Излучение Хокинга возникает не на горизонте событий черных дыр

Излучение Хокинга — это тепловое излучение, спонтанно испускаемое черными дырами из-за квантовых эффектов вблизи их горизонта событий. Постепенно уменьшается энергия вращения и масса черных дыр. Тем не менее, это просто теория; такого излучения еще не наблюдалось.

В 1974 году Стивен Хокинг потряс мир физики, показав, что черные дыры могут испускать субатомные частицы, пока они не исчерпают свою энергию и не испарятся полностью.

До этого черные дыры, как правило, считались идеальными черными объектами, из которых никакие частицы и излучение не могут вырваться. Однако статья Хокинга под названием «Создание частиц черными дырами» (опубликованная в 1975 году) дала совершенно новую перспективу для изучения черных дыр.

Что такое излучение Хокинга? (Объясняется простыми словами)

Принимая во внимание квантовую теорию поля, Стивен Хокинг показал, что черные дыры испускают излучение, известное как излучение Хокинга, вблизи своего горизонта событий.

С точки зрения непрофессионалов, излучение Хокинга — это тепловое излучение, которое спонтанно испускается черными дырами. Оно постепенно уменьшает энергию вращения и массу черных дыр. Таким образом, неактивные черные дыры (не потребляющие вещества), как ожидается, уменьшатся и в конце концов исчезнут. Этот процесс также называется испарением чёрных дыр.

Излучение Хокинга было спорным открытием, но к концу 1970-х годов оно было широко признано как крупный прорыв в теоретической физике.

Небольшое отступление

В начале 1970-х годов исследования, проведенные Джеймсом Бардином, Стивеном Хокингом и другими физиками, привели к формулировке термодинамики черной дыры, в которой можно исследовать поведение черной дыры, связывая площадь с энтропией, массу с энергией и поверхностную гравитацию с температурой.

Хокинг, используя много математики, объединил идеи как из теории относительности Эйнштейна, так и из квантовой механики. В то время как теория относительности описывает гравитацию в областях большого масштаба и большой массы (галактики, звезды), квантовая механика фокусируется на невесомости в областях малого масштаба и малой массы (молекулы, атомы).

Ученые десятилетиями пытались объединить эти две основные теории: они пытались разработать теорию всего, что могло бы полностью объяснить и связать воедино все физические аспекты вселенной.

Оказывается, обе теории вступают в игру на горизонте событий «черной дыры» — границе, за которой ничто не может уйти (даже свет).

Стивен Хокинг использовал квантовую теорию поля, чтобы показать, что черные дыры должны излучать как черное тело. И подобно многим другим объектам в нашей Вселенной, черные дыры сжимаются и умирают. Его расчеты показали, что как вращающиеся, так и невращающиеся черные дыры испускают излучение. Он даже превратил свои находки в небольшой совет:

«Если ты чувствуешь, что находишься в черной дыре, не сдавайся. Здесь есть выход».- Стивен Хокинг на публичной лекции в Стокгольме, Швеция.

Как работает излучение Хокинга?

Согласно квантово-механической теории, частицы и их аналоги (античастицы) постоянно появляются и исчезают во всей Вселенной.

Эти пары частица-античастица также создаются рядом с горизонтом событий черной дыры, и они быстро уничтожают друг друга. Однако одна частица может упасть в черную дыру до того, как может произойти ее уничтожение, и в этом случае другая частица (ее аналог) ускользнет под действием излучения Хокинга.

Это означает, что излучение Хокинга не исходит непосредственно от самой черной дыры, а является результатом того, что виртуальные частицы «поднимаются» под действием интенсивного гравитационного притяжения черной дыры, превращаясь в настоящие частицы.

Частица, упавшая в черную дыру, должна была иметь отрицательную энергию, в то время как ее двойник должен был иметь положительную энергию (по отношению к внешнему наблюдателю). Таким образом, получается, что черная дыра только что выпустила частицу, потеряв свою массу.

Это явление также можно рассматривать как эффект квантового туннелирования, в котором пара (частицы и античастица) образуется из вакуума и одного из парных туннелей за пределами горизонта событий.

Информационный парадокс черной дыры

Основное различие между тепловым излучением, испускаемым черным телом, и излучением черной дыры (по оценке Хокинга) заключается в том, что первое является статистическим по своей природе.

Тепловое излучение несет информацию о теле своего источника, тогда как излучение Хокинга, по-видимому, не несет такой информации: оно зависит исключительно от массы, заряда и углового момента черной дыры.

Так что же происходит с веществом, поглощенным черными дырами? Согласно нашему пониманию общей теории относительности, информация уничтожается. Но если бы это было так, то это нарушило бы законы квантовой механики.

Эта головоломка называется информационным парадоксом черной дыры.

В 2020 году Стивен Хокинг представил идею о том, как этот парадокс может быть решен. Он предположил, что информация на самом деле хранится не внутри черной дыры, а на ее границе – горизонте событий.

Информация хранится в виде суперпереводов, голограммы входящих частиц. Это выпущено в квантовых колебаниях, которые создают черные дыры, хотя в бесполезной, хаотической форме.

Последняя работа Хокинга решила парадокс параллельных вселенных

Image caption В 1980-х годах Хокинг вместе с американским астрофизиком Джеймсом Хартлом разработал новую теорию возникновения Вселенной В своей последней работе профессор Стивен Хокинг говорит о существовании параллельных вселенных, похожих на нашу.

Эта теория покойного астрофизика помогает решить выведенный им же космический парадокс и наводит астрономов на поиск свидетельств существования параллельных вселенных.

Работа была передана в научное издание Journal of High-Energy Physics за десять дней до смерти Хокинга.

• Стивен Хокинг: ученый, изменивший наше представление о Вселенной
• «Жизнь была бы трагичной, если бы не была забавной»: Стивен Хокинг в цитатах
• Нейтронные звезды и происхождение золота — последнее интервью Стивена Хокинга

В 1980-х годах Хокинг вместе с американским астрофизиком Джеймсом Хартлом разработал новую теорию возникновения Вселенной.

Теория Хартла-Хокинга устраняла внутреннее противоречие теории Эйнштейна, в которой постулировалось, что наша Вселенная возникла около 14 миллиардов лет назад, но не говорилось, каким образом это произошло.

Ученые прибегли к квантовой механике, чтобы объяснить, как Вселенная могла возникнуть из ничего.

Эта теория решила одну проблему, но создала другую, или даже бесконечное число других.

Выстраивая свою теорию, физики пришли к выводу, что Большой взрыв вероятнее всего создал не одну вселенную, а бесконечное их количество.

Правообладатель иллюстрации DETLEV VAN RAVENSWAAY/SCIENCE PHOTO LIBRARY Image caption В соответствии с теорией Хартла-Хокинга некоторые из параллельных вселенных похожи на нашу

В соответствии с теорией Хартла-Хокинга некоторые из параллельных вселенных похожи на нашу: в них существуют похожие на Землю планеты, общества, похожие на наши, и даже схожие с нами люди.

Другие вселенные могут быть немного другими — это может быть планета, похожая на Землю, но сохранившая популяцию динозавров. В третьих все может быть совсем по-другому: без Земли, возможно даже без звезд и галактик, с другими законами физики.

Может быть, это звучит как фантастика, но в соответствии с математической частью теории Хартла-Хокинга это возможно.

Тут возникает проблема, поскольку если существует бесконечное число вселенных с бесконечными вариациями законов физики, то теория не может способствовать пониманию того, в какой именно вселенной мы находимся и каковы ее особенности по сравнению с другими.

Именно этот парадокс в своей последней работе пытается решить Хокинг совместно с профессором Томасом Хертогом из Левенского католического университета в Бельгии.

«Ни Стивен, ни я не были удовлетворены таким положением дел», — говорит Хертог в беседе с Би-би-си.

«Получается, что мультивселенная возникла случайно, а больше мы почти ничего сказать не можем. Мы сказали друг другу: «Возможно, с этим придется смириться». Но сдаваться мы не хотели», — рассказывает ученый.

Правообладатель иллюстрации NASA/SCIENCE PHOTO LIBRARY Image caption Теория Хартла-Хокинга — плод двадцатилетней работы двух ученых

Теория Хартла-Хокинга — плод двадцатилетней работы двух ученых. Парадокс в рамках новой теории разрешается с помощью математического арсенала другой экзотической теории — теории струн.

Этот подход позволил физикам по-другому взглянуть на науку. А новая оценка теории Хартла-Хокинга, которая содержится в работе, восстанавливает порядок в мультивселенной.

В соответствии с теорией Хокинга-Хертога, параллельные миры существуют, но законы физики в них должны быть такими же, как в нашей.

Это значит, что наша Вселенная типична, а значит выводы, которые мы делаем из наблюдений за ней, применимы и к параллельным мирам.

Все это может показаться заумным, но эти идеи будут реальным подспорьем для физиков, которые стараются разработать более полную теорию возникновения Вселенной, говорит профессор Хертог.

«Законы физики, которые мы проверяем в наших лабораториях, существовали не всегда. Они выкристаллизовались после Большого взрыва, по мере того, как наша Вселенная расширялась и остывала. То, какие именно законы возникнут, в большой степени зависело от физических параметров Большого взрыва. Изучая их, мы надеемся получить более глубокое понимание того, откуда берутся наши теории по физике, как они появляются, и уникальны ли они», — говорит ученый.

Один из волнующих выводов новой теории в том, что, по словам Хертога, она может помочь исследователям обнаружить следы параллельных вселенных в нашей. Это можно сделать, изучая микроволновые следы Большого взрыва.

Но каким-то образом перескочить из одной вселенной в другую вряд ли получится, уточняет ученый.

Экспериментальные наблюдения

В 2008 году НАСА запустило космическую обсерваторию под названием Fermi Gamma-ray Space Telescope, которая в настоящее время ищет испаряющиеся первичные микро-черные дыры из их предполагаемого излучения Хокинга.

Ученые считают, что микро-черные дыры могут быть экспериментально созданы в искусственной среде на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа. В случае успеха они могут наблюдать испарение черной дыры, а также подтвердить некоторые теоретические предсказания теории суперструн относительно гравитации.

Метки
Горизонт событий Квантовая физика Стивен Хокинг Черная дыра

Вселенная Стивена Хокинга — Теория жизни

Среди номинантов на премию Оскар за лучшую мужскую роль в перечне актеров, которые уже достаточно давно известны широкой публике, была одна темная лошадка. Когда в руки этого молодого таланта, начинавшего с сериалов, стали сыпаться награды – «Золотой глобус», актерской Гильдии, BAFTA – он обратил на себя внимание общественности. После британской премии шансы Эдди Редмэйна на получение Оскара резко увеличились. И он его таки получил за отлично сыгранную роль в блестящем, эмоциональном и жизнеутверждающем байопике «Вселенная Стивена Хокинга».

Актер, которого можно было видеть в «Отверженных» и «Столпах Земли», в данном биографическом фильме проделал кропотливую и тщательную работу по созданию образа знаменитого космолога. Режиссер Джеймс Марш снял ленту по мотивам книги «Путешествие во Вселенную: Моя жизнь со Стивеном Хокингом». Ее написала первая жена ученого Джейн Уайлд, сыгранная великолепной Фелисити Джонс. Она сумела воплотить на экране образ волевой и несгибаемой женщины, в то время как Редмэйн показал Хокинга в разные годы жизни, изучив протекание болезни Лу Герига, которая проявилась у учёного еще в студенческом возрасте.

Начав обучение прикладной математике и физике в Оксфорде, Стивен довольно быстро достиг первых успехов. Под руководством профессора Денниса Сиама (Дэвид Тьюлис, Люпин из «Гарри Поттера») он выбирает время и вселенную темой своей докторской диссертации. Хокинг – не типичный ботаник в очках с толстой оправой и неопрятным внешним видом, у него верные друзья, с которыми можно выпить пива в кампусе Тринити-Холла за разговорами о термодинамике, он состоит в оксфордской команде по гребле, любит Вагнера и крокет. На вечеринке он встречает прекрасную девушку, свою будущую жену Джейн, которая более двадцати лет будет помогать ему справляться с тяжелой болезнью. О он узнал в 21 год, буквально через неделю после своего дня рождения. Врачи сказали, что жить ему осталось около двух лет.

Сейчас Стивену Хокингу 73 года. У него трое детей, звание одного из самых известных ученых современности и популяризатора науки. Он написал бестселлер «Краткая история времени», державшийся в топе продаж более трех лет. Также Стивен часто появляется на ТВ-шоу или мелькает в , являясь узнаваемой персоной благодаря инвалидной коляске и компьютерному генератору речи. Несмотря на такие трудности в коммуникации, он способен донести до слушателей сложные научные измышления в понятной форме, с юмором и наглядными примерами. Посвятив всю жизнь изучению космологии и квантовой гравитации, он вывел теорию, согласно которой у Вселенной нет границ, она постоянно расширяется, все изменения с ней произошли при ее рождении. Повернув вспять ход времени, можно проследить до момента начала начал – Большого взрыва, когда в возникающей самопроизвольно произошел процесс создания Вселенной. Стивен Хокинг также осмыслил с помощью квантовых эффектов предположив, что они испаряются путем излучения за их элементарных частиц.

Но фильм не о серьезной науке, а о сильной личности, о преисполненном неиссякаемым оптимизмом невероятном человека. Основанная не на теориях или гипотезах, а на биографических мемуарах жены революционера астрофизики, лента показывает его как доброго и семейного человека. Да, занимающегося наукой, но она тут уходит на второй план, больше раскрывая невероятное жизнелюбие ученого и его крепкие взаимоотношения с супругой. Стивен и Джейн смогли вместе открывать самые простые радости при том, что каждый день мог стать последним. Вот он счастливо ездит по гостиной и играет с детьми, изображая из себя киборга из «Доктора Кто», вот спорит с Кипом Торном на годовую подписку журнала «Пентхауз», выбирается с семьей на пляж, где его атрофированные ноги омывает морская вода, а следующим кадром выступает перед огромной аудиторией. Все важные встречи и события из биографии поданы изящно, драматично и потрясающе душевно.

То, что сделал Эдди Редмэйн, действительно достойно высшей награды, так как он смог не только натурально изобразить мимику, речь и жестикуляцию Хокинга, но и выдал цельный образ больного человека со стержнем внутри. Тщательно проработав все детали и прочувствовав роль, он показал истинную сущность профессора, обладающего стойким, ироничным характером. Немощность окупается чистотой и постоянством работы мозга. Горизонта событий, как у черной дыры, у человеческой жизни быть не должно. Ее невозможно описать одним уравнением, как то, которое Стивен Хокинг пытался вывести для объяснения Вселенной, в нее можно только поверить.