Черные дыры исчезают: как это происходит и почему это проблема для физиков

Фото: Live Science

Знаменитый ученый Стивен Хокинг с помощью принципов квантовой физики предположил, что, хотя ничто не может покинуть горизонт событий черной дыры, эти объекты на самом деле могут впускать частицы. Поэтому в течение длительного времени черные дыры сжимаются, испаряются, возможно даже взрываются, и в конечном итоге исчезают. Утверждение Хокинга привело к полувековым спорам среди физиков. Ведь теория о том, что черные дыры испаряются ставит в противоречие два фундаментальных принципа физики: общую теорию относительности и квантовую механику, пишет Live Science.

Физики до сих пор спорят о том, каким образом может происходить испарение черной дыры, что приводит к ее исчезновению. Но за последние несколько десятилетий появились потенциальные объяснения этого процесса, которые бросают вызов главным законам Вселенной. По словам Дэниела Харлоу из Массачусетского технологического института, США, теперь физики гораздо лучше понимают процесс испарения черных дыр, чем 50 лет назад. Хотя еще остаются некоторые загадки, ведь до сих пор никто напрямую не видел этого процесса.

Как исчезают черные дыры?

Альберт Эйнштейн предсказал существование черных дыр в 1915 году с помощью своей общей теории относительности, которая объясняет, как гравитация является свойством кривизны пространства-времени. Согласно теории относительности, черные дыры представляют собой очень плотные объекты с очень большой массой. Они имеют настолько сильную гравитацию, что даже свет, который преодолел горизонт событий черной дыры, не может выйти обратно. Все, что попадает в черную дыру, оказывается сжатым в области сингулярности, где нарушаются известные нам законы физики.

Стивен Хокинг предположил, что, возможно, не все частицы поглощаются черной дырой. В квантовой механике обычные частицы и античастицы могут появляться и исчезать. При этом при столкновении таких частиц происходит их взаимное уничтожение. Хокинг считал, что колебания полей на горизонте событий черной дыры приводят к тому, что не всегда частицы и античастицы уничтожают друг друга. Одна из связанной пары частиц может попасть в черную дыру, в то время как другая может вырваться из нее. Таким образом эти частицы выходят в виде излучения, известного теперь, как излучение Хокинга. По мере того, как в космос вырывается все больше частиц, черные дыры начинают терять свою энергию и массу и в конечном итоге исчезают, как считал Хокинг.

При этом процесс исчезновения черной дыры представляет собой чрезвычайно медленный процесс. Например, если черная дыра имеет массу Солнца, то она должна полностью испариться за 10 в 67 степени лет, а это дальше, чем нынешний возраст Вселенной (13,8 млрд лет). Как уже было сказано выше, физики еще не видели напрямую доказательство существования излучения Хокинга, поэтому исследования продолжаются в этом направлении.

Парадокс черных дыр

Наличие процесса испарения черной дыры привело к появлению информационного парадокса черных дыр или парадокса Хокинга. Если черные дыры испаряются и исчезают, то частицы, которые они оставляют после себя не имеют информации об исходном состоянии материи. А это нарушает основную концепцию физики, согласно которой система в один момент времени должна определять или отражать свое состояние в другой момент времени.

Физики все еще пытаются решить информационный парадокс черных дыр. По словам Харлоу, любое решение этого парадокса требует отказа от разных главных принципов физики.

Одни физики изучают законы термодинамики и то, как энтропия влияет на квантовую информацию, чтобы решить парадокс Хокинга. Другие физики изучают локальность. Это принцип, согласно которому на объекты напрямую влияет только их непосредственное окружение. Ученые считают, что информационный парадокс черных дыр можно решить с помощью квантовой нелокальности. Эта идея говорит о том, что частицы внутри черной дыры разделяют свое квантовое состояние с частицами вне черной дыры.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист AOinform