Чорні діри зникають: як це відбувається і чому це проблема для фізиків

Знаменитий учений Стівен Гокінг за допомогою принципів квантової фізики припустив, що, хоча ніщо не може покинути горизонт подій чорної діри, ці об'єкти насправді можуть впускати частинки. Тому протягом тривалого часу чорні діри стискаються, випаровуються, можливо навіть вибухають, і зрештою зникають. Твердження Гокінга призвело до півстолітніх суперечок серед фізиків. Адже теорія про те, що чорні діри випаровуються, ставить у протиріччя два фундаментальні принципи фізики: загальну теорію відносності та квантову механіку, пише Live Science.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Фізики досі сперечаються про те, яким чином може відбуватися випаровування чорної діри, що призводить до її зникнення. Але за останні кілька десятиліть з'явилися потенційні пояснення цього процесу, які кидають виклик головним законам Всесвіту. За словами Деніела Харлоу з Массачусетського технологічного інституту, США, тепер фізики набагато краще розуміють процес випаровування чорних дір, ніж 50 років тому. Хоча ще залишаються деякі загадки, адже досі ніхто напряму не бачив цього процесу.

Як зникають чорні діри?

Альберт Ейнштейн передбачив існування чорних дір у 1915 році за допомогою своєї загальної теорії відносності, яка пояснює, як гравітація є властивістю кривизни простору-часу. Згідно з теорією відносності, чорні діри являють собою дуже щільні об'єкти з дуже великою масою. Вони мають настільки сильну гравітацію, що навіть світло, яке подолало горизонт подій чорної діри, не може вийти назад. Усе, що потрапляє в чорну діру, виявляється стиснутим в області сингулярності, де порушуються відомі нам закони фізики.

Стівен Гокінг припустив, що, можливо, не всі частинки поглинаються чорною дірою. У квантовій механіці звичайні частинки й античастинки можуть з'являтися і зникати. При цьому під час зіткнення таких частинок відбувається їхнє взаємне знищення. Гокінг вважав, що коливання полів на горизонті подій чорної діри призводять до того, що не завжди частинки й античастинки знищують одна одну. Одна зі зв'язаної пари частинок може потрапити в чорну діру, тоді як інша може вирватися з неї. Таким чином ці частинки виходять у вигляді випромінювання, відомого тепер, як випромінювання Гокінга. У міру того, як у космос виривається дедалі більше частинок, чорні діри починають втрачати свою енергію і масу і в кінцевому підсумку зникають, як вважав Гокінг.

При цьому процес зникнення чорної діри являє собою надзвичайно повільний процес. Наприклад, якщо чорна діра має масу Сонця, то вона має повністю випаруватися за 10 у 67 ступені років, а це далі, ніж нинішній вік Всесвіту (13,8 млрд років). Як уже було сказано вище, фізики ще не бачили безпосередньо доказ існування випромінювання Гокінга, тому дослідження тривають у цьому напрямку.

Парадокс чорних дір

Наявність процесу випаровування чорної діри призвела до появи інформаційного парадоксу чорних дір або парадоксу Гокінга. Якщо чорні діри випаровуються і зникають, то частинки, які вони залишають після себе, не мають інформації про вихідний стан матерії. А це порушує основну концепцію фізики, згідно з якою система в один момент часу має визначати або відображати свій стан в інший момент часу.

Фізики все ще намагаються вирішити інформаційний парадокс чорних дір. За словами Харлоу, будь-яке розв'язання цього парадокса вимагає відмови від різних головних принципів фізики.

Одні фізики вивчають закони термодинаміки і те, як ентропія впливає на квантову інформацію, щоб вирішити парадокс Гокінга. Інші фізики вивчають локальність. Це принцип, згідно з яким на об'єкти безпосередньо впливає тільки їхнє безпосереднє оточення. Учені вважають, що інформаційний парадокс чорних дір можна вирішити за допомогою квантової нелокальності. Ця ідея говорить про те, що частинки всередині чорної діри поділяють свій квантовий стан із частинками поза чорною дірою. Про останнє дослідження Фокус уже докладно писав.

Також Фокус писав про те, з якими труднощами стикаються фізики під час вирішення інформаційного парадоксу чорних дір.

Ще Фокус писав про те, що в США побудують першу в світі термоядерну електростанцію. Термоядерна енергія є чистою і практично безмежною, і якщо все піде за планом, то промислове виробництво цієї енергії буде запущено в найближчому майбутньому.