Обыватель знает про черные дыры одно: это космический пылесос, оттуда ничего не может вылететь, даже свет. Физика до 1970-х годов думала точно так же. Но потом пришел Стивен Хокинг, соединил квантовую механику с Общей теорией относительности и заявил:

Черные дыры на самом деле светятся и медленно испаряются.

Сегодня мы разберем этот безумный парадокс, заглянем в кипящий квантовый вакуум и поймем, почему черные дыры нарушают законы термодинамики.

ГЛАВА 1. ВАКУУМ - ЭТО НЕ ПУСТОТА

Чтобы понять, как черная дыра может что-то излучать, нам придется спуститься на самый микроскопический уровень реальности. Нам со школы говорили, что вакуум в космосе - это абсолютная пустота, где ничего нет.

Но Квантовая теория поля говорит: нет, вакуум бешено кипит.

Из-за принципа неопределенности Гейзенберга энергия в пространстве не может быть строго равна нулю. Вакуум постоянно флуктуирует. В нем каждую наносекунду из ничего рождаются пары виртуальных частиц и античастиц (например, электрон и позитрон). Они появляются на мгновение, тут же сталкиваются друг с другом (аннигилируют) и исчезают обратно в небытие, возвращая энергию пространству.

Этот процесс происходит триллионами миллиардов раз везде вокруг нас - прямо сейчас в вашей комнате и в глубоком космосе. Вселенная постоянно берет энергию в долг у квантового поля и тут же её возвращает.

ГЛАВА 2. КВАНТОВОЕ ОГРАБЛЕНИЕ НА КРАЮ БЕЗДНЫ

А теперь представьте, что эта кипящая пара виртуальных частиц рождается не в пустом космосе, а строго на горизонте событий черной дыры - на той самой невидимой границе, откуда уже нет возврата.

Происходит следующее:

• Пара частиц разлетается в разные стороны.

• Одна частица успевает пересечь горизонт событий и падает внутрь черной дыры.

• Вторая частица остается снаружи, в нашем обычном мире!

Поскольку первая частица улетела за точку невозврата, они больше не могут встретиться и аннигилировать. Квантовый долг Вселенной оказывается нарушен: частица снаружи из виртуального призрака внезапно превращается в реальную, осязаемую частицу нашего мира и улетает в космос в виде излучения!

Но откуда Вселенная берет энергию, чтобы сделать эту частицу реальной? Она забирает её у самой черной дыры!

Математически получается, что частица, упавшая внутрь черной дыры, обладает отрицательной энергией с точки зрения внешнего наблюдателя. Она падает на дыру и уменьшает её массу. Это и называется Излучением Хокинга. Черная дыра буквально платит своей собственной массой за то, чтобы родить частицу в наш мир.

ГЛАВА 3. СМЕРТЕЛЬНЫЙ ФИНАЛ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ

Самая интересная часть излучения Хокинга заключается в его термодинамике. В нашей обычной жизни чем больше объект, тем больше тепла он излучает. У черных дыр всё работает шиворот-навыворот.

Чем меньше и худее становится черная дыра, тем сильнее она нагревается и тем быстрее начинает испаряться.

• Гигантская черная дыра массой с три Солнца имеет температуру в ничтожные доли Кельвина (она холоднее окружающего космоса) и будет испаряться квадриллионы лет.

• Но если взять микроскопическую черную дыру размером с атом (какие могли рождаться в первые секунды Большого взрыва), её температура будет исчисляться миллиардами градусов.

В самом конце своей жизни, когда масса черной дыры падает до критического минимума, процесс испарения превращается в лавину. В последнюю наносекунду своего существования черная дыра выдает колоссальный ядерный взрыв, полностью исчезая из нашей Вселенной и выбрасывая в космос финальный каскад жесткого рентгеновского излучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Излучение Хокинга - это важнейшая веха в физике, потому что это был первый раз, когда ученым удалось заставить ОТО Эйнштейна (науку о больших объектах) работать вместе с Квантовой механикой (наукой о микромире). Оказывается, даже самые страшные монстры Вселенной, способные пожирать галактики, абсолютно бессильны перед микроскопическим кипением квантового вакуума. Природа всегда находит баланс.

Пост написан мной. Пишите в комментарии, знали ли вы, что черные дыры могут взрываться в конце своей жизни? Всем удачи!

СЦЕНАРИЙ

ДМБ 40.000 - ЭПИЗОД 7

ДИКИЙ ТАНИТЕЦ

К вечеру выяснилось, что огрины в танковые люки всё-таки не пролезают. А чуть позже за нами пришёл полковник-комиссар. Ибрам Гаунт

- Гвардейцы-конскрипты! Надо понимать всю энтропию наших чёрных дыр

- Комиссар, а вы формулу Бекенштейна-Хокинга наизусть помните?

- И постоянную Больцмана тоже…

Трек - Noosphere, OST Mechanicus

- Кругом мутанты

- Скват-женщина

- Без бороды

- Конскрипты, у вас шкурок гретчинов нема?

Всю дорогу Ибрам Гаунт у нас клянчил разное

- Я говорю, камуфляжный плащ не одолжите? Для маскировки треба

- Нема, Ибрам, плаща

- Не дам. У меня только для спецзаданий

- Макароту треба в штабе связь наладить. Ауспекс для прослушки

- Заманал ты меня, Ибрам. Моя фамилия, однополчане - Эйзенхорн. Для вас просто Эйзик. Я продал папин силовой меч.

- Папа еретиков рубил?

- Рубил

- Знаю я там по дороге одно место с офигенными ауспексами. Пошли

Трек - Noosphere, OST Mechanicus

- Что будем кушать, Гвардия?

- Ляжку сквига. В маринаде на грибковом вине. У нас на планете орки сквигов разводили. Однажды я даже к ним в загон упал. Накушался. Меня чудила с нобом спутал

- Какая еретическая история. Филе из термаганта, амасек, и штык побольше

- Сэ вис пацем - пара бэллум

- А мне демонятинки

Трек - Над Нами Баржи Абаддона, Комиссар И Недобитки

Безделие - суть ереси

***

Комикс-версия сценария доступна в PDF-формате по запросу

Сценарий написан исключительно с помощью естественного интеллекта

Император Защищает!

***

Участники поддержки проекта, имена которых появятся в финальных титрах

ПЛАТИНОВЫЙ СПИСОК -

(поддержали донатами)

@Ordo.AbChao, @altefurztaucher, @general121, @sanewave, @user6994988, @Captgalaxy, @TommyW1seau, @MisleGon, @dekanovich, @boboff16, @Nomeone, @Pancho.Home, @sereneden, @DeathBrick

ЗОЛОТОЙ СПИСОК -

(поддержали пикабушными монетками)

@suzono, @Prorva412, @Rokot.R, @dot22, @another.person, @Sgetout, @SilverArrow, @hontam, @FSFU, @BratVoHmelyu, @MagnificentMrFox, @eschenespilsya, @Ugrum71, @Thavion, @cfd.net, @Zampolit.NEET

Если кто-то оказался забыт - напомните, пожалуйста

ИТАК. Мы с вами знаем, что гравитация способна замедлять время. Но знаете ли вы как? Если да, то можете освежить свои знания. Если нет, то готовьтесь расширять кругозор.

Многие помнят культовую сцену из шедевра киноиндустрии "Интерстеллар": Купер приземляется на водную планету Миллер, которая вращается вблизи гигантской черной дыры Гаргантюа. Он проводит там всего чуть больше трех часов, а когда возвращается на орбитальную станцию, его встречает постаревший на 23 года коллега.

Для Купера прошло три часа, для Земли - четверть века. Обыватель думает: "Ну, это киношный трюк для драмы".

Но Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) говорит: нет, это суровая математическая реальность. Гравитация буквально ворует наше время. Давайте разберем очевидную логику этого процесса и посмотрим на формулы, которые заставил просчитать Нолан

ГЛАВА 1. МЕТРИКА ШВАРЦШИЛЬДА И КОСМИЧЕСКИЕ ЧАСЫ

Чтобы понять, как гравитация гнет время, нам придется отбросить школьное представление о гравитации как о силе притяжения. Теперь придется выучить, что Гравитация - это изменение геометрии самого пространства-времени.

Представьте, что у нас есть два наблюдателя. Один сидит далеко в глубоком космосе, где гравитации почти нет (назовем его время t — это координатное время Вселенной). А второй наблюдатель (Купер) находится на планете возле черной дыры. Его личное время, которое отсчитывают его наручные часы, называется собственным временем и обозначается греческой буквой τ (тау).

Связь между их временем описывается простейшим решением уравнений Эйнштейна для сферической массы - метрикой Шварцшильда:

Где:

• G - гравитационная постоянная,

• M - масса черной дыры,

• c - скорость света,

• r - расстояние от центра черной дыры до часов Купера.

Конструкция:

это гравитационный радиус (радиус Шварцшильда, или горизонт событий черной дыры).

А теперь включаем логику линала и арифметики. Чем ближе Купер подходит к черной дыре (чем меньше расстояние r, тем ближе дробь под корнем подбирается к единице. Соответственно, значение всего корня стремится к нулю.

Математика говорит нам очевидную вещь: если коэффициент перед временем dt уменьшается, то собственное время τ для Купера начинает течь медленнее относительно всей остальной Вселенной. На самом горизонте событий r = r_s подкоренное выражение превращается в ноль, и время для внешнего наблюдателя там застывает навсегда.

ГЛАВА 2. ПАРАДОКС СКОРОСТИ СВЕТА, ИЛИ ПОЧЕМУ МАТЕМАТИКА ТРЕБУЕТ ЖЕРТВ

Многие думают, что замедление времени - это какая-то абстрактная магия уравнений. Но на самом деле это жесткое следствие главного постулата Вселенной: скорость света c - константа, она неизменна в любой точке пространства для любого наблюдателя.

Представьте простейший мысленный эксперимент. Допустим, у Купера на планете есть световые часы - два зеркала на расстоянии L друг от друга, между которыми прыгает фотон. Время одного тика таких часов равно:

Где:

• дельта τ - это изменение времени

• L - это расстояние между зеркалами

• с - это скорость света

Когда Купер спускается в гравитационную яму Гаргантюа, для удаленного наблюдателя (Ромилли на корабле) пространство вокруг планеты растягивается (компоненты метрического тензора пространства g_rr растут). Ромилли видит, что расстояние между зеркалами Купера с его точки зрения увеличилось и стало равным L′.

Но скорость света c измениться не может! Она жестко зафиксирована Вселенной. Математика уровня 5-го класса: если расстояние увеличилось, а скорость осталась прежней, то на этот путь требуется больше времени. Отсюда следует вывод: Чтобы скорость света осталась константой в искривленном пространстве, время внутри гравитационной ямы обязано течь медленнее. Часы Купера совершают один тик в тот момент, когда у Ромилли на корабле проходят годы.

ГЛАВА 3. ПОЧЕМУ ПЛАНЕТА МИЛЛЕР НЕ УПАЛА В ЧЕРНУЮ ДЫРУ? (МЕТРИКА КЕРРА)

А теперь перейдем к самому сочному парадоксу фильма, из-за которого физики в Твиттере устроили дикий вой сразу после премьеры.

Они посчитали по формуле Шварцшильда из первой главы: чтобы замедление времени было таким чудовищным (1 час = 7 лет, то есть коэффициент замедления примерно ≈ 61000), планета Миллер должна находиться практически на самом горизонте событий черной дыры! Буквально в нескольких километрах или даже метрах от точки невозврата.

Но по законам обычной астрофизики, любая планета на таком расстоянии будет мгновенно разорвана приливными силами гравитации и за секунду сожрана черной дырой. Нас что, обманули?

Нолан не зря платил Кипу Торну. Торн ответил критикам: Гаргантюа - это не статичная черная дыра Шварцшильда. Она бешено вращается. И описывается совершенно другой, куда более зубодробительной метрикой Керра.

В метрике Керра вращающаяся черная дыра не просто притягивает объекты, она увлекает за собой саму ткань пространства-времени (это называется эффектом Лензе - Тирринга или frame-dragging). Вокруг дыры образуется пространственный вихрь - эргосфера.

Математически это приводит к тому, что стабильные круговые орбиты для планет (так называемая последняя устойчивая круговая орбита, ISCO) сдвигаются гораздо ближе к горизонту событий. Кип Торн подсчитал, что если Гаргантюа вращается со скоростью 99,8% от скорости света, пространство закручивается настолько мощно, что центробежная сила удерживает планету Миллер на стабильной орбите прямо на "бровке" бездны! На тоненького так сказать. При этом приливные силы растяжения внутри эргосферы распределяются плавно, и планету не разрывает на куски.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Фильм "Интерстеллар" стал шедевром научпопа не потому, что там красивая графика. А потому, что за каждым кадром стоит строгий математический аппарат ОТО Эйнштейна. Метрические тензоры, замедление собственного времени и вращение Керра - это не просто строчки из учебников по вышмату, а реальные правила, по которым живет наша Вселенная.

Время - это не абсолютная река, текущая одинаково для всех. Время - это гибкий вектор в нашей четырехмерной системе координат. И гравитация способна завязывать этот вектор в узлы.

Пост написан мной, формулы проверены Кипом Торном. Надеюсь, вам понравилось! Пишите в комментарии, смогли бы вы просидеть 23 года на орбите в полном одиночестве, как Ромилли? Буду рад лайку! Всем удачи!

В 1974 году писатель-фантаст Ларри Нивен создал захватывающий роман, в котором задавался вопрос: может ли убить человека крошечная черная дыра? Хотя многие из нас уверены, что ответ очевиден, на самом деле все не так просто. Научный ответ на этот вопрос оказывается гораздо интереснее, чем можно было бы предположить.

Очевидно, что большая черная дыра способна убить человека. Однако черная дыра с массой одного атома водорода настолько мала, что ее невозможно заметить. Главный вопрос заключается в том, при каком минимальном размере черная дыра становится смертоносной. Именно этому посвящена новая статья на arXiv.

Исследование начинается с изучения первичных черных дыр — теоретических объектов, которые могли образоваться в ранние моменты существования Вселенной. Их масса может варьироваться от массы атома до массы, превышающей массу Земли. Хотя астрономы пока не обнаружили таких объектов, наблюдения исключают некоторые диапазоны масс. Например, черные дыры массой менее 10^12 кг уже испарились бы из-за излучения Хокинга. Объекты тяжелее 10^20 кг создавали бы гравитационное линзирование звезд в Млечном Пути, но таких эффектов мы не наблюдаем.

Приливные силы — это разница в гравитационном воздействии на разные части тела. Чем ближе вы подходите к черной дыре, тем сильнее ее гравитация. Если бы черная дыра с массой астероида прошла через ваш живот или конечность, это могло бы привести к локальным повреждениям, но не смертельным. Это было бы похоже на укол иглой. Однако, если бы такая черная дыра прошла через голову, последствия были бы гораздо серьезнее. Приливные силы могли бы разорвать клетки мозга, что привело бы к летальному исходу.

Ударные волны были бы еще более опасными. Когда черная дыра вошла бы в тело, она создала бы волну плотности, которая нанесла бы физический ущерб клеткам и передала бы тепловую энергию, усугубляя повреждения. Для создания ударной волны, подобной пуле 22-го калибра, черной дыре нужна масса всего 1,4 х 10^14 кг, что вполне укладывается в возможный диапазон первичных черных дыр.

Вывод

Таким образом, первичная черная дыра действительно может убить человека. Однако вероятность такого события в реальной жизни крайне мала. Даже если такие объекты существуют, их количество в космосе настолько ничтожно, что вероятность того, что они встретятся с человеком, составляет менее одного случая на 10 триллионов. Так что, хотя идея о крошечной черной дыре, проходящей через тело, звучит захватывающе, в реальности это остается лишь фантазией.

Узнайте, что произойдет, если крошечная черная дыра пройдет через ваше тело. Этот захватывающий вопрос был рассмотрен в научной статье на arXiv, где ученые изучили приливные силы и ударные волны, которые могут возникнуть при таком событии. Узнайте, насколько реальна эта фантастическая возможность и почему вероятность такого происшествия в реальной жизни крайне мала.

Источники:

phys.org

www.universetoday.com

Редакция ИИ

Опубликовано на Тайны мира за семью печатями

Но профессор Бамби опирается на упрямую космическую статистику. Наша Галактика буквально кишит невидимыми черными дырами звездной массы, которые блуждают в полной темноте. Согласно расчетам, ближайший такой космический монстр может находиться всего в 20–25 световых годах от Солнечной системы!

Ученые планируют вычислить этого невидимого соседа в ближайшее десятилетие по едва заметному искривлению света от дальних звезд и слабому радиоизлучению.

Лазерный парус и нано-космонавт

Как долететь до объекта, находящегося в триллионах километров от нас, за вменяемый срок? Обычные ракетные двигатели тут бесполезны. На помощь приходит технология светового паруса (похожий принцип заложен в знаменитый проект Breakthrough Starshot).

Инженеры предлагают запустить нанозонд весом всего в несколько граммов (размером с обычный компьютерный чип), прикрепленный к метровому зеркальному парусу.

На Земле или ее орбите строится гигантская лазерная решетка. Мощнейший луч бьет по парусу фотонами и за считанные минуты разгоняет крошечный аппарат до трети скорости света (около 100 000 км/с)! На такой бешеной скорости путь до блуждающей черной дыры займет около 75 лет.

Экстремальные эксперименты на краю гибели

Зачем платить триллион долларов за чип с парусом? Козимо Бамби планирует три безумных эксперимента, когда зонд доберется до цели:

1. Проверка времени Эйнштейна: К дыре отправятся два зонда-близнеца на разные орбиты. Они сравнят ход своих часов в сверхсильной гравитации. Если общая теория относительности верна, время для одного из них почти остановится.

2. Нырок за горизонт событий: Чип будет передавать сигнал на Землю до самой последней секунды. Если сигнал будет плавно затухать — Эйнштейн снова прав. А если он оборвется внезапно, это докажет экзотическую теорию суперструн: черные дыры — это не пустота, а бурлящие клубки квантовых струн, так называемые «пушистые шары» (fuzzballs).

3. Проверка констант Вселенной: На грани гибели приборы измерят фундаментальные законы физики. Вдруг в экстремальном поле черной дыры физика работает совсем по-другому?

Долго, дорого, но неизбежно

Сам автор проекта признает: нужных лазерных технологий и сверхпрочных материалов у человечества пока нет. Они появятся только через 20–30 лет. А с учетом полета и возвращения радиосигнала обратно (который будет лететь до Земли еще четверть века), первые данные мы получим только через 100 лет после старта.

Но вспомните историю. Гравитационные волны предсказали в 1916 году, а поймали в 2015-м. В тень черной дыры не верили в 1970-х, а в 2019-м получили её первое фото. Настало время для реального полета в бездну.

А как думаете вы? Стоит ли человечеству тратить триллион долларов и ждать целый век ради того, чтобы заглянуть внутрь черной дыры? Или эти деньги нужнее на Земле? Поделитесь своим мнением в комментариях!

По материалам статьи автора Darth Sahara на iXBT (первоисточник: Cell iScience).

Если вам близка романтика космических путешествий на грани невозможного, подписывайтесь на мой авторский блог «Межвременье: Хроники необъяснимого» [https://t.me/between_time_chronicles]. Каждую неделю мы разбираем хроники, которые меняют наше представление о реальности!

Блуждающие чёрные дыры — это массивные объекты, которые находятся не в центре своих галактик, а летают где-то далеко на их окраинах. Недавно учёные из Йельского университета запустили мощную компьютерную симуляцию ASTRID, чтобы проследить эволюцию космоса за 12,6 миллиарда лет, и выяснили очень интересную штуку.

Оказывается, эти бродяги — живые свидетели древних космических катастроф.

Главные факты из исследования:

Они есть почти везде: Практически каждая изученная галактика содержит хотя бы одну чёрную дыру. Но со временем они всё реже сидят по центру и всё чаще оказываются на задворках.

Откуда они там взялись? Всё дело в слиянии галактик. Когда две галактики врезаются друг в друга и объединяются, их чёрные дыры сходят со своих привычных мест.

Вечные бродяги: В небольших галактиках этот эффект заметен сильнее всего. Чёрная дыра после столкновения смещается на окраину и возвращается к центру невероятно медленно. Она может миллиарды лет летать по удаленной орбите.

Почему это важно для науки?

Новый взгляд на космос: Если в центре какой-то галактики нет чёрной дыры, это ещё не значит, что её там вообще нет. Скорее всего, она просто «гуляет» где-то с краю.

Космическая археология: По тому, где именно сейчас летает блуждающая чёрная дыра, астрономы могут точно восстановить историю галактики и узнать, с кем и когда она сталкивалась миллиарды лет назад.

Раньше учёные искали только активные чёрные дыры в центрах, но теперь понятно: чтобы узнать правду о прошлом Вселенной, нужно присматриваться к её самым тёмным окраинам.

пруф и видео 👇

Анимация траекторий черных дыр, отмеченных крестиками, внутри массивного гало в симуляции ASTRID / © Courtesy of ASTRID 👇

https://naked-science.ru/article/astronomy/sledy-drevnih-sli...

https://rutube.ru/video/aac4eae92fab102a158d55bd33b025f3/?r=...