Черные дыры — самые таинственные и опасные объекты во Вселенной
Как вы могли знать, черные дыры — это самые мощные тела, которые только существует в нашей Вселенной. Они обладают таким запасом энергии, что его хватит для того, чтобы расщепить целую планетарную систему на триллионы простейших частиц. Чем это может быть опасно для нас? Давайте разбираться.
Откуда берутся черные дыры?
Для начала важно учесть, что черные дыры появляются в процессе сжатия огромных космических тел, таких как, например, звезды. По истечению срока своей жизни звезды затухают, превращаясь в черных карликов. Но если уровень гравитации такого карлика остается высоким, то со временем он начинает сжиматься, превращаясь в черную дыру. Провести аналогию такого процесса можно с достаточно странной, но все таки относительно реальной, ситуацией.
Представим, что существует полый шар из плотного материала, который ни при каких условиях не сможет деформироваться. В него постоянно помещаются молекулы вещества «N». Со временем, внутреннее пространство шара полностью заполниться, не оставив ни миллиметра свободного места. Если мы будем и дальше помещать молекулы вещества с огромной силой и энергией, то на месте шара образуется сама настоящая черная дыра. И её размеры будут равны объему шара. О том, как даже самая маленькая черная дыра может вместить себя целую вселенную, мы поговорим чуть позже.
Гравитация черных дыр
Учеными было выяснено, что черные дыры, помимо случайно попавшихся на их пути звездам, астероидам и прочим космическим телам, могут поглощать всевозможные молекулы, а также фотоны света, которые, как известно, двигаются с максимумом возможной скорости. Исходя из этого ученые пришли к единому мнению, что уровень или сила гравитации в центре черных дыр равна абсолютной бесконечности.
Кроме этого, все черные дыры перед собой имеют некую границу, которая называется «горизонтом событий», являющейся эдакой точкой невозврата для всего, в том числе и для простейших атомов. Сам процесс попадания в «горизонт событий» можно сравнить с запущенным по реке бумажным корабликом, который приближаясь к границе, выступающей разделительной чертой между склоном водопада и устьем реки, пересекает её и вступает в безвозвратное путешествие глубоко под воду.
И даже теоретически прикрепленный к нему моторчик никак уже не спасет, какие бы мощности он не развивал. Так и фотоны, движущиеся с абсолютным максимумом возможной скорости движения, не могут избежать воздействия гравитационного поля черных дыр.
На сегодняшний день точно неизвестно, как визуально происходит процесс попадания в Черную Дыру и переход той самой «точки невозврата». И вряд ли это когда-нибудь будет известно. Ведь, чтобы мы туда не отправили, все будет обречено на мгновенное уничтожение.
Излучение Хокинга
Черные Дыры — это невероятно загадочные и непредсказуемые объекты в Космосе. Учеными было выведено много теорий, касающихся их свойств. Но из этого множества я хочу выделить пару идей, которые на мой взгляд являются наиболее интересными среди всех.
Собственно первая из них была предложена самым известным в современности физиком–теоретиком Стивеном Хокингом. Вкратце, она заключается в том, что все Черные Дыры излучают свою массу, а как следствие и информацию, содержащуюся в них, подобно пару, выделяемому при кипячении воды в чайнике. Такое явление было названо «Излучением Хокинга», в честь ученого, открывшего этого свойство.
Этот процесс невероятно медленный. К примеру, чтобы Черная Дыра размером со звезду, аналогичной нашему Солнцу, потеряла одну миллиардную (0.0000001%) от своей массы потребуется более квадриллиона лет. Этот процесс происходит постоянно, и попутно с тем, как он идет, увеличивается его скорость и процент потери.
Но это лишь цветочки, другая теория о черных дырах звучит куда более устрашающей. Черные дыры могут поглотить самое основное в нашей Вселенной, то, что нами неосязаемо — информацию.
Молекулы — наше все
Но что же такое информация? Информация, как я уже сказал выше, неосязаема. А в физическом мире её определяют атомы, из которых состоят все тела в нашем мире. Вот например, из одного и того же атома углерода при одном варианте его конструкции мы можем получить алмаз, при другой уголь.
Если же мы усложним конструкцию, и помимо решетки из одного типа атомов добавим еще несколько структур из других атомов, мы можем получить чашечку кофе, фрукт или даже живой организм, в общем, все что угодно, и по своим свойствам каждое из тел будет фундаментально отличаться друг от друга.
Следовательно, основополагающей вещью всего насущного в нашем мире являются атомы. Они содержатся во всем: от песчинки, яблока до нас самих. Выходит, структура атомной решетки объектов и является той самой информацией, которая определяет перечень уникальных свойств каждого тела.
В соответствии с одной из теорий квантовой механики, информацию невозможно уничтожить никаким способом. К примеру, если вы безжалостно исцарапаете, разобьете и растопчите в осколки DVD–диск, с фильмом или записанным музыкальным концертом, информация с него не будет уничтожена, с точки зрения вселенной.
То, что мы не можем вставить и прочитать диск проигрывателем, сугубо наша проблема. Ведь при желании мы можем скрупулезно собрать каждый из осколков и склеить их хитрым образом, а после воспроизвести то, что было записано на них. Потому что молекулы записанной информации так и остались в этих осколках. Этот пример является прямым доказательством того, что все процессы происходящие в нашей вселенной обратимы.
Если бы не черные дыры, жадно поглощающие все, что только можно, а после расщепляющие и смешивающие воедино каждое из тел, возможно, мы могли бы увидеть всю историю развития нашей Вселенной, начиная от Большого Взрыва. И наконец понять как устроен мир.
В научной среде активно обсуждают это явление, а ученым изложившим самую интересную идею на этот счет опять стал Стивен Хокинг. Свойство смешивания всей информации черными дырами назвали «Парадоксом Хокинга». Давайте об этом подробнее.
Парадокс Хокинга
В одном из пунктов выше, на конкретном и простом примере мы рассмотрели одну из аксиом Квантовой Механики, гласящую о том, что никакую информацию в нашем пространстве невозможно уничтожить. Эта аксиома, в свою очередь, является фундаментом всех существующих законов в этой науке. Информация не может быть уничтожена, но… Может быть скрыта.
Например, если одна из черных дыр отделит от себя свою маленькую часть, ей будет передана вся информация, которая только содержалась в «материнской» черной дыре. Таким образом, теоретически, большие дыры могут образовывать маленькие вселенные, информация в которых будет нам недоступна. Так как добраться до них мы никак не сможем.
Такую ситуацию можно сравнить с запароленным жестким дисоком, от которого пользователь забыл код. Технически данные до сих пор находятся на носителе, но так как доступ к ним получить невозможно, для пользователя они бесполезны, и фактически уже не существуют.
Откуда столько пространства?
В одном из пунктов выше мы рассмотрели на достаточно простом примере принцип появления черных дыр. Но как же они могут вмещать в себя целую вселенную? Есть теория, отталкиваясь от которой, можно предположить, что черные дыры переводят информацию, которую содержит каждый из объектов в другой вид.
Если это так, то даже самая маленькая черная дыра, может содержать в себе объем информации в миллионы раз превышающий тот объем который создали мы на нашей планете за все время существования. И это свойство, опять же, можно сравнить с электронными носителями информации. К примеру, на телефоне, планшете, либо компьютере вы можете хранить огромную библиотеку книг у себя в кармане, которая в реальном, физическом мире, занимала бы целое помещение. Удается это благодаря разным способам кодирования информации. Черные дыры также, в соответствии с этой теорией, поглощают информацию и переводят её в другой — голографический вид, который нам пока толком не понятен.
Мир — голограмма?
Смысл теории «Голографических черных дыр» полностью аналогичен теории о «Голографической Вселенной». Заключается она в том, что все, что нас окружает это лишь проекция двумерной информации. Из фильмов и практики мы представляем голографические объекты, как проецируемые лазером в пространстве двухмерные картинки, при взгляде на которые создается ощущение их трёхмерности. Так появилась идея голографической черной дыры. Суть теории состоит в том, что все объекты, независимо от своих размеров, пересекающие границу черных дыр, так называемый «горизонт событий» записываются на его поверхность в виде космического аналога битов и байтов.
Если случится так, что человек попадет в пространство черной дыры, то внутри неё он будет переживать те же ощущения трехмерной жизни, как и снаружи, но за её пределами он будет лишь горсткой «битов», записанными на поверхности «горизонта событий».
Черные Дыры — это невероятно плотные и загадочные объекты, которые подчиняются привычным законам, как и все остальное в нашем мире, но то, что находится внутри них — нет. Поэтому если эта, абсолютно точно, сумасшедшая теория о голографическом преобразовании из двумерной информации в трехмерную верна, то это можно будет отнести и к нашей Вселенной, в которой мы живем. Выходит, что все, что происходит в нашем мире — дуновения ветра, появление новой жизни, войны, и прочее, на самом деле со стороны, условно, выглядит вот так:
Так что человек, находящийся внутри такого тела, не поймет разницы, в каком он пространстве находится, ведь для него все будет трехмерной проекцией двумерных данных. Процессы и законы, стоящие за этой, и множеством других теорий очень сложные, разбираться и говорить о них можно бесконечно долго.
Заключение
На этом все. Огромное спасибо за то, что дочитали до конца. Надеюсь, вам было интересно. В будущем я обязательно еще поделюсь с вами множеством интересных материалов на тему таинственности нашей Вселенной.
Источник
Черные дыры: история открытия самых загадочных объектов во Вселенной, которые мы никогда не увидим
«Научная фантастика может быть полезной — она стимулирует воображение и избавляет от страха перед будущим. Однако научные факты могут оказаться намного поразительнее. Научная фантастика даже не предполагала наличия таких вещей, как черные дыры»
Стивен Хокинг
В глубинах вселенной для человека таится бесчисленное множество загадок и тайн. Одной из них являются черные дыры – объекты, которые не могут понять даже величайшие умы человечества. Сотни астрофизиков пытаются раскрыть природу черных дыр, однако на данном этапе мы еще даже не доказали их существование на практике.
Кинорежиссеры посвящают им свои фильмы, а среди простых людей черные дыры стали настолько культовым явлением, что их отождествляют с концом света и неминуемой гибелью. Их боятся и ненавидят, но при этом боготворят их и преклоняются перед неизвестностью, которую таят в себе эти странные осколки Вселенной. Согласитесь, быть поглощенным черной дырой – та еще романтика. С их помощью можно путешествовать во времени, а также они могут стать для нас проводниками в другие миры.
На популярности черных дыр часто спекулирует желтая пресса. Найти заголовки в газетах, связанные с концом света на планете из-за очередного столкновения со сверхмассивной черной дырой, не проблема. Гораздо хуже то, что малограмотная часть населения все воспринимает это всерьез и поднимает настоящую панику. Чтобы внести толику ясности, мы отправимся в путешествие к истокам открытия черных дыр и попытаемся понять, что же это такое и как к этому относиться.
Невидимые звезды
Так уж сложилось, что современные физики описывают устройство нашей Вселенной с помощью теории относительности, которую человечеству в начале 20 века заботливо предоставил Эйнштейн. Тем более загадочными становятся черные дыры, на горизонте событий которых прекращают действовать все известные нам законы физики и эйнштейновская теория в том числе. Это ли не прекрасно? К тому же, догадку о существовании черных дыр высказали задолго до рождения самого Эйнштейна.
В 1783 году в Англии наблюдался значительный рост научной активности. В те времена наука шла бок о бок с религией, они неплохо уживались вместе, а ученых уже не считали еретиками. Более того, научными изысканиями занимались священники. Одним из таких служителей Бога был английский пастор Джон Мичелл, который задавался не только вопросами бытия, но и вполне научными задачами. Мичелл был весьма титулованным ученым: изначально он был преподавателем математики и древнего языкознания в одном из колледжей, а после этого за ряд открытий был принят в Лондонское королевское общество.
Джон Мичелл занимался вопросами сейсмологии, но на досуге любил поразмыслить о вечном и космосе. Так у него родилась идея о том, что где-то в глубинах Вселенной могут существовать сверхмассивные тела с такой мощной гравитацией, что для преодоления силы тяготения такого тела необходимо двигаться со скоростью равной или выше скорости света. Если принять такую теорию за истину, то развить вторую космическую скорость (скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения покидаемого тела) не сможет даже свет, поэтому такое тело останется невидимым для невооруженного глаза.
Свою новую теорию Мичелл обозвал «темными звездами», а заодно попытался вычислить массу таких объектов. Свои мысли по этому поводу он высказал в открытом письме Лондонскому королевскому обществу. К сожалению, в те времена такие изыскания не представляли особой ценности для науки, поэтому письмо Мичелла отправили в архив. Лишь спустя две сотни лет во второй половине 20 века удалось обнаружить его среди тысяч других записей, бережно хранящихся в древней библиотеке.
Первые научные обоснования существования черных дыр
После выхода Общей теории относительности Эйнштейна в свет, математики и физики всерьез взялись за решение представленных немецким ученым уравнений, которые должны были рассказать нам много нового об устройстве Вселенной. Тем же решил заняться и немецкий астроном, физик Карл Шварцшильд в 1916 году.
Ученый с помощью своих вычислений пришел к выводу, что существование черных дыр возможно. Также он первым описал то, что впоследствии назвали романтической фразой «горизонт событий» — воображаемую границу пространства-времени у черной дыры, после пересечения которой наступает точка невозврата. Из-за горизонта событий не вырвется ничто, даже свет. Именно за горизонтом событий наступает так называемая «сингулярность», где известные нам законы физики перестают действовать.
Продолжая развивать свою теорию и решая уравнения, Шварцшильд открывал для себя и мира новые тайны черных дыр. Так, он смог исключительно на бумаге вычислить расстояние от центра черной дыры, где сконцентрирована ее масса, до горизонта событий. Данное расстояние Шварцшильд назвал гравитационным радиусом.
Несмотря на то, что математически решения Шварцшильда были исключительно верны и не могли быть опровергнуты, научное сообщество начала 20 века не могло сразу принять столь шокирующее открытие, и существование черных дыр было списано на уровень фантастики, которая то и дело проявлялась в теории относительности. На ближайшие полтора десятка лет исследование космоса на предмет наличия черных дыр было медленным, и занимались им единичные приверженцы теории немецкого физика.
Звезды, рождающие тьму
После того, как уравнения Эйнштейна были разобраны по полочкам, настало время с помощью сделанных выводов разбираться в устройстве Вселенной. В частности, в теории эволюции звезд. Ни для кого не секрет, что в нашем мире ничто не вечно. Даже звезды имеют свой цикл жизни, пусть и более долгий, нежели человек.
Одним из первых ученых, которые всерьез заинтересовались звездной эволюцией, стал молодой астрофизик Субраманьян Чандрасекар – уроженец Индии. В 1930 году он выпустил научную работу, в которой описывалось предполагаемое внутреннее строение звезд, а также циклы их жизни.
• Уже в начале 20 века ученые догадывались о таком явлении, как гравитационное сжатие (гравитационный коллапс). В определенный момент своей жизни звезда начинает сжиматься с огромной скоростью под действием гравитационных сил. Как правило, это происходит в момент смерти звезды, однако при гравитационном коллапсе есть несколько путей дальнейшего существования раскаленного шара.
Научный руководитель Чандрасекара Ральф Фаулер – уважаемый в свое время физик-теоретик – предполагал, что во время гравитационного коллапса любая звезда превращается в более мелкую и горячую – белого карлика. Но вышло так, что ученик «сломал» теорию учителя, которую разделяло большинство физиков начала прошлого века. Согласно работе молодого индуса, кончина звезды зависит от ее изначальной массы. Например, белыми карликами могут становиться только те звезды, чья масса не превышала 1.44 от массы Солнца. Это число было названо пределом Чандрасекара. Если же масса звезды превышала этот предел, то она умирает совсем иначе. При определенных условиях, такая звезда в момент смерти может возродиться в новую, нейтронную звезду – еще одну загадку современной Вселенной. Теория относительности же подсказывает нам еще один вариант – сжатие звезды до сверхмалых величин, и вот здесь начинается самое интересное.
В 1932 году в одном из научных журналов появляется статья, в которой гениальный физик из СССР Лев Ландау предположил, что при коллапсе сверхмассивная звезда сжимается в точку с бесконечно малым радиусом и бесконечной массой. Несмотря на то, что такое событие весьма сложно представить с точки зрения неподготовленного человека, Ландау был недалек от истины. Также физик предположил, что согласно теории относительности, гравитация в такой точке будет столь велика, что начнет искажать пространство-время.
Теория Ландау понравилась астрофизикам, и они продолжили ее развивать. В 1939 году в Америке благодаря усилиям двух физиков – Роберта Оппенгеймера и Хартленда Снейдера – появилась теория, подробно описывающая сверхмассивную звезду на момент коллапса. В результате такого события должна была появиться настоящая черная дыра. Несмотря на убедительность доводов, ученые продолжали отрицать возможность существования подобных тел, как и превращение в них звезд. Даже Эйнштейн отстранился от этой идеи, посчитав, что звезда не способна на такие феноменальные превращения. Другие же физики не скупились в высказываниях, называя возможность таких событий нелепыми.
Впрочем, наука всегда достигает истины, стоит лишь немного подождать. Так и получилось.
Самые яркие объекты во Вселенной
Наш мир – совокупность парадоксов. Иногда в нем уживаются вещи, сосуществование которых не поддается никакой логике. Например, термин «черная дыра» не будет ассоциироваться у нормального человека с выражением «невероятно яркий», однако открытие начала 60-х годов прошлого века позволило ученым считать это утверждение неверным.
С помощью телескопов астрофизикам удалось обнаружить неизвестные до того момента объекты на звездном небе, которые вели себя совсем странно несмотря на то, что выглядели, как обычные звезды. Изучая эти странные светила, американский ученый Мартин Шмидт обратил внимание на их спектрографию, данные которой показывали отличные от сканирования других звезд результаты. Проще говоря, эти звезды не были похожи на другие, привычные нам.
Внезапно Шмидта осенило, и он обратил внимание на смещение спектра в красном диапазоне. Оказалось, что эти объекты намного дальше от нас, чем те звезды, что мы привыкли наблюдать в небе. Например, наблюдаемый Шмидтом объект был расположен в двух с половиной миллиардах световых лет от нашей планеты, но светил так же ярко, как и звезда в каких-нибудь сотне световых лет от нас. Получается, свет от одного такого объекта сопоставим с яркостью целой галактики. Такое открытие стало настоящим прорывом в астрофизике. Ученый назвал эти объекты «quasi-stellar» или просто «квазар».
Мартин Шмидт продолжил изучение новых объектов и выяснил, что столь яркое свечение может быть вызвано только по одной причине – аккреции. Аккреция – это процесс поглощения сверхмассивным телом окружающей материи с помощью гравитации. Ученый пришел к выводу, что в центре квазаров находится огромная черная дыра, которая с невероятной силой втягивает в себя окружающую ее в пространстве материю. В процессе поглощения дырой материи, частицы разгоняются до огромных скоростей и начинают светиться. Своеобразный светящийся купол вокруг черной дыры называется аккреационным диском. Его визуализация была хорошо продемонстрирована в киноленте Кристофера Нолана «Интерстеллар», которая породила множество вопросов «как черная дыра может светиться?».
На сегодняшний день ученые нашли на звездном небе уже тысячи квазаров. Эти странные невероятно яркие объекты называют маяками Вселенной. Они позволяют нам чуть лучше представить устройство космоса и ближе подойти к моменту, с которого все началось.
• Несмотря на то, что астрофизики уже много лет получали косвенные доказательства существования сверхмассивных невидимых объектов во Вселенной, термина «черная дыра» не существовало вплоть до 1967 года. Чтобы избежать сложных названий, американский физик Джон Арчибальд Уиллер предложил назвать такие объекты «черными дырами». Почему бы и нет? В какой-то мере они черные, ведь мы их не можем увидеть. К тому же они все притягивают, в них можно упасть, прямо как в настоящую дыру. Да и выбраться из такого места согласно современным законам физики просто невозможно. Впрочем, Стивен Хокинг утверждает, что при путешествии сквозь черную дыру можно попасть в другую Вселенную, другой мир, а это уже надежда.
Страх бесконечности
Из-за излишней таинственности и романтизации черных дыр, эти объекты стали настоящей страшилкой среди людей. Желтая пресса любит спекулировать на неграмотности населения, выдавая в тираж изумительные истории о том, как на нашу Землю движется огромная черная дыра, которая в считанные часы поглотит Солнечную систему, или же просто излучает волны токсичного газа в сторону нашей планеты.
Особенно популярна тема уничтожения планеты с помощью Большого Адронного Коллайдера, который был построен в Европе в 2006 году на территории Европейского совета по ядерным исследованиям (CERN). Волна паники начиналась как чья-то глупая шутка, однако нарастала как снежный ком. Кто-то пустил слух, что в ускорителе частиц коллайдера может образоваться черная дыра, которая поглотит нашу планету целиком. Конечно же, возмущенный народ начал требовать запретить эксперименты в БАК, испугавшись такого исхода событий. В Европейский суд начали поступать иски с требованием закрыть коллайдер, а ученых, создавших его, наказать по всей строгости закона.
На самом деле физики не отрицают, что при столкновении частиц в Большом Адронном Коллайдере могут возникать объекты, похожие по свойствам на черные дыры, однако их размер находится на уровне размеров элементарных частиц, а существуют такие «дыры» столь недолго, что нам даже не удается зафиксировать их возникновение.
Одним из главных специалистов, которые пытаются развеять волну невежества перед людьми, является Стивен Хокинг – знаменитый физик-теоретик, который, к тому же, считается настоящим «гуру» относительно черных дыр. Хокинг доказал, что черные дыры не всегда поглощают свет, который появляется в аккреационных дисках, и его часть рассеивается в пространство. Такое явление было названо излучением Хокинга, или испарением черной дыры. Также Хокинг установил зависимость между размером черной дыры и скоростью ее «испарения» — чем она меньше, тем меньше существует во времени. А это значит, что всем противникам Большого Адронного Коллайдера не стоит переживать: черные дыры в нем не смогут просуществовать и миллионной доли секунды.
Теория, не доказанная практикой
К сожалению, технологии человечества на данном этапе развития не позволяют нам проверить большинство теорий, разработанных астрофизиками и другими учеными. С одной стороны, существование черных дыр довольно убедительно доказано на бумаге и выведено с помощью формул, в которых все сошлось с каждой переменной. С другой, на практике нам пока не удалось увидеть воочию настоящую черную дыру.
Несмотря на все разногласия, физики предполагают, что в центре каждой из галактик находится сверхмассивная черная дыра, которая собирает своей гравитацией звезды в скопления и заставляет путешествовать по Вселенной большой и дружной компанией. В нашей галактике Млечный путь по разным оценкам насчитывается от 200 до 400 миллиардов звезд. Все эти звезды вращаются вокруг чего-то, что обладает огромной массой, вокруг чего-то, что мы не можем увидеть в телескоп. С большой долей вероятности это черная дыра. Стоит ли ее бояться? – Нет, по-крайней мере не в ближайшие несколько миллиардов лет, но мы можем снять про нее еще один интересный фильм.
Источник