Черные дыры могут иметь «волосы». Эйнштейн не прав?

Автор оригинала: Jonathan O'Callaghan
  • Перевод
Недавно проведенное исследование американских физиков об экстремальных черных дырах может опровергнуть знаменитую теорему об отсутствии волос.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, черные дыры обладают только тремя наблюдаемыми свойствами: массой, спином (момент импульса) и зарядом. Дополнительных характеристик, или, как называют их физики, «волос», не существует.



Чтобы объяснить идею, представим однояйцевых близнецов. Они имеют одинаковый генотип, это генетические копии, но даже такие близнецы будут различаться множеством вещей: от темперамента до прически. Черные дыры, согласно теории гравитации Альберта Эйнштейна, могут иметь всего три характеристики: массу, спин и заряд. Если эти значения одинаковы для любых двух черных дыр, то они идентичны, будет невозможно отличить одну от другой. У черных дыр нет волос.

«Согласно классической общей теории относительности, такие черные дыры были бы абсолютно идентичны», — отмечает Пол Чеслер, физик-теоретик из Гарвардского университета.

Однако ученые задаются вопросом, верна ли теорема об отсутствии волос. В 2012 году математик Стефанос Аретакис, работавший тогда в Кембриджском университете, а теперь в Университете Торонто, предположил, что некоторые черные дыры могут иметь нестабильности (instabilities) на горизонте событий.

Нестабильности придали бы одним участкам горизонта черной дыры более сильное гравитационное притяжение, чем другим. Получается, что в таком случае даже идентичные черные дыры будут различимыми.

Однако уравнения Аретакиса показали, что это возможно только для так называемых экстремальных черных дыр — тех, которые имеют максимально возможное значение для массы, спина или заряда. И, по словам Чеслера, такие черные дыры не могут существовать в природе.

Но допустим, что есть почти экстремальная черная дыра, которая приближается к максимальным значениям, но не достигает их. Такая черная дыра может существовать, по крайней мере, теоретически. Опровергнет ли это теорему об отсутствии волос?

В докладе, опубликованном в конце января, показано, что это возможно.

Более того, земные детекторы гравитационных волн могут уловить такие волосы.

«Аретакис предположил, что существует некоторая информация, которая остается на горизонте событий», — прокомментировал Гаурав Ханна, физик из Массачусетского университета и Университета Род-Айленда, один из соавторов исследования.

Ученые предполагают, что свидетельства образования черной дыры или более поздних возмущений горизонта событий (например, падение вещества в черную дыру) могут создавать гравитационную нестабильность на горизонте событий почти экстремальной черной дыры или рядом с ним.

«Мы предполагаем, что гравитационный сигнал, который мы обнаружим, будет сильно отличаться от обычных черных дыр, которые не являются экстремальными», — говорит Ханна.

Если у черных дыр есть волосы, значит сохраняется некоторая информация об их прошлом, — это затронет и знаменитый информационный парадокс черных дыр, который сформулирован Стивеном Хокингом, как отмечает Лия Медейрос, астрофизик из Института перспективных исследований в Принстоне.

Этот парадокс обнажает фундаментальный конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой, двумя столпами физики XX века.

Если опровергнем одно из условий информационного парадокса, мы сможем решить сам парадокс. Одно из условий — это теорема об отсутствии волос.

Последствия этого открытия будут значительным. «Если мы сможем доказать, что реальное пространство-время черной дыры за пределами черной дыры отличается от того, что мы ожидаем увидеть, тогда, я думаю, это будет иметь действительно огромное значение для общей теории относительности», — сказала Медейрос, соавтор октябрьского доклада, который посвящен тому, соответствует ли наблюдаемая геометрия черных дыр предположениям.

Однако, пожалуй, самым захватывающим моментом исследования является то, что оно открывает путь, как объединить наблюдения за черными дырами и фундаментальную физику. Обнаружение волос на черных дырах, пожалуй, на самых экстремальных астрофизических лабораториях во Вселенной, может позволить исследовать такие идеи, как теория струн и квантовая гравитация, таким способом, каким раньше это было невозможно.

Оказывается, уравнения Эйнштейна настолько сложны, что мы ежегодно открываем новые их свойства.

Пол Чеслер

«Одна из больших проблем с теорией струн и квантовой гравитацией заключается в том, что эти предположения сложно проверить, — утверждает Медейрос, — так что, если у нас есть что-то, что можно проверить даже удаленно, это просто потрясающе».

Однако встречаются и серьезные препятствия. Нет уверенности в существовании почти экстремальных черных дыр. По словам Чеслера, в лучших моделях на данный момент обычно образуются черные дыры, которые на 30% отличаются от экстремальных значений. И даже если почти экстремальные дыры существуют, не совсем понятно, достаточно ли чувствительны детекторы гравитационных волн для определения нестабильности по волосам.

Более того, предполагается, что волосы крайне скоротечны, они длятся доли секунды.

Но сам доклад выглядит основательным. «Я не думаю, что кто-то в сообществе сомневается в этом», — сказал Чеслер.

Следующий этап — посмотреть, какие сигналы мы будем обнаруживать с помощью детекторов гравитационных волн: сейчас мы работаем с LIGO и Virgo, но запускается новые инструменты, например, LISA, совместный эксперимент Европейского космического агентства и НАСА по исследованию гравитационных волн.

«Теперь следует опираться на их работу и действительно вычислить, какой будет частота гравитационного излучения. Важно понять, как мы можем измерить и идентифицировать его», — отмечает Хельви Витек, астрофизик из Университета Иллинойса, Урбана-Шампейн.

Хотя шансы обнаружить волосы не так велики, такое открытие поставит под сомнение общую теорию относительности Эйнштейна и докажет существование почти экстремальных черных дыр.

«Мы хотели бы знать, позволяет ли природа существовать такому зверю», — говорит Ханна.
Timeweb
VDS, виртуальный хостинг, домены, серверы

Комментарии 31

    +3
    А разве есть какие-то фундаментальные ограничения на размер чёрных дыр?
      +6
      Мне кажется, это опечатка в оригинале. Речь идет об экстремальных черных дырах: для заданного заряда и спина у них минимально возможная масса.

      Другое дело, что считается, что и на максимальную массу есть предел, до которой ЧД может вырасти путем поглощения материи.
        0
        Благодарю
        +8

        Есть ограничение на массу, а значит размер. Около 50 миллиардов солнечных масс. На этой границе происходит дестабилизация диска аккреции. Без диска черная дыра остановится в росте, следовательно, это ее верхний предел. Единственный способ заставить ее стать еще больше — если бы прямо на нее упала звезда или же с ней слилась другая черная дыра. Но ни один процесс не откармливает ее так эффективно, как газовый диск.

          +1
          Эффектно да, но эффективней кормить её другими ЧД.
            0

            Да, но где их взять… Большое скопление сверхмассивных ЧД в одном регионе не может образоваться в принципе.

              0
              Не только может, но и происходило совершенно не единожды — столкновения двух и более галактик вполне себе были за 13+ биллионов лет, и даже последовательные нескольких НЯЗ
            +3

            если точнее, то 65536

              0

              А может и 59049. В начале статьи Эйнштейн намекает, что там троичная логика.

              0
              Данные ограничение только предполагаемые для уровня сознания/знаний/допущений на сегодня.
              Черные Дырищи могут как розрастаться до бесконечности, так и создавать новые Черные Дырочки от нуля.
              ЧД сама регулирует эти процессы работой своего аккреционного диска/горизонта событий.../ и своих джетов. Т.е. попросту сама регулирует среду своего обитания в зависимости от своей гравитационной силы и создания джетами новых объектов поглощения/преобразования на всей дистанции распространения/контактов испускаемых частиц.
              И что самое интересное! Линии полей (электромагнитного, гравитационного...) ЧД очень сравнимы с волосами! А прически из этих волос у каждой ЧД разные и зависят от количества Материи, которую ЧД преобразовывает для себя в данный момент Времени…
              +3
              Какие-то наверняка есть. Гипотетическая Планковская чёрная дыра в качестве минимальной, например. Размер данной вселенной в качестве верхнего ограничения.

              Теперь главное — чтобы гипотетические волосы не мешали чёрной дыре входить в состояние квантовой запутанности с коллегами из других вселенных для создания межвселенных каналов передачи данных ;)
              +3
              1) Спин есть только у элементарных частиц. У черных дыр может быть только вращение.
              2) ОТО Эйнштейна имеет пределы применимости, и в этих пределах прекрасно себя показывает. Да и в тексте статьи физики не позволяют себе подобных высказываний. Так что заголовок кликбейтный.
              3) Афоризм про «волосы» принадлежит, если не ошибаюсь, Джону Уилеру, хотя вики это идет на шаг дальше.
              4) При всём уважении к теоретикам, значительная часть из них — большие фантазёры.
                0
                1) Спин есть только у элементарных частиц. У черных дыр может быть только вращение.
                У ЧД момент импульс == спин. Так что все ок, хотя в русском обычно говорят про момент импульса все же.
                –4
                Повторение — мать учения.
                А… Фантазия мать воображения…
                Если пространство не существует без материи,
                Значит и информации нет без материи.
                Т.е. пространство/ материя/ время — это одно целое,
                трансформирующееся от почти 0 до почти бесконечности.
                Всё остальное — производные
                  0
                  Написана статья (или перевод) для домохозяек, в общих чертах и метафорично, для меня не понятно. Немного закомплексовал, пошел мыть посуду.
                    –3
                    Стивен Хоккинг, царство ему небесное, давным давно проспорил годовую подшивку журнала эротического журнала «Пентхауз» г-ну Торну, при этом открыл «излучение Хоккинга», согласно которому можно не только идентифицировать чёрную дыру, но и получить информацию из неё (проблема исчезновения информации в ЧД) Это было в 70х годах…
                      0

                      Черные дыры… могут иметь всего три характеристики: массу, спин и заряд. Если эти значения одинаковы для любых двух черных дыр, то они идентичны, будет невозможно отличить одну от другой...".
                      Если передо мной две (и более) чёрные дыры, с одинаковыми "свойствами", то я всё-равно всегда буду понимать, что это РАЗНЫЕ объекты (чтобы мне там ни говорили теории всякие). Разные, хотя бы своим прошлым (историей их появления), а тем более — будущим.

                        +1

                        Представим, что ты обе эти черные дыры наблюдал с момента их рождения. Первая образовалась давным давно, пережила несколько слияний, напоглощала звёзд всяких. Вторая же молодая, только что родилась. Дыры по трем свойствам идентичны.
                        Теперь две дыры рядом, ты отворачиваешься, а дыры меняются местами произвольное количество раз.
                        Так вот теорема об отсутствии волос говорит, что ты, повернувшись обратно, не сможешь сказать, где старая дыра а где новая. Вот неоткуда взять информацию об этом. Если же теорема неверна, то как-то старую ты сможешь отличить (по флуктуациям на горизонте событий, говорящим о её истории или как-то ещё)

                          0
                          Суть не в том что ты их отличишь, а что это два отдельных объекта
                          0
                          Ну так об этом гипотеза и говорит — что этих трёх характеристик полностью достаточно, чтобы описать чёрную дыру как объект. Дополнительно появляются только координаты и скорость относительно наблюдателя. Всё, что будет происходит около дыры в будущем никак не зависит от её истории.
                          0
                          Черные дыры — это «пауки», которые сплетают гравитационную паутину вселенной, преобразуя всё лишнее для создания себе подобных…
                            0
                            Поэтично. Тогда Большой взрыв — это последствия очередного заточения всех пауков в одной тесной банке.
                              –2
                              50-60 лет назад теорию Большого взрыва воспринимал как основную.
                              Сейчас нет. Потому, что Энергия взрыва ниспадающая… И по сути противоречит развитию Пространства-Времени/Материи. Материя — это всё, кроме Пространства и Времени — от почти 0 до почти бесконечности.
                              Черные дыры, как последовательные преобразователи Материи всё больше убеждают меня в возможности чередования ими локализаций Пространства-Времени производными от Материи.
                              Тем более, что начала Горизонтов Событий убеждают меня в существовании новых Величин. Например скоростей частиц на порядок выше скорости Света.
                                0
                                Автор «Задачи трёх тел» предположил непостоянство скорости света для разных участков вселенной.
                                  0
                                  Не только он…
                                  У меня сформировалась модель для теоретического/практического подтверждения образования скоростей частиц превышающих скорость Света… до бесконечности.
                                  Квалификация наблюдателя, как и сварщика например, зависит от инструмента? То есть мы можем разделять/мерить Материю на частицы до такого уровня/размера какой нам позволяет используемый при этом инструмент исследования и уровень знаний.
                                  Есть сравнения, что по объёму, в 1 Протоне 20 000 000 000 Фотонов.
                                  Резонно определить так их массу?
                                  И в тоже время, как не делить Электрон — он всё равно вернётся в своё первоначальное, фундаментальное состояние!
                                  Время мне позволило увидеть/осмыслить многие Теории по другому.
                                  Готов поделиться! Как?
                                    0
                                    Нужно сконцентрироваться, наверно пока не созрел.
                                      0

                                      Чтоб поделиться новой теорией достаточно просто оформить её в научную статью и отослать в соответствующее издание для публикации.

                                        0
                                        Будем посмотреть
                              –1

                              Чёрные дыры до конца не изучены что за бред вы тут пишите поймёт только Паша сварщик)

                                0
                                Изучать и понимать, особенно то, что хочешь исследовать, очень взаимосвязаны!
                                –1

                                Как можно изучать не понимая физических явлений и с отсутствием знаний???) Я вот не понимаю)) А вы видимо понимаете)))

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                Самое читаемое