почему у физических предсказаний есть ограничения? / Хабр
Чёрная дыра в представлении художника. Мы довольно хорошо понимаем, что происходит снаружи чёрной дыры, но внутри неё мы сталкиваемся с ограничениями фундаментальной физики, и, вероятно, законов, по которым работает Вселенная
Если делить материю Вселенной на всё меньшие и меньшие составляющие, вы в итоге достигнете предела, дойдя до фундаментальной, неделимой частицы. Все макроскопические объекты можно делить на молекулы, затем атомы, затем электроны (фундаментальные частицы) и ядра, затем протоны и нейтроны, и затем, внутри них, найти кварки и глюоны. Электроны, кварки и глюоны — примеры фундаментальных частиц, которые нельзя делить далее. Но каким образом получается, что даже у самого пространства и времени существуют подобные ограничения? Наш читатель спрашивает:
Почему существуют длины (планковские размеры), которые нельзя делить далее?
Чтобы понять, откуда взялись планковские длины, нужно разобраться с двумя законами, управляющими нашей реальностью: общей теорией относительности и квантовой физикой.
Ткань пространства-времени, с возмущениями и деформацией, вызванными массой. Гравитационная константа G и скорость света с фундаментальны для ОТО
ОТО связывает присутствующие во Вселенной материю и энергию с кривизной и деформацией ткани пространства-времени. Квантовая физика описывает, как различные частицы и поля взаимодействуют друг с другом в рамках ткани пространства-времени на очень малых масштабах. В ОТО играют роль две фундаментальные физические константы: G, гравитационная постоянная Вселенной, и с, скорость света. G определяет величину деформации пространства-времени из-за материи и энергии. с появляется из-за того, что гравитационные взаимодействия распространяются в пространстве-времени со скоростью света.
Все безмассовые частицы перемещаются со скоростью света, например, фотон и глюон, переносящие электромагнитное и сильное взаимодействия, а также гравитационные волны, переносящие гравитационное взаимодействие.
В квантовой механике также появляются две фундаментальные константы: с и h, последняя из которых — постоянная Планка.
с — ограничение скорости всех частиц, скорость, с которой должны перемещаться все безмассовые частицы, и максимальная скорость, с которой могут распространяться все взаимодействия. Постоянная Планка h была чрезвычайно важна для описания квантования взаимодействий между частицами и количества вероятных исходов. Электрон на орбите вокруг протона может переходить на разные энергетические уровни, но они появляются дискретно, через определённые шаги, размер которых определяет h.
Энергетические уровни и волновая функция электрона, соответствующие различным состояниям атома водорода. Уровни энергии квантуются по формуле, зависящей от постоянной Планка.
Вместе эти константы, G, c и h, можно использовать в различных комбинациях для построения определённой длины, массы и периода времени. Эти значения называются, соответственно, планковской длиной, планковской массой и планковским временем (также можно сконструировать и другие единицы — планковскую энергию, планковскую температуру, и т.
п.). В общем случае, это такие длина, масса и промежуток времени, при которых — в отсутствие иных данных — начинают играть роль квантовые эффекты. Тому есть довольно убедительные свидетельства, и их нетрудно понять.
Наблюдения в рентгеновском диапазоне накладывают ограничения на зернистость пространства, но пока им ещё далеко до планковских масштабов
Представьте, что у вас есть частица определённой массы. Можно задать вопрос: «если эта частица обладает такой массой, до какого объёма её нужно сжать, чтобы она превратилась в чёрную дыру?» Также можно спросить: «если бы у меня была чёрная дыра такого размера, какое время потребовалось бы частице, движущейся со скоростью света, на преодоление такого расстояния?» Именно таким значениям и соответствуют планковские масса, длина и время. Чёрная дыра планковской массы имеет размер, равный планковской длине, и преодоление этого расстояния у света отняло бы планковское время.
Хотя в чёрных дырах могут проявляться эффекты квантовой гравитации, для наблюдения такого эффекта потребовалась бы очень-очень маленькая ЧД
Но планковская масса серьёзно превышает массу любой из когда-либо созданных частиц: она в 1019 раз больше протона! Планковская длина в 1014 раз меньше любого расстояния, с которым мы когда-либо имели дело, а планковское время в 1025 раз меньше любых прямых измерений.
При достаточно сильном искривлении пространства-времени квантовые эффекты также увеличиваются
Это значит, что при таких высоких энергиях — или, что то же самое, на временных масштабах меньших планковского времени, или на пространственных масштабах, меньших планковской длины — наши законы физики перестают работать. Начинают возникать квантовые гравитационные эффекты, и предсказания ОТО становятся недостоверными. Кривизна пространства становится слишком большой, что означает, что фон, который мы используем для подсчёта квантовых величин, тоже перестаёт быть надёжным. Соотношение неопределённости энергии и времени означает, что неопределённости становятся больше величин, которые мы знаем, как считать. То есть, известная нам физика не работает.
Появление бозона Хиггса в компактном мюонном соленоиде, детекторе частиц на Большом адронном коллайдере. Это впечатляющее столкновение на 15 порядков не дотягивает до планковской энергии
Для нашей Вселенной это не проблема. Эти масштабы энергий в 1015 раз превышают доступный для БАК уровень, и в 100 000 000 превышают самые высокоэнергетические частицы, создаваемые Вселенной (космические лучи наивысших энергий), и даже в 10 000 раз превышают энергию, бывшую у Вселенной сразу после Большого взрыва. Но если бы мы захотели прозондировать эти ограничения, то единственное место, где они играли бы важную роль, было бы в центре чёрных дыр.
Чёрная дыра известна способностью поглощать материю и горизонтом событий, из-за которого ничто не может убежать — но самая интересная и неизвестная физика происходит в центральной сингулярности
В этих местах массы, превышающие планковскую, сжимаются до размеров, теоретически меньших планковской длины.
По прошествии 1067-10100 лет все чёрные дыры Вселенной полностью испарятся благодаря излучению Хокинга, и время зависит только от массы ЧД.
Чёрные дыры со временем медленно уменьшаются. Комбинация квантовой теории поля и искривлённого пространства ОТО приводит к тому, что в космос испускается небольшое количество излучения за пределами горизонта событий, а энергия этого излучения извлекается из массы чёрной дыры. Со временем её масса уменьшается, горизонт событий сжимается, и после 10 67 лет ЧД солнечной массы полностью испарится. Если у нас получится собрать всё испускаемую ею излучение, включая и последние моменты её существования, мы, конечно же, сможем сопоставить данные и понять, были ли там какие-нибудь квантовые эффекты, которые не могут предсказать наши текущие теории.
Как излучение Хокинга покидает чёрную дыру (количественная иллюстрация)
Совершенно необязательно существование запрета деления пространства на единицы, меньшие планковской длины, или запрета деления времени на единицы меньше планковского времени. Нам лишь известно, что наше описание Вселенной, наши законы физики, не работают на этих масштабах. На самом ли деле пространство квантуется? Непрерывен ли поток времени? Что нам делать с тем фактом, что масса всех известных нам фундаментальных частиц гораздо меньше, чем планковская масса? Эти вопросы в физике пока не решены. Планковская шкала — это не столько фундаментальное ограничение Вселенной, сколько ограничение нашего сегодняшнего понимания Вселенной. Именно поэтому мы и занимаемся исследованиями! Возможно, с увеличением наших знаний о Вселенной, когда-нибудь появятся ответы на вопросы о существовании фундаментальных ограничений пространства и времени.
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Чем планковские звезды отличаются от черных дыр?
Независимо от количества доказательств в пользу существования черных дыр, они остаются в пределах теоретической физики. Из-за своих свойств — структуры, отсутствия излучаемого света, места нахождения и принципа работы — черные дыры остаются в тени. Но далеко не все ученые, в том числе и Стивен Хокинг, считают, что традиционные черные дыры обязательно должны остаться в рамках современной физики (впрочем, иметь идеальные математические решения они могут) — некоторые идут дальше и заявляют, что нам стоит заменить их одной из множества альтернатив.
Некоторые альтернативы включают гравастары, гибридные червоточины и кварковые звезды. В прошлом году два астрофизика — Карло Ровелли (Университет Тулон, Франция) и Франческа Видотто (Университет Рэдбаунд в Нидерландах) — представили еще одну: теоретический объект под названием планковская звезда (звезда Планка). Она не заменяет стандартизованную модель черных дыр как таковую, она ее переосмысливает.
Черная дыра обыкновенно имеет две основные составляющие: горизонт событий и саму сингулярность. Горизонт событий довольно прост: это точка, преодолевая которую, ничто не может покинуть черную дыру. Сингулярность (сердце черной дыры), с другой стороны, понять намного сложнее.
Кривизна пространства-времени в этой бесконечно плотной точке становится бесконечной. В результате мы не можем логически осмыслить, что происходит внутри сингулярности. Даже хуже: то, к чему мы приходим, нарушает сразу несколько универсальных правил или законов.
Самая большая проблема связана с манерой обработки информации черной дырой — информации, которая описывает квантовые свойства всего, что поглотила черная дыра. Физики говорят, что информация не может — не должна — быть уничтожена, но кажется, что именно это происходит, когда ее засасывает неизбежная сингулярность. Эта загадка, которая называется информационным парадоксом черной дыры, чрезвычайно важна, но к ней мы еще вернемся.
Что такое планковская звезда?
Звезда Планка полагается на так называемую гипотезу «большого отскока»; согласно этой теории, вселенная приспособилась к бесконечному циклу смерти и возрождения.
Другими словами, Большой Взрыв необязательно был началом всего — только этой версии вселенной. До нашей существовала другая вселенная: после чрезмерного расширения она сжалась, коллапсировала и начала снова (что-то вроде реинкарнации, только в космических масштабах).
Считается, что этому отскоку предшествует сжатие, такая противоположность Большому Взрыву, когда расширение вселенной останавливается в определенный момент — в частности, когда средняя плотность пространства-времени становится критичной. После начала коллапса, вся существующая материя должна стянуться в сверхплотное состояние (возможно, что-то похожее на сингулярность черной дыры).
Отскок начнется, как только материя сожмется до планковских масштабов; по крайней мере так говорит теория. Ученые считают, что если мы пересмотрим последствия возможного большого сжатия, мы в теории можем пересмотреть и поведение черных дыр.
Что, если вместо ядра сверхновой, коллапсирующего до бесконечно плотной точки (сингулярности) — согласно нашему предположению о том, так образуются черные дыры звездной массы, — этот коллапс приостанавливается «квантовым давлением», которое похоже на то, что «мешает электрону упасть на ядро атома».
Эта идея сама по себе не так уж и абсурдна. В конце концов, особое давление — вырождение нейтронов — может остановить коллапс звезды на определенном пороге массы (оставив позади нейтронные звезды или пульсары), в то время как вырождение электронов выполняет ту же задачу для звезд весом с наше Солнце.
В дополнение к этому, квантовый эффект, предотвращающий коллапс материи до бесконечной плотности, как считают ученые, в больших масштабах будет означать, что отскок «не происходит, когда вселенная достигает планковских размеров, как ожидалось ранее; он происходит, когда энергетическая плотность материи достигает планковской плотности. Вселенная «отскакивает», когда энергетическая плотность материи достигает планковских масштабов, наименьших возможных размеров в физике».
«Другими словами, квантовая гравитация может стать актуальной, когда объем Вселенной будет на 75 порядков больше объема Планка», — пишут авторы работы, опубликованной в блоке arXiv.
В поисках звезды Планка
Конечно, если один из таких «объектов» существует, он будет невообразимо мал (даже по сравнению с атомом), с диаметром 10^-10 сантиметров.
-35 метров).
Что касается того, как планковская звезда будет выглядеть для наблюдателя, и это правда интересно, особенно будет проявляться фактор замедления времени. Время, по мере своего движения, идет не одинаково для всех и каждого. Оно течет по-разному на поверхности Земли и на низкой околоземной орбите, хотя эффект незначителен. Скорость, с которой тикает время, должна сильно меняться вокруг массивных звезд и планет, а также возле черных дыр.
Прежде чем свет преодолевает горизонт событий, он начинает ощущать замедление времени. Мы не можем быть уверены в этом — мы ведь даже не знаем, что происходит внутри черных дыр — но некоторые из лучших умов мира предполагают, что там время почти полностью останавливается. Но снаружи этого не заметить.
Если это сложно понять, и если вы видели фильм «Интерстеллар», вспомните эпизод с водным миром. (Осторожно, спойлеры). Из-за близости к Гаргантюа — черной дыре, червоточине, через которую прошла команда — час для людей на поверхности планеты равнялся десяткам лет в других местах.
Из-за этого, и несмотря на то, что первый человек высадился на эту планету за десять лет до этого, вполне возможно, что женщина-астронавт пробыла там всего пару часов, пока не прибыла вторая группа. Ее маяк был активен, но передачи поступать перестали.
Даже так: любая планковская звезда может жить лишь мгновение перед «отскоком»: примерный «отрезок времени, который нужен свету, чтобы ее преодолеть». Но для внешнего наблюдателя она будет жить миллионы или даже миллиарды лет… продолжая существовать наряду с самой черной дырой.
Проблемой меньше
К этому моменту вы начинаете понимать, что именно видят физики в этой сугубо теоретической модели. В конечном счете она возвращается обратно к парадоксу черных дыр и информации. По мнению ученых, если мы заменяем сингулярность планковской звездой, этот парадокс перестает быть проблемой.
Они утверждают, что через время X черные дыры, которые медленно теряют массу в течение своей жизни вследствие постепенного выброса излучения Хокинга, в конечном счете сталкиваются с расширением планковских звезд в своих ядрах: в какой-то момент вся информация, которую она хранит, будет освобождена.
Что еще? Ученые говорят, что звезды Планка могут «производить детектируемый сигнал, квантово-гравитационного происхождения, с длиной волны порядка 10-14 см». Другими словами, может быть способ найти одну такую или хотя бы сузить диапазон поиска, просматривая определенные гамма-лучевые сигнатуры. Возможно, мы уже обнаружили такую сигнатуру, просто не знаем об этом.
Ядро черной дыры может быть странной «звездой Планка»
Существует множество интересных теорий о черных дырах и о том, что происходит внутри них. Представление о том, что как только материя попадает на горизонт событий вокруг сингулярности, ничто, даже сами фотоны, не могут убежать, — это одна из идей.
Традиционно мы думали, что внутри черных дыр вся материя, потребляемая черной дырой, сжимается в крошечную, бесконечно плотную точку — сингулярность. Поскольку кривизна пространства-времени в этой бесконечно плотной точке также становится бесконечной, мы не можем знать, что происходит внутри сингулярности.
Некоторые способы объяснения происходящего даже кажутся противоречащими некоторым универсальным законам.
На самом деле, когда мы пытаемся смоделировать сингулярность, математика имеет тенденцию ломаться, что может привести к некоторым диким результатам. Однако, хотя может показаться, что черные дыры не должны существовать (я имею в виду, что материя может коллапсировать в бесконечно маленькую точку нелогично), они математически совместимы с некоторыми теоретическими моделями Вселенной.
Многие физики на протяжении многих лет выдвигали различные теории, опровергающие идею о непротиворечивости математики или о том, что сингулярность вообще может существовать. Одна из таких теорий заменяет сингулярность чем-то сверхъестественным, известным как звезда Планка (или иногда называемая темной звездой).
Что такое Планковская длина?
Чтобы понять планковскую звезду, мы должны сначала понять то, что называется планковской длиной. Проще говоря, планковская длина — это наименьшая возможная единица измерения.
Насколько он мал? Ну, это приблизительно равно 1,6 x 10 -35 м, другими словами, примерно в 10 -20 раз больше размера протона (или примерно в триллион раз меньше, чем протон — одна из самых маленьких существующих частиц). ). Так что он очень, очень маленький.
Так как эти цифры трудно уложить в голове, давайте сравним их с чем-то, что мы можем увидеть своими глазами, например, с одной прядью волос. Эта прядь волос больше сопоставима по размеру с наблюдаемой Вселенной, чем с одной планковской длиной.
Сравнение известных вещей и шкалы Планка. Источник: UNSW School of Physics Исследователь Джо Вулф из Университета Нового Южного Уэльса далее объясняет: «Чтобы дать вам представление, давайте сравним его с размером атома, который уже примерно в 100 000 раз меньше, чем все, что вы можете видеть невооруженным глазом [размер атома составляет около 0,0000000001 метра]. Предположим, что вы измерили диаметр атома в планковских длинах и отсчитали одну планковскую длину в секунду.
Чтобы просто попытаться измерить атомный диаметр в планковских длинах, вам потребуется в 10 000 000 раз больше нынешнего возраста Вселенной».
Что такое планковская звезда?
В одной из теорий планковская звезда рассматривается как компактная экзотическая звезда, которая существует в пределах горизонта событий черной дыры и образуется, когда плотность энергии коллапсирующей звезды достигает планковской плотности. Планковская плотность — это планковская масса (считается самой маленькой из возможных черных дыр), деленная на планковский объем (это куб длины Планка, 4,22 x 10 -105 кубических метров), или примерно 5,1 x 10 96 г/г. см 3 .
Самые популярные
В планковской звезде материя сжата до наименьшего возможного масштаба — планковской длины. Если бы черная дыра содержала в своем ядре планковскую звезду, материя не была бы бесконечно сжата, а фактически имела бы бесконечно малый объем, что устраняло бы хитрую сингулярность.
Поскольку звезда Планка не является сингулярностью, черная дыра, содержащая звезду Планка, не будет иметь горизонта событий, поскольку гравитационное притяжение не превысит скорости света. Однако для сторонних наблюдателей гравитационное притяжение все равно будет настолько сильным, что оно будет выглядеть и действовать как горизонт событий. Итак, как мы можем определить, находится ли звезда Планка в центре черной дыры?
Информационный парадокс черной дыры
Известный физик Стивен Хокинг нашел решение этой головоломки. Он предположил, что тепловое излучение спонтанно выходит из черных дыр, предполагая существование чего-то, называемого излучением Хокинга.
Хокинг предположил, что пары субатомных частиц с отрицательной и положительной энергией возникнут естественным образом вблизи горизонта событий и что положительная частица покинет окрестности черной дыры, тем самым испустив квант излучения Хокинга. В то же время частицы с отрицательной энергией исчезают в черной дыре, уменьшая ее массу до тех пор, пока она полностью не исчезнет в последней вспышке излучения.
Проще говоря, излучение Хокинга — это то, как черные дыры постепенно и медленно испаряются, повторно излучая потерянные частицы в конце своего долгого-долгого срока службы (по прогнозам, около 14 миллиардов лет).
Оказывается, Хокинг, возможно, был прав. В статьях, опубликованных в прошлом году, физики показали, что они близки к пониманию информационного парадокса черной дыры, который связан с этой предполагаемой потерей информации и в конечном итоге возвращается к нашей звезде Планка. Мы доберемся туда…
Источник: НАСА/CXC/M.Weiss Теория Хокинга приводит к выводу, что черная дыра полностью испарится за некоторое конечное время в далеком будущем. В этом случае он будет излучать только конечное количество информации, закодированной в этом излучении Хокинга. Если мы предположим, что в то время уже было излучено более половины информации, то любая испускаемая исходящая частица должна быть запутана со всем излучением Хокинга, которое ранее испускала черная дыра. Это создает парадокс, потому что принцип, называемый «моногамия запутанности», требует, чтобы уходящая частица не могла быть полностью запутана с двумя независимыми системами одновременно.
Теперь исследователи считают, что они, наконец, взломали код и доказали, что если вы нырнете в черную дыру, то, конечно, вас спагеттилизируют и полностью разорвут на части, но атомы, которые когда-то создали вас, и информация содержащиеся в этих атомах, в конечном итоге вернутся в космос. Это положит конец нарушениям так называемой теории унитарности, согласно которой квантовая физика говорит нам, что информация из настоящего и прошлого Вселенной должна сохраняться во все времена.
Согласно журналу Quantum, «физики думали, что разрешили этот парадокс в 2004 году с помощью понятия комплементарности черных дыр. Согласно этому предложению, информация, которая пересекает горизонт событий черной дыры, одновременно отражается наружу и проходит внутрь, никогда … Поскольку ни один наблюдатель никогда не может быть одновременно внутри и вне горизонта черной дыры, никто не может наблюдать обе ситуации одновременно, и не возникает никакого противоречия».
Это подводит нас к.
..
Парадокс брандмауэра:
В 2012 году парадокс брандмауэра был переосмыслен. Брандмауэр — это гипотетическое явление, при котором наблюдатель, падающий в черную дыру, сталкивается с высокоэнергетическими квантами на горизонте событий.
Ни один физик не смог объяснить, что именно происходит, когда черная дыра поглощает субатомные частицы, или как информация может вытекать из черной дыры в виде квантов. Традиционное понимание физики всегда говорило, что вся материя, поглощаемая черной дырой, будет немедленно потеряна для сторонних наблюдателей, как только она будет втянута в горизонт событий и сингулярность. Однако астроном по имени Джозеф Полчинкски и несколько его коллег предположили, что запутанность между падающей и улетающей частицами каким-то образом сразу прерывается. Это высвободит большое количество энергии, создав «брандмауэр черной дыры» на горизонте событий черной дыры и помешав нам наблюдать информацию.
Другие физики предположили, что исходящие и падающие частицы каким-то образом связаны червоточинами.
Другая идея, выдвинутая сторонниками теории струн, переосмысливает черные дыры как «пушистые клубки» без сингулярности и без горизонта событий. Скорее, вся область внутри того, что предполагалось как горизонт событий, представляет собой клубок запутанных струн — тех фундаментальных единиц энергии, которые, согласно теории струн, вибрируют различными сложными способами, порождая пространство-время и все силы и частицы в нем. Вместо горизонта событий пушистый комок имеет «нечеткую» поверхность, больше похожую на поверхность звезды или планеты.
Самир Матур, струнный теоретик из Университета штата Огайо, считает, что пушистые комки являются истинным квантовым описанием черной дыры, и стал активным сторонником своей собственной «гипотезы пушистых комков», расширяющей эту концепцию.
Эти так называемые пушистые комки могли бы разрешить разрыв между классической и квантовой механикой, по крайней мере, в том, что касается нашего взгляда на черные дыры. Однако у этой теории есть свой уникальный набор проблем, а именно, нам придется переосмыслить структуру самих черных дыр, заменив горизонт событий и сингулярность чем-то совершенно новым.
Независимо от того, является ли традиционная точка зрения на черные дыры правильной или неправильной, или что-то среднее, предстоит еще много работы, чтобы примирить их существование с современной физикой. Звезда Планка может стать началом нового понимания или нет… только время покажет.
Вы все еще в замешательстве? Краткий обзор
Источник: draganab/iStockВам может быть интересно, как звезды Планка вписываются в парадоксы, которые мы здесь рассмотрели. Давайте соединим все воедино и поможем упростить определение звезд Планка.
Звезды Планка — это теоретические объекты, в которых разрушается массивная звезда, и то, что обычно становится сингулярностью — где плотность пространства-времени бесконечна, а это означает, что ничто не может ускользнуть — вместо этого становится звездой Планка, коллапс которой останавливается формой отталкивание, создаваемое плотностью энергии, возникающей из принципа неопределенности Гейзенберга, до того, как объект достигнет бесконечно плотной точки.
В результате получается объект, немногим превышающий планковскую длину, которая является наименьшей единицей измерения.
Поскольку это заменяет неизбежную сингулярность чем-то чрезвычайно маленьким, но не бесконечно плотным (больше планковского масштаба, но не на много величин), это позволит разрешить множество парадоксов относительно того, как работают материя и энергия. в черных дырах и вокруг них, хотя и не без создания новых вопросов на этом пути.
Самый большой сдвиг заключается в том, что существование планковской звезды в центре черной дыры полностью устранило бы информационный парадокс, поскольку в звезде Планка достаточно объема и плотности, чтобы гарантировать, что информация о материи и квантовых состояниях материя, поглощенная черной дырой, не разрушается, что также устраняет противоречие между теорией черной дыры и общей теорией относительности. Если вы не понимаете, что подразумевается под информацией, попробуйте сформулировать ее следующим образом: где вы сейчас находитесь, находитесь ли вы в движении, в каком (квантовом) состоянии вы находитесь и т.
д.? Это вся информация.
Интересно, что считается, что планковская звезда в центре черной дыры будет продолжать расти по мере того, как в нее попадет все больше материи. эта информация будет удалена в мгновение ока.
Звезда Планка также устраняет парадокс брандмауэра, поскольку есть некоторые интересные последствия того, как Вселенная может подпрыгивать и сжиматься, но они станут предметом новой статьи в ближайшие пару дней.
В целом, планковские звезды представляют собой интересные, но сложные идеи о том, как могут работать черные дыры. Я оставлю астрономам решать, являются ли они жизнеспособной заменой теоремы сингулярности или нет.
Для вас
Другие истории
Инновации
Что сделал ИИ дальше
Элис Кук| 27.02.2023
наука
Впервые в мире зафиксирован необъявленный тип потери льда в Арктике
Sade Agard| 14.11.2022
Наука
Как система охлаждения с нулевым потреблением электроэнергии, разработанная исследователем из Массачусетского технологического института, может уменьшить нехватку продовольствия
Сад Агард| 23.
09.2022
Черные дыры могут быть темными звездами с «сердцами Планка»
При покупке по ссылкам на нашем сайте мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
«Черные дыры» с планковскими сердцами не имели бы настоящего горизонта событий (как показано на этом изображении). (Изображение предоставлено Александром Моррисовичем/Shutterstock) Черные дыры, эти гравитационные монстры, названные так потому, что ни один свет не может вырваться из их лап, являются, безусловно, самыми загадочными объектами во Вселенной. Но новая теория предполагает, что черные дыры могут быть вовсе не черными. Согласно новому исследованию, эти черные дыры могут быть темными звездами, в основе которых лежит экзотическая физика. Эта загадочная новая физика может заставить эти темные звезды излучать странный тип излучения; это излучение, в свою очередь, могло бы объяснить всю таинственную темную материю во Вселенной, которая притягивает все, но не излучает света.
Связанный: 11 самых больших оставшихся без ответа вопросов о темной материи
Темные звезды
Благодаря эйнштейновской общей теории относительности , которая описывает, как материя искривляет пространство-время, мы знаем, что некоторые массивные звезды могут коллапсировать сами в себя до такой степени, что они просто продолжают коллапсировать, сжиматься. в бесконечно маленькую точку — сингулярность.
После формирования сингулярность окружает себя горизонтом событий. Это единственная улица с односторонним движением во Вселенной. На горизонте событий гравитационное притяжение черной дыры настолько велико, что, чтобы покинуть ее, вам придется двигаться быстрее света. Поскольку путешествовать со скоростью, превышающей скорость света, категорически запрещено, все, что переступает порог, обречено навсегда.
Значит, черная дыра.
Эти простые, но удивительные утверждения подтверждаются десятилетиями наблюдений.
Астрономы наблюдали, как атмосфера звезды засасывается черной дырой. Они видели, как звезды вращаются вокруг черных дыр. Физики на Земле слышали гравитационные волны, излучаемые при столкновении черных дыр. Мы даже сфотографировали «тень» черной дыры — дыру, которую она вырезает из свечения окружающего газа.
Похожие: 12 самых странных объектов во вселенной
И все же тайны остаются в самом сердце науки о черных дырах. Само свойство, определяющее черную дыру — сингулярность — кажется физически невозможным, потому что материя не может на самом деле коллапсировать в бесконечно маленькую точку.
Двигатели Планка
Это означает, что нынешнее понимание черных дыр в конечном итоге необходимо будет обновить или заменить чем-то другим, что может объяснить, что находится в центре черной дыры.
Но это не мешает физикам пытаться. 9минус 35 метров.
Это… мало.
С планковским ядром, которое не было бы сингулярностью, у черной дыры больше не было бы горизонта событий — не было бы места, где гравитационное притяжение превышает скорость света.
Но для сторонних наблюдателей гравитационное притяжение было бы настолько сильным, что оно выглядело бы и действовало как горизонт событий. Только чрезвычайно чувствительные наблюдения, для которых у нас еще нет технологии, смогут заметить разницу.
Темная материя
Радикальные проблемы требуют радикальных решений, поэтому замена «сингулярности» на «планковское ядро» не так уж и надумана, даже несмотря на то, что теория представляет собой не более чем слабый набросок, без физики или
Это полезно, потому что сингулярности требуют серьезного нестандартного мышления. И могут быть некоторые бонусные побочные эффекты. Как, например, объяснение тайны темной материи.
Темная материя составляет 85% массы Вселенной, но она никогда не взаимодействует со светом. Мы можем определить его существование только по его гравитационному воздействию на нормальную светящуюся материю.
Например, мы можем наблюдать, как звезды вращаются вокруг центров галактик, и использовать их орбитальные скорости для расчета общей массы этих галактик.
В новой статье, представленной 15 февраля в базе данных препринтов arXiv , физик Игорь Никитин из Фраунгоферовского института научных алгоритмов и вычислений в Германии берет идею «радикальной сингулярности» и поднимает ее на ступеньку выше. Согласно статье, планковские ядра могут испускать частицы (из-за отсутствия горизонта событий эти черные дыры не являются полностью черными). Эти частицы могут быть знакомыми или чем-то новым.
Возможно, это какая-то форма частиц, которая могла бы объяснить темную материю. Если черные дыры действительно являются планковскими звездами, писал Никитин, и они постоянно испускают поток темной материи, они могут объяснить движение звезд внутри галактик.
его идея, вероятно, не выдержит дальнейшего изучения (доказательств существования темной материи гораздо больше, чем просто ее влияние на движение звезд).