. Ważna właściwość horyzontu zdarzeń - to, że światło nie może go przekroczyć - tworzy granicę w przestrzeni: po jej przekroczeniu jesteś skazany na znalezienie się w osobliwości. Ale co widzisz, kiedy wpadasz do czarnej dziury? Czy światło zgaśnie czy zostanie? Fizycy znają odpowiedź i spodoba ci się.

W centrum naszej galaktyki widzieliśmy gwiazdy poruszające się wokół centralnego punktu o masie 4 milionów mas Słońca, nie emitujące światła. Ten obiekt, Sagittarius A*, jest wyraźnym kandydatem na czarną dziurę, którą możemy określić bezpośrednio, mierząc gwiazdy na jego orbicie.

Ale są bardzo dziwne rzeczy, które dzieją się, gdy zbliżasz się do horyzontu czarnej dziury, a stają się jeszcze dziwniejsze, gdy go przekraczasz. Jest powód, dla którego po przekroczeniu tej niewidzialnej bariery nigdy nie będziesz mógł jej opuścić. I nieważne, do jakiej klasy czarnej dziury cię wciągnęła, jaki statek kosmiczny próbuje cię stamtąd zabrać, czy coś innego. Ogólna teoria względności to poważna sprawa, zwłaszcza jeśli chodzi o czarne dziury. Powód ma związek z największym osiągnięciem Einsteina: ma związek z tym, JAK czarna dziura zakrzywia czasoprzestrzeń.

Kiedy jesteś bardzo daleko od czarnej dziury, struktura przestrzeni jest mniej zakrzywiona. W rzeczywistości, gdy jesteś bardzo daleko od czarnej dziury, jej grawitacja jest nie do odróżnienia od jakiejkolwiek innej masy, czy to gwiazdy neutronowej, zwykłej gwiazdy, czy po prostu rozproszonego obłoku gazu. Czasoprzestrzeń może być zakrzywiona, ale wszystko, co można stwierdzić z daleka, to obecność masy, nie znając rozkładu tej masy. Ale jeśli spojrzysz na własne oczy, zamiast chmury gazu, gwiazdy lub gwiazdy neutronowej, w centrum będzie całkowicie czarna kula, która nie emituje żadnego światła.

Ten sferyczny obszar, znany jako horyzont zdarzeń, nie jest czymś fizycznym, ale raczej obszarem przestrzeni o określonej wielkości, z którego żadne światło nie może uciec. Można by założyć, że z daleka rozmiar czarnej dziury wydaje się taki, jaki jest w rzeczywistości. Innymi słowy, jeśli zbliżysz się do czarnej dziury, będzie ona wyglądać jak całkowicie czarna dziura na tle przestrzeni, wzdłuż której granic światło jest zniekształcone.

W przypadku czarnej dziury o masie Ziemi ta kula byłaby niewielka: o promieniu rzędu 1 centymetra; a dla czarnej dziury o masie Słońca kula ta będzie miała promień około 3 kilometrów. Jeśli przeskalujesz masę (i rozmiar) do supermasywnej czarnej dziury – takiej jak ta w centrum naszej galaktyki – otrzymasz rozmiar orbity planetarnej lub gigantycznej czerwonej gwiazdy, takiej jak Betelgeza.

Co się stanie, gdy zbliżysz się i ostatecznie wpadniesz w czarną dziurę?

Z daleka geometria, którą widzisz, będzie zgodna z Twoimi oczekiwaniami i obliczeniami. Ale kiedy poruszasz się naprzód w swoim doskonale zaprojektowanym i niezniszczalnym statku kosmicznym, zaczniesz zauważać coś dziwnego, gdy zbliżasz się do czarnej dziury. Jeśli podzielisz odległość między tobą a gwiazdą na pół, rozmiar kątowy gwiazdy wyda się dwa razy większy. Jeśli skrócisz tę odległość do jednej czwartej, będzie ona cztery razy większa. Ale czarne dziury są inne.

W przeciwieństwie do wszystkich innych obiektów, do których jesteś przyzwyczajony, które wydają się być coraz większe, im bardziej się zbliżasz, czarna dziura rośnie znacznie szybciej dzięki niesamowitej krzywiźnie przestrzeni.

Z naszej ziemskiej perspektywy czarna dziura w centrum galaktyki wydawałaby się niewielka, a jej promień mierzony jest w mikrosekundach łukowych. Ale w porównaniu z naiwnym promieniem obliczonym w GR, będzie on wydawał się o 150% większy z powodu krzywizny przestrzeni. Jeśli się do niego zbliżysz, do czasu, gdy horyzont zdarzeń będzie miał rozmiar księżyca w pełni na niebie, będzie cztery razy większy. Powodem jest oczywiście to, że czasoprzestrzeń staje się coraz bardziej zakrzywiona w miarę zbliżania się do czarnej dziury.

I odwrotnie, obserwowalny obszar czarnej dziury staje się coraz większy; zanim znajdziesz się w odległości kilku promieni Schwarzschilda, czarna dziura urośnie do takich rozmiarów, że zasłania prawie cały widok z przodu statku. Zwykłe obiekty geometryczne nie zachowują się w ten sposób.

Zbliżając się do najbardziej wewnętrznej stabilnej orbity kołowej – która stanowi 150% promienia horyzontu zdarzeń – zauważysz, że widok z przodu statku stanie się całkowicie czarny. Gdy tylko dokładnie to przekroczysz, nawet za tobą wszystko zacznie pogrążać się w ciemności. Ponownie, ma to związek z tym, jak ścieżki światła z różnych punktów poruszają się w tej bardzo zakrzywionej czasoprzestrzeni.

W tym momencie, jeśli nie przekroczyłeś horyzontu zdarzeń, nadal możesz wyjść. Jeśli zastosujesz wystarczające przyspieszenie z dala od horyzontu zdarzeń, możesz uciec od jego grawitacji i powrócić do bezpiecznej czasoprzestrzeni z dala od czarnej dziury. Twoje czujniki grawitacyjne powiedzą ci, gdzie nachylenie w dół w kierunku środka zmienia się w płaskość, na której widać światło gwiazd.

Ale jeśli będziesz nadal spadać w kierunku horyzontu zdarzeń, w końcu zobaczysz, jak światło gwiazd kurczy się do małej kropki za tobą, zmieniając kolor na niebieski z powodu grawitacyjnego przesunięcia niebieskiego. W ostatniej chwili, gdy przekroczysz horyzont zdarzeń, kropka ta zmieni kolor na czerwony, biały, a następnie niebieski, gdy kosmiczne mikrofale i fale radiowe przesuną się do widma widzialnego.

A potem... nastanie ciemność. Nic. Z wnętrza horyzontu zdarzeń żadne światło z zewnętrznego wszechświata nie może dotrzeć do twojego statku. Teraz przypomnisz sobie potężne silniki swojego statku i zastanowisz się, jak możesz ich użyć, aby uciec z tej pułapki. Zapamiętasz, w którym kierunku leżała osobliwość i spróbujesz określić gradient grawitacyjny w jej kierunku. Pod warunkiem, że za tobą lub przed tobą nie ma żadnej innej materii ani światła.

Co zaskakujące, nawet jeśli dużo światła wydostanie się z tobą poza horyzont zdarzeń – zobaczysz „połowę” widzialnego Wszechświata – na pokładzie będą też czujniki grawitacyjne. A kiedy przekroczysz horyzont zdarzeń, ze światłem lub bez, dzieje się coś dziwnego.

Twoje czujniki powiedzą ci, że gradient grawitacyjny, który zmierza w kierunku osobliwości, będzie wszędzie, we wszystkich kierunkach. Nawet w kierunku przeciwnym do osobliwości.

Jak to jest możliwe?

I tak, ponieważ jesteś poza horyzontem zdarzeń, dokładnie w nim. Każdy promień światła, który teraz wyemitujesz, będzie zmierzał w kierunku osobliwości; jesteś zbyt głęboko w czarnej dziurze, by mogła się przemieścić gdziekolwiek indziej.

Ile czasu zajmuje przekroczenie horyzontu w supermasywnej czarnej dziurze, aby znaleźć się w jej centrum? Wierzcie lub nie, chociaż horyzont zdarzeń może mieć średnicę godziny świetlnej w naszym układzie odniesienia, dotarcie do osobliwości zajmuje tylko około 20 sekund. Mocno zakrzywiona przestrzeń to straszna rzecz.

Co najgorsze, każde przyspieszenie jeszcze szybciej przybliży cię do osobliwości. Na tym etapie nie jest możliwe zwiększenie czasu przeżycia. Osobliwość istnieje we wszystkich kierunkach, gdziekolwiek spojrzysz. Opór jest bezcelowy.

31 stycznia 2018 r Giennadij

Prawa autorskie do obrazu inwentarz

Być może myślisz, że osoba, która wpadła do czarnej dziury, czeka na natychmiastową śmierć. W rzeczywistości jego losy mogą okazać się znacznie bardziej zaskakujące – mówi korespondent.

Co się stanie, jeśli wpadniesz do czarnej dziury? Może myślisz, że zostaniesz zmiażdżony - lub odwrotnie, rozerwany na strzępy? Ale w rzeczywistości wszystko jest o wiele dziwniejsze.

W momencie, gdy wpadniesz do czarnej dziury, rzeczywistość rozpadnie się na dwie części. W jednej rzeczywistości zostaniesz natychmiast spalony, w drugiej zanurzysz się głęboko w czarną dziurę żywy i bez szwanku.

Wewnątrz czarnej dziury nie obowiązują znane nam prawa fizyki. Według Alberta Einsteina grawitacja zakrzywia przestrzeń. Tak więc, w obecności obiektu o wystarczającej gęstości, kontinuum czasoprzestrzenne wokół niego może zostać zdeformowane tak bardzo, że w samej rzeczywistości powstanie dziura.

Masywna gwiazda, która zużyła całe swoje paliwo, może zamienić się w dokładnie taki rodzaj supergęstej materii, jaka jest niezbędna do powstania tak zakrzywionej części Wszechświata. Gwiazda zapadająca się pod własnym ciężarem ciągnie wokół siebie kontinuum czasoprzestrzenne. Pole grawitacyjne staje się tak silne, że nawet światło nie może już z niego uciec. W rezultacie obszar, w którym wcześniej znajdowała się gwiazda, staje się całkowicie czarny - jest to czarna dziura.

Prawa autorskie do obrazu inwentarz Tytuł Zdjęcia Nikt tak naprawdę nie wie, co dzieje się wewnątrz czarnej dziury.

Zewnętrzna powierzchnia czarnej dziury nazywana jest horyzontem zdarzeń. Jest to sferyczna granica, przy której osiągana jest równowaga między siłą pola grawitacyjnego a wysiłkiem światła próbującego uciec z czarnej dziury. Jeśli przekroczysz horyzont zdarzeń, ucieczka będzie niemożliwa.

Horyzont zdarzeń promieniuje energią. Dzięki efektom kwantowym powstają na nim promieniujące do Wszechświata strumienie gorących cząstek. Zjawisko to nazwano promieniowaniem Hawkinga – na cześć brytyjskiego fizyka teoretycznego Stephena Hawkinga, który je opisał. Pomimo faktu, że materia nie może uciec z horyzontu zdarzeń, czarna dziura jednak „wyparowuje” – z czasem ostatecznie straci swoją masę i zniknie.

Gdy zagłębiamy się w czarną dziurę, czasoprzestrzeń nadal się zakrzywia i staje się nieskończenie zakrzywiona w środku. Ten punkt jest znany jako osobliwość grawitacyjna. Przestrzeń i czas przestają mieć w nim jakiekolwiek znaczenie, a wszystkie znane nam prawa fizyki, do opisu których te dwa pojęcia są niezbędne, nie mają już zastosowania.

Nikt nie wie, co dokładnie czeka osobę, która wpadła w środek czarnej dziury. Inny wszechświat? Zapomnienie? Tylna ściana regału, jak w amerykańskim filmie science-fiction „Interstellar”? To tajemnica.

Rozumujmy - na twoim przykładzie - co się stanie, jeśli przypadkowo wpadniesz do czarnej dziury. W tym eksperymencie będzie Ci towarzyszył zewnętrzny obserwator – nazwijmy go Anna. Dlatego Anna z bezpiecznej odległości patrzy z przerażeniem, jak zbliżasz się do krawędzi czarnej dziury. Z jej punktu widzenia wydarzenia potoczą się w bardzo dziwny sposób.

Gdy zbliżysz się do horyzontu zdarzeń, Anna zobaczy, jak rozciągasz się na długość i zwężasz na szerokość, jakby patrzyła na ciebie przez gigantyczne szkło powiększające. Ponadto, im bliżej horyzontu zdarzeń lecisz, tym bardziej Anna odczuje, że Twoja prędkość spada.

Prawa autorskie do obrazu inwentarz Tytuł Zdjęcia W centrum czarnej dziury przestrzeń jest nieskończenie zakrzywiona.

Nie będziesz mógł krzyczeć na Annę (ponieważ żaden dźwięk nie jest przesyłany w próżni), ale możesz spróbować zasygnalizować jej alfabetem Morse'a za pomocą latarki iPhone'a. Jednak Twoje sygnały będą docierać do niego w coraz większych odstępach czasu, a częstotliwość światła emitowanego przez latarkę będzie przesuwać się w kierunku czerwonej (długiej fali) części widma. Oto jak to będzie wyglądać: „Kolejność, kolejność dokumentów, kolejność…”.

Kiedy dotrzesz do horyzontu zdarzeń, z punktu widzenia Anny zastygniesz w miejscu, jakby ktoś zatrzymał odtwarzanie. Pozostaniesz nieruchomy, rozciągnięty na powierzchni horyzontu zdarzeń, a zacznie cię ogarniać coraz większy upał.

Z punktu widzenia Anny będziesz powoli zabijany przez rozciąganie przestrzeni, zatrzymanie czasu i ciepło promieniowania Hawkinga. Zanim przekroczysz horyzont zdarzeń i wejdziesz w głąb czarnej dziury, zostaniesz z popiołem.

Ale nie spiesz się, aby zamówić nabożeństwo żałobne - zapomnijmy na chwilę o Annie i spójrz na tę straszną scenę z twojego punktu widzenia. A z twojego punktu widzenia stanie się coś jeszcze dziwniejszego, czyli absolutnie nic specjalnego.

Lecisz prosto do jednego z najbardziej złowrogich punktów we wszechświecie, nie odczuwając najmniejszego wstrząsu - nie wspominając o rozciąganiu przestrzeni, dylatacji czasu czy cieple promieniowania. To dlatego, że spadasz swobodnie i dlatego nie czujesz własnego ciężaru - to właśnie Einstein nazwał „najlepszym pomysłem” swojego życia.

Rzeczywiście, horyzont zdarzeń nie jest ceglaną ścianą w przestrzeni, ale zjawiskiem uwarunkowanym punktem widzenia obserwatora. Obserwator, który pozostaje poza czarną dziurą, nie może zajrzeć do środka przez horyzont zdarzeń, ale to jego problem, nie twój. Z twojego punktu widzenia nie ma horyzontu.

Gdyby wymiary naszej czarnej dziury były mniejsze, naprawdę wpadłbyś w problem - grawitacja działałaby na twoje ciało nierównomiernie i zostałbyś wciągnięty w makaron. Ale na szczęście dla ciebie ta czarna dziura jest duża - miliony razy masywniejsza od Słońca, więc siła grawitacji jest na tyle słaba, że ​​można ją pominąć.

Prawa autorskie do obrazu inwentarz Tytuł Zdjęcia Nie możesz cofnąć się i wydostać z czarnej dziury, tak jak nikt z nas nie może cofnąć się w czasie.

Wewnątrz wystarczająco dużej czarnej dziury możesz nawet całkiem normalnie przeżyć resztę życia, dopóki nie umrzesz w grawitacyjnej osobliwości.

Możesz zapytać, jak normalne może być życie człowieka, wbrew jego woli, wciągniętego w dziurę w kontinuum czasoprzestrzennym bez szans na wydostanie się?

Ale jeśli się nad tym zastanowić, wszyscy znamy to uczucie - tylko w odniesieniu do czasu, a nie do przestrzeni. Czas idzie tylko do przodu i nigdy się nie cofa, i tak naprawdę ciągnie nas wbrew naszej woli, nie pozostawiając nam szansy na powrót do przeszłości.

To nie jest tylko analogia. Czarne dziury zakrzywiają kontinuum czasoprzestrzenne do tego stopnia, że ​​wewnątrz horyzontu zdarzeń czas i przestrzeń są odwrócone. W pewnym sensie to nie przestrzeń przyciąga cię do osobliwości, ale czas. Nie możesz się cofnąć i wydostać z czarnej dziury, tak jak nikt z nas nie może podróżować w przeszłość.

Być może teraz zastanawiasz się, co jest nie tak z Anną. Lecisz w pustą przestrzeń czarnej dziury i wszystko jest w porządku, a ona opłakuje twoją śmierć, twierdząc, że zostałeś spalony przez promieniowanie Hawkinga spoza horyzontu zdarzeń. Czy ona ma halucynacje?

W rzeczywistości stwierdzenie Anny jest całkowicie prawdziwe. Z jej punktu widzenia rzeczywiście jesteś smażony na horyzoncie zdarzeń. I nie jest to złudzenie. Anna może nawet zebrać twoje prochy i wysłać je do twojej rodziny.

Prawa autorskie do obrazu inwentarz Tytuł Zdjęcia Horyzont zdarzeń nie jest ścianą z cegieł, jest przepuszczalny

Faktem jest, że zgodnie z prawami fizyki kwantowej, z punktu widzenia Anny, nie można przekroczyć horyzontu zdarzeń i trzeba pozostać na zewnątrz czarnej dziury, ponieważ informacja nigdy nie jest bezpowrotnie tracona. Każda informacja odpowiedzialna za twoje istnienie musi pozostać na zewnętrznej powierzchni horyzontu zdarzeń – inaczej z punktu widzenia Anny prawa fizyki zostaną naruszone.

Z drugiej strony prawa fizyki nakazują też przelecieć przez horyzont zdarzeń żywy i bez szwanku, nie napotykając na swojej drodze gorących cząstek ani innych niezwykłych zjawisk. W przeciwnym razie ogólna teoria względności zostanie naruszona.

Tak więc prawa fizyki chcą, abyś był jednocześnie na zewnątrz czarnej dziury (jako kupa popiołu) i wewnątrz niej (bezpieczny i zdrowy). I jeszcze jeden ważny punkt: zgodnie z ogólnymi zasadami mechaniki kwantowej informacji nie można sklonować. Musisz być w dwóch miejscach jednocześnie, ale tylko w jednym przypadku.

Fizycy nazywają takie paradoksalne zjawisko terminem „zniknięcie informacji w czarnej dziurze”. Na szczęście w latach 90 naukowcom udało się rozwiązać ten paradoks.

Amerykański fizyk Leonard Susskind zdał sobie sprawę, że tak naprawdę nie ma paradoksu, ponieważ nikt nie zobaczy twojego klonowania. Anna będzie oglądać jeden z twoich okazów, a ty drugi. Ty i Anna już nigdy się nie spotkacie i nie będziecie mogli porównać swoich obserwacji. I nie ma trzeciego obserwatora, który mógłby obserwować cię jednocześnie z zewnątrz iz wnętrza czarnej dziury. W ten sposób prawa fizyki nie są łamane.

Chyba że chcesz wiedzieć, który z twoich przypadków jest prawdziwy, a który nie. Czy naprawdę żyjesz czy nie żyjesz?

Prawa autorskie do obrazu inwentarz Tytuł Zdjęcia Czy osoba przeleci przez horyzont zdarzeń bez szwanku, czy zderzy się ze ścianą ognia?

Rzecz w tym, że nie ma „rzeczywistości”. Rzeczywistość zależy od obserwatora. Istnieje „naprawdę” z punktu widzenia Anny i „naprawdę” z twojego punktu widzenia. To wszystko.

Prawie wszystko. Latem 2012 roku fizycy Ahmed Almheiri, Donald Marolph, Joe Polchinski i James Sully, znani pod wspólną nazwą AMPS, zaproponowali eksperyment myślowy, który groził wywróceniem do góry nogami naszego rozumienia czarnych dziur.

Zdaniem naukowców rozwiązanie sprzeczności zaproponowane przez Süsskinda opiera się na fakcie, że niezgoda w ocenie tego, co dzieje się między tobą a Anną, jest zapośredniczona przez horyzont zdarzeń. Nie ma znaczenia, czy Anna faktycznie widziała, jak jeden z twoich dwóch okazów ginie w ogniu promieniowania Hawkinga, ponieważ horyzont zdarzeń uniemożliwił jej zobaczenie drugiego okazu lecącego głęboko w czarną dziurę.

Ale co by było, gdyby Anna potrafiła dowiedzieć się, co dzieje się po drugiej stronie horyzontu zdarzeń, nie przekraczając go?

Ogólna teoria względności mówi nam, że jest to niemożliwe, ale mechanika kwantowa trochę zaciera twarde zasady. Anna mogła zajrzeć poza horyzont zdarzeń, wykonując coś, co Einstein nazwał „straszną akcją dalekiego zasięgu”.

Mowa o splątaniu kwantowym - zjawisku, w którym stany kwantowe dwóch lub więcej cząstek oddzielonych przestrzenią w tajemniczy sposób stają się współzależne. Cząstki te tworzą teraz jedną i niepodzielną całość, a informacje niezbędne do opisania tej całości zawarte są nie w tej czy innej cząstce, ale w relacji między nimi.

Pomysł przedstawiony przez AMPS jest następujący. Załóżmy, że Anna podnosi cząstkę w pobliżu horyzontu zdarzeń - nazwijmy ją cząstką A.

Jeśli jej wersja tego, co ci się przytrafiło, jest prawdziwa, to znaczy zostałaś zabita przez promieniowanie Hawkinga z zewnątrz czarnej dziury, to cząstka A musi być połączona z inną cząstką - B, która również musi znajdować się na zewnątrz czarnej dziury. horyzont zdarzeń.

Prawa autorskie do obrazu inwentarz Tytuł Zdjęcia Czarne dziury mogą przyciągać materię z pobliskich gwiazd

Jeśli twoja wizja wydarzeń odpowiada rzeczywistości, a ty żyjesz i masz się dobrze w środku, to cząstka A musi być połączona z cząstką C, znajdującą się gdzieś wewnątrz czarnej dziury.

Piękno tej teorii polega na tym, że każda z cząstek może być połączona tylko z jedną inną cząstką. Oznacza to, że cząstka A jest połączona albo z cząstką B, albo z cząstką C, ale nie z obiema jednocześnie.

Więc Anna bierze swoją cząstkę A i przepuszcza ją przez maszynę dekodującą splątanie, którą ma, co daje odpowiedź, czy ta cząstka jest powiązana z cząstką B, czy z cząstką C.

Jeśli odpowiedź brzmi C, twój punkt widzenia zwyciężył z naruszeniem praw mechaniki kwantowej. Jeśli cząstka A jest połączona z cząstką C, która znajduje się w głębi czarnej dziury, to informacja opisująca ich współzależność jest dla Anny bezpowrotnie utracona, co jest sprzeczne z prawem kwantowym, zgodnie z którym informacja nigdy nie ginie.

Jeśli odpowiedź brzmi B, to wbrew zasadom ogólnej teorii względności Anna ma rację. Jeśli cząstka A jest związana z cząstką B, naprawdę zostałeś spalony przez promieniowanie Hawkinga. Zamiast lecieć przez horyzont zdarzeń, jak wymaga tego teoria względności, zderzyłeś się ze ścianą ognia.

Wracamy więc do pytania, od którego zaczęliśmy - co dzieje się z osobą, która dostanie się do czarnej dziury? Czy przeleci przez horyzont zdarzeń bez szwanku dzięki zaskakująco zależnej od obserwatora rzeczywistości, czy też zderzy się ze ścianą ognia ( czarnydziuryzapora ogniowa, nie mylić z terminem komputerowymzapora ogniowa, „firewall”, oprogramowanie chroniące komputer w sieci przed nieautoryzowanym dostępem - wyd.)?

Nikt nie zna odpowiedzi na to pytanie, jedno z najbardziej kontrowersyjnych zagadnień w fizyce teoretycznej.

Od ponad 100 lat naukowcy próbują pogodzić zasady ogólnej teorii względności i fizyki kwantowej, mając nadzieję, że ostatecznie zwycięży jedno lub drugie. Rozwiązanie paradoksu „ściany ognia” powinno dać odpowiedź na pytanie, która z zasad zwyciężyła i pomóc fizykom w stworzeniu kompleksowej teorii.

Prawa autorskie do obrazu inwentarz Tytuł Zdjęcia A może następnym razem wysłać Annę do czarnej dziury?

Rozwiązaniem paradoksu znikania informacji może być maszyna deszyfrująca Anny. Niezwykle trudno jest określić, z którą inną cząstką A jest połączona. Fizycy Daniel Harlow z Princeton University w New Jersey i Patrick Hayden, obecnie na Uniwersytecie Stanforda w Kalifornii w Kalifornii, zastanawiali się, jak długo to potrwa.

W 2013 roku obliczyli, że nawet przy użyciu najszybszego komputera, jaki jest możliwy zgodnie z prawami fizyki, rozszyfrowanie zależności między cząstkami zajęłoby Annie niezwykle dużo czasu - tak długo, że zanim uzyska odpowiedź, czarna dziura wyparuje przez długi czas. czas temu.

Jeśli tak, jest prawdopodobne, że przeznaczeniem Anny jest po prostu nie wiedzieć, czyj punkt widzenia jest prawdziwy. W takim przypadku obie historie pozostaną jednocześnie prawdziwe, rzeczywistość będzie zależała od obserwatora i żadne z praw fizyki nie zostanie naruszone.

Ponadto związek między wysoce złożonymi obliczeniami (do których nasz obserwator najwyraźniej nie jest zdolny) a kontinuum czasoprzestrzennym może skłonić fizyków do nowych refleksji teoretycznych.

Tak więc czarne dziury to nie tylko niebezpieczne obiekty na drodze międzygwiezdnych wypraw, ale także laboratoria teoretyczne, w których najmniejsze zmiany praw fizyki osiągają takie rozmiary, że nie można ich dłużej lekceważyć.

Jeśli gdzieś leży prawdziwa natura rzeczywistości, najlepszym miejscem do jej poszukiwania są czarne dziury. Ale chociaż nie mamy jasnego zrozumienia, jak bezpieczny jest horyzont zdarzeń dla ludzi, bezpieczniej jest obserwować poszukiwania z zewnątrz. W skrajnych przypadkach możesz następnym razem wysłać Annę do czarnej dziury - teraz jej kolej.