Ученые предлагают переосмыслить происхождение Вселенной, пишет unc.edu.
Черные дыры уже давно захватили воображение публики и стали предметом массовой культуры. Они являются последним неизвестным - самые черные и самые плотные объекты во вселенной, которые не может покинуть даже свет.
И, как будто это не является столь странным для начала, но теперь в эту смесь можно добавить новый ингредиент: они не существуют.
Путем слияния двух, казалось бы, противоречивых теорий, Лаура Мерсини-Хоутон, профессор физики Университета Северной Каролины-Chapel Hill в колледже искусств и наук, доказала математически, что черные дыры никогда не возникали. Работа не только вынуждает исследователей переосмыслить ткань пространства-времени, но и переосмыслить происхождения Вселенной.
«Я до сих пор не могу отойти от шока», сказала Мерсини-Хоутон. «Мы изучали эту проблему в течение более чем 50 лет, и это решение дает нам много пищи для размышления».
В течение многих десятилетий считалось, что черные дыры, образуются, когда массивная звезда коллапсирует под действием собственной гравитации, превращаясь в точку пространства. Это та точка, где гравитационное притяжение черной дыры настолько сильно, что ничто не может избежать ее.
В 1974 году Стивен Хокинг использовал квантовую механику, чтобы показать, что черные дыры излучают. С тех пор ученые обнаружили отпечатки пальцев в космосе.
Но теперь Мерсини-Хоутон описывает совершенно новый сценарий. Она и Хокинг, оба соглашаются, что, когда звезда коллапсирует под действием собственной гравитации, она производит излучения Хокинга. Тем не менее, в своей новой работе, Мерсини-Хоутон показывает, что, выделяя это излучение, звезда также изливает массу. Настолько, что, как ее не сжимать она не может стать черной дырой.
Перед тем как черная дыра может сформироваться, умирающая звезда разбухает в последний раз, а затем взрывается. Сингулярность никогда не образуется и никакой горизонт событий не возникает. Главный вывод из ее работы таков: нет такой вещи, как черная дыра.
Документ, который был недавно представлен на ArXiv, онлайн хранилище работ в области физики, которые не рецензируются, предлагает точные численные решения этой проблемы. Работа была сделана в сотрудничестве с Харальдом Пайффером, экспертом по относительности чисел в Университете Торонто.
Экспериментальные данные могут в один прекрасный день обеспечить физическое доказательство по поводу того, что черные дыры во Вселенной не существуют. Но сейчас, Мерсини-Хоутон говорит, математически это доказано.
Многие физики и астрономы считают, что наша Вселенная возникла из сингулярности, которая начала расширяться с момента Большого взрыва. Однако, если сингулярность не существует, то физики должны переосмыслить свои идеи относительно Большого Взрыва и был ли он. Независимо от работы Мерсини-Хоутон по том, что черные дыры не существуют можно прочитать здесь, у российского автора - Тупиковые гипотезы современной физики. Почему не существует чёрных дыр. Где также приводятся математические доказательства.
Американский ученый высказал предположение, что черных дыр – одного из «краеугольных камней» современной физики – нет и быть не может. Предложенная им теория объясняет феномен темной энергии во Вселенной.
Согласно данным наблюдений движения галактик, проводившимся в последние годы, Вселенная на 70% состоит из так называемой «темной», или невидимой, энергии, благодаря которой она расширяется с непрерывно возрастающей скоростью.
Как сообщает Nature, Джордж Чаплин (George Chapline) из национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе высказал предположение, что коллапс массивных звезд приводит к образованию не черных дыр, как полагает современная астрофизика, а особых звезд, содержащих темную энергию. «Черных дыр почти наверняка не существует», - утверждает он.
До сих пор считалось, что черные дыры являются одним из наиболее убедительных подтверждений правоты общей теории относительности Эйнштейна, согласно положениям которой гравитация - не что иное как свойство пространства-времени, деформируемого массивными телами. Согласно теоретическим положениям, при неудержимом сжатии звезды с массой, превышающей некое пороговое значение, коллапс этот продолжается до тех пор, пока она не «схлопнется» в точку, из «капкана» которой неспособно вырваться даже электромагнитное излучение.
Правда, сам Эйнштейн, указывает Джордж Чаплин, в существование черных дыр не верил. «К сожалению, он не пояснил, почему именно» - говорит г-н Чаплин. Корень проблемы, по всей видимости - в квантовой механике, другой революционной теории ХХ века, в формировании которой Эйнштейн также принял самое непосредственное участие.
С точки зрения общей теории относительности, «универсального времени» во Вселенной не существует. Более того, скорость хода часов, вообще говоря, непостоянна и зависит от того, где они находятся. В то же время квантовая механика, как указывает Джордж Чаплин, имеет смысл только в том случае, если универсальное время все-таки существует - в противном случае ее аппарат просто неприменим.
В особенности вопиющее расхождение двух теорий проявляется при попытке описания физики событий, происходящих у так называемого «горизонта событий» гипотетической черной дыры. Удаленному наблюдателю будет казаться, что время здесь практически остановилось. Но для экипажа звездолета, падающего в "мысленном эксперименте" на черную дыру, время будет идти как обычно. «Общая теория относительности предсказывает, что в горизонте событий ничего не произойдет», - говорит г-н Чаплин.
Тем не менее, еще три десятка лет назад теоретики указали на то, что материя, согласно законам квантовой механики, должна у горизонта событий становиться «гиперчувствительной» к малейшим возмущениям. «Этот результат быстро позабыли, - говорит г-н Чаплин, - поскольку он не согласуется с предсказаниями общей теории относительности. Но на самом деле результат абсолютно верен».
Странное поведение материи, указывает он, является характерным признаком качественного «фазового перехода» пространственно-временного континуума. При этом коллапс массивной звезды приводит не к образованию черной дыры, а к появлению объекта («звезды»), состоящей из темной энергии, вследствие чего возникают интересные и загадочные гравитационные эффекты.
Снаружи такая звезда будет напоминать черную дыру с мощным гравитационным полем. Но вот внутри нее «отрицательная» гравитация темной энергии может привести к тому, что вещество будет «отскакивать» от нее. Если звезда будет достаточно большой, указывает г-н Чаплин в своей статье, «отскочившие» от нее электроны превратятся в собственные античастицы - позитроны - которые при аннигиляции с электронами приведут к образованию характерного гамма-излучения. При этом спектр излучения гипотетического объекта массой 1 млн. масс Солнца в области единиц МэВ хорошо согласуется с распределением 511 КэВ аннигиляционного излучения, приходящего из центральной области Галактики. Этот спектр очень похож также на спектр гамма-вспышек, что позволяет интерпретировать их как результат падения вещества, но не на черные дыры, а на звезды с темной энергией. По мнению Джорджа Чаплина, Вселенная изобилует «примордиальными» звездами с темной энергией, образовавшимися на заре развития Вселенной не вследствие коллапса звезд, а в результате деформации пространства-времени.
Но сегодня мало кто из учёных сомневается в их существовании. Сверхплотные объекты с почти абсолютной массой и гравитацией являются конечным продуктом эволюции гигантских звёзд, они искривляют пространство и время и не позволяют , даже свету.
Тем не менее, Лаура Мерсини-Хоутон (Laura Mersini-Houghton), профессор физики из Северного Калифорнийского университета, доказала математически, что чёрных дыр вообще может не быть в природе. В связи со своими выводами исследовательница не предлагает пересматривать современные представления о пространстве-времени, но считает, что в теориях о происхождении Вселенной учёные что-то упускают.
"Я до сих пор шокирована. На протяжении полувека мы изучаем явление чёрных дыр, и эти гигантские объёмы информации вкупе с нашими новыми выводами дают нам пищу для серьёзного размышления", — признаётся Мерсини-Хоутон в пресс-релизе .
Общепринятая теория гласит, что чёрные дыры образуются, когда массивная звезда коллапсирует под действием собственной гравитации к одной точке пространства. Так рождается сингулярность , бесконечно плотная точка. Её окружает так называемый горизонт событий, условная черта, которую всё то, что когда-либо пересекало, более никогда не возвращалось обратно в открытый космос, настолько сильным оказывалось притяжение чёрной дыры.
Теории о чёрных дырах и происхождении Вселенной теперь под сомнением
Причина необычности таких объектов заключается в том, что природу чёрных дыр описывают противоречащие друг другу физические теории — релятивизм и квантовая механика. Теория гравитации Эйнштейна предсказывает формирование чёрных дыр, но фундаментальный закон квантовой теории гласит, что никакая информация из Вселенной не может исчезнуть навсегда, а чёрные дыры, согласно Эйнштейну, частицы (и информация о них) исчезают для остальной части Вселенной за горизонтом событий навсегда.
Попытки объединить эти теории и прийти к единому описанию чёрных дыр во Вселенной закончились тем, что возник математический феномен — парадокс потери информации .
В 1974 году известнейший космолог Стивен Хокинг (Stephen Hawking) использовал законы квантовой механики, чтобы доказать, что за горизонт событий всё же могут выходить частицы. Этот гипотетический поток "удачливых" фотонов получил название излучении Хокинга . С тех пор астрофизики обнаружили несколько довольно точных свидетельств существования такого излучения.
Исчезновение информации в чёрной дыре парадоксально и невозможно в точки зрения квантовой механики
(иллюстрация NASA/JPL-Caltech).
Но теперь Мерсини-Хоутон описывает совершенно новый сценарий эволюции Вселенной. Она соглашается с Хокингом в том, что звезда коллапсирует под действием собственной гравитации, после чего испускает потоки частиц. Тем не менее, в своей новой работе Мерсини-Хоутон показывает, что, испуская это излучение, звезда также теряет свою массу и делает это с такой скоростью, что при сжатии она не может обрести плотность чёрной дыры.
В своей статье исследовательница утверждает, что сингулярность не может сформироваться и, как следствие, . С документами ( , ), опровергающими существование чёрных дыр, можно ознакомиться на сайте препринтов ArXiv.org.
Поскольку считается, что наша Вселенная сама , то вопрос о верности теории Большого Взрыва также ставится под сомнение в связи с новыми выводами. Мерсини-Хоутон утверждает, что в её расчётах квантовая физика и релятивизм идут рука об руку, как и всегда мечтали учёные, и потому именно её сценарий может оказаться достоверным.
— Видишь черную дыру?
— Нет.
— А ее и нет.
Примерно такой диалог мог бы состояться между каким-нибудь астрономом и профессором физики Лаурой Марсини-Хоутон из Университета Северной Каролины, которая выступила с сенсационным заявлением. Женщина математически доказала , что таких астрофизических объектов, как черные дыры, в природе просто не может существовать.
Загвоздка в том, что доказать обратное на данный момент никому не под силу.
Черные дыры — термин, популяризированный полвека назад американским теоретиком , — сверхмассивные релятивистские объекты, существование которых лежит в основе множества астрофизических теорий, описывающих эволюцию галактик, звезд, квазаров. И хотя сегодня их существование у большинства астрономов не вызывает сомнений, формально эти объекты считаются гипотетическими.
Поскольку эти объекты ни излучают свой, ни отражают чужой свет, определять их наличие можно только косвенными методами. Так, ученых убеждает в их существовании быстрое вращение звезд рядом с центрами галактик и отклонение лучей света (линзирование), которое наблюдается в окрестностях этих сильно гравитирующих объектов.
Астрономам известны черные дыры двух типов — звездных масс и сверхмассивные черные дыры массой в миллиарды масс Солнца.
Ведутся споры о существовании черных дыр промежуточных масс. Считается, что первый тип образуется при коллапсе массивных звезд, когда звезда, раздувшись, сбрасывает внешние слои и коллапсирует внутрь себя под действием собственной гравитации. Происхождение же сверхмассивных черных дыр вызывает у астрономов споры: то ли они формировались одновременно со Вселенной в сгустках темной материи, то ли при коллапсе больших газовых облаков.
То же самое произойдет, если Землю сжать до размеров грецкого ореха: ее плотность возрастет настолько,
что ни одно тело не сможет оторваться от ее поверхности, даже двигаясь со скоростью света.
Основной характеристикой черной дыры является размер ее горизонта событий — воображаемой поверхности, попав за которую ни тело, ни информация уже не могут попасть обратно. Прелесть черных дыр в том, что они противопоставляют друг другу две фундаментальные физические теории — эйнштейновскую теорию гравитации, из которой вытекает возможность их существования, и квантовую теорию, которая постулирует, что никакая информация во Вселенной не может никуда исчезнуть.
В 1974 году известный британский ученый Стивен предсказал, что черные дыры должны испаряться. Квантовая теория гласит, что в физическом вакууме постоянно рождаются пары частица — античастица. При этом рождение таких пар у горизонта событий допускает возможность, что одна частица упадет на черную дыру, а другая — нет. Так, улетевшие частицы могут уносить массу дыр за счет так называемого излучения Хокинга.
Примечательно, что свою теорию Хокинг выдвинул вскоре после того, как в 1973 году встречался в Москве с советскими физиками Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским.
Они убедили Хокинга в том, что вращающаяся черная дыра может испускать электромагнитные волны и частицы.
Марсини-Хоутон математически описала процесс коллапса массивных звезд и пришла к парадоксу. Ее расчеты показали, что при коллапсе звезды возникает излучение Хоккинга, которое заставляет звезду стремительно терять свою массу.
Причем настолько стремительно, что плотность внутренних областей перестает расти и образование черной дыры останавливается.
«Я сама не могу оправиться от шока. Мы изучали эту проблему более 50 лет, и это решение заставляет нас о многом задуматься», — сказала исследовательница.
Что на самом деле остается на месте массивных звезд, могут дать дальнейшие наблюдения. Взрывы массивных звезд уже наблюдались в новейшую историю, так, в 1987 году астрономы наблюдали ярчайшую вспышку сверхновой SN 1987A. Однако ни черной дыры, ни нейтронной звезды на ее месте пока не обнаружено.
Свое мнение на эту тему ранее высказал академик .
«Я жду, что в ближайшее десятилетие будет получена Нобелевская премия за открытие черных дыр. Мы к этому подходим все ближе и ближе. Во-первых, этих черных дыр уже как собак нерезаных. Для звездных черных дыр — 23 штуки (сейчас их уже несколько десятков ), — для них измерены массы, даны ограничения на размеры. А сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик уже многие тысячи», — сказал ученый.
Черные дыры — термин, придуманный в 1967 году американским физиком-теоретиком Джоном Уилером. Так он назвал область в пространстве, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Существование черных дыр лежит в основе множества теорий, описывающих эволюцию галактик и звезд, хотя вопрос об их реальном существовании связан с тем, насколько верна теория гравитации. Несмотря на то, что их существование у большинства ученых не вызывает сомнений, формально эти объекты считаются гипотетическими.
Поскольку черные дыры не излучают свет и не отражают его, выявить их наличие можно только теоретическими методами — например, ученые указывают на быстрое вращение звезд и отклонение лучей света рядом с центрами галактик. Основной характеристикой черной дыры является размер ее горизонта событий — границы, попав за которую, уже ничто не сможет вернуться обратно.
В 1974 году знаменитый ученый Стивен Хокинг высказал гипотезу, согласно которой черные дыры должны исчезать. Мерсини-Хоутон описывает совершенно новый сценарий: ее расчеты показали, что при коллапсе звезды возникает так называемое излучение Хокинга, которое заставляет звезду стремительно терять свою массу под действием собственной гравитации. Причем настолько стремительно, что она не становится черной дырой, а просто взрывается, не образуя никаких горизонтов событий.
«Мы изучали эту проблему более 50 лет, но это решение заставляет нас о многом задуматься», — говорит Мерсини-Хоутон. Многие астрофизики считают, что наша Вселенная возникла из сингулярности, которая начала расширяться с момента Большого взрыва, однако, если черных дыр не существует, то им, очевидно, придется переосмыслить свои идеи.
