Черные дыры. Наверняка, многие из вас слышали этот термин и не раз. Когда я проводил лекции в планетарии, в конце я оставлял время для того, чтобы ответить на вопросы. И почти каждый раз кто-то из слушателей обязательно задавал вопрос о черных дырах. Не удивительно, что эти объекты вызывают столь бурный интерес, ведь они до сих пор мало изучены и таят в себе множество загадок. Хотя правильнее было бы назвать их проблемами, поскольку в рамках современной физики они не находят своего решения. В чем же заключаются эти проблемы?
1. Информационный парадокс
Самое первое, что бросается в глаза и приходит на ум, когда мы говорим о черных дырах - они поглощают все и не отпускают ничего. Ну. по-крайней мере, такое представление о них бытует у большинства. Отсюда вытекает первый парадокс. По классической теории черные дыры поглощают информацию о поглощаемых объектах, что приводит к информационному парадоксу. Он заключается в том, что мы не знаем, что происходит с информацией, когда она попадает в черную дыру? По теории квантовой механики информация не должна уничтожаться, но согласно теории классической гравитации она кажется утраченной.
По теории Стивена Хокинга, черные дыры испускают излучение, которое в итоге приводит к их исчезновению. Однако, возникает проблема сохранения информации: что происходит с информацией, поглощенной черной дырой?
Существуют два возможных варианта решения этого парадокса:
1. Полное уничтожение информации: Согласно этому варианту, информация, поглощенная черной дырой, полностью уничтожается в процессе ее испарения. Это предполагает, что существуют новые физические законы, которые пока неизвестны.
2. Сохранение информации в излучении Хокинга: Второй вариант предполагает, что излучение, испускаемое черной дырой, содержит информацию о поглощенных объектах. Это означает, что излучение Хокинга может иметь более сложную структуру, чем изначально предполагалось в теории Хокинга, и содержать информацию о составе и свойствах поглощенных объектов.
Оба этих варианта вызывают интерес и стимулируют исследования в области квантовой гравитации и фундаментальной физики, поскольку они представляют собой ключевые аспекты понимания природы черных дыр и космологии в целом.
2. Гравитационная сингулярность
В окрестности черной дыры гравитационные силы настолько сильны, что противоречат классическим представлениям о пространстве и времени. Классическая гравитация, описываемая общей теорией относительности Эйнштейна, представляет пространство-время как гладкое и непрерывное, где гравитационные поля формируются за счёт искривления пространства-времени массой объектов.
Однако, когда мы приходим к черной дыре, масса сосредотачивается в крайне малом объеме, образуя сингулярность. В этой точке гравитационное поле становится бесконечно сильным, и классическая теория перестаёт быть применимой. В этом месте возникает потребность в квантовой теории гравитации, которая объединила бы общую теорию относительности с принципами квантовой механики.
На границе черной дыры, называемой горизонтом событий, квантовые эффекты становятся критически важными. Вопрос о том, каким образом квантовые частицы взаимодействуют с гравитационным полем на границе черной дыры, остаётся нерешённым. Это приводит к необходимости развития теории квантовой гравитации, которая могла бы описать поведение материи и поля в таких экстремальных условиях.
Таким образом, гравитационная парадоксальность черных дыр подчеркивает необходимость развития новых теорий, способных описать и понять физические явления в самых экстремальных условиях в космосе.
3. Горизонт Событий
Мы не знаем точно, что происходит внутри горизонта событий черной дыры. Классическая физика не применима внутри черной дыры, и теории квантовой гравитации предлагают различные представления о том, что происходит внутри.
Горизонт событий - граница области пространства-времени, в которой сигналы, распространяющиеся со скоростью света, полностью удерживаются тяготением и не могут уйти на бесконечность во внешнее пространство.
Горизонт событий является границей чёрной дыры.
Если чёрная дыра не вращается, то горизонт событий совпадает со сферой Шварцшильда — сферой с радиусом, равным гравитационному радиусу объекта.
Когда мы говорим о внутренней структуре черных дыр, мы имеем в виду, что происходит внутри горизонта событий - той области пространства, из которой ни что не может вернуться. С точки зрения общей теории относительности, гравитация внутри черной дыры становится настолько сильной, что она формирует сингулярность, точку с бесконечной плотностью и кривизной, где обычные физические законы больше не применимы.
Однако, классическая физика не дает нам полного ответа о том, что происходит внутри черной дыры. Поэтому возникает потребность в развитии теории, которая объединяла бы гравитацию с квантовой механикой - теории квантовой гравитации. Эта теория должна была бы описывать поведение материи и поля в крайне экстремальных условиях, таких как те, что присутствуют внутри черных дыр.
Исследование внутренней структуры черных дыр имеет важное значение для понимания основ физики и природы космоса в целом. Оно может помочь раскрыть тайны гравитации, квантовой механики и структуры пространства-времени, а также привести к новым открытиям и пониманию фундаментальных законов природы.
Спасибо за прочтение!
Если вам понравилась статья рекомендую ознакомиться:
