Ученые объясняют, как использовать энергию черной дыры

Информационный парадокс черных дыр

Вы наверняка слышали, что черные дыры уничтожают информацию, которая в них попадает. Почему это является такой огромной проблемой для физики, что ученые всеми силами пытаются избавиться от этой нелепой и нелогичной формулировки? Что ж, мир стал довольно сложным. В моем детстве все было проще. Трава была зеленее, газировка вкуснее, а черные дыры были черными. То есть черные дыры сжимали материю и энергию в бесконечно плотные сингулярности, не создавая непреодолимых парадоксов. Это были хорошие дни.

Но им пришел конец. Сегодня черные дыры вмещают все пятьдесят оттенков серого, изгибая законы физики один за другим. Что же такое информационный парадокс черной дыры?

Для начала давайте поговорим об информации. Когда физики говорят «Информация», они имеют в виду конкретное состояние каждой частицы во вселенной: масса, положение, спин, температура и т. д. отпечаток пальца, который уникальным образом идентифицирует каждого, и вероятность того, что эти частицы собираются делать во вселенной. Вы можете взять атомы, раздавить их или сжать вместе, но квантово — волновая функция, которая их описывает, всегда будет сохраняться.

Квантовая физика позволяет вам запускать всю вселенную вперед и назад до тех пор, пока вы обращаете все в своей математике: заряд, четность и время

Это важно. Светлые умы говорят нам, что информация должна жить, несмотря ни на что

Представьте ее в виде энергии. Вы не можете уничтожить энергию: только преобразовать.

Что такое черная дыра? Она образуется, когда крупнейшая звезда с массой в 20 раз превышающей солнечную жестоко коллапсирует и взрывается. Ее плотность материи чрезвычайно высока, скорость убегания превышает скорость света. Особо прикольные имеют перегретый диск аккреции с материей, которая кружится вокруг горизонта событий черной дыры, за пределы которого свет уже не может вырваться никак.

И тут у нас появляется один из самых странных побочных эффектов относительности: замедление времени. Представьте себе часы, падающие в направлении черной дыры, которые засасывает гравитационный колодец. Время будет идти медленнее по мере приближения к черной дыре, пока наконец не замерзнет на краю горизонта событий. Фотоны от часов вытянутся, и цвет часов пройдет через красное смещение. В конце концов, он исчезнет, поскольку фотоны вытянутся за пределы того, что могут обнаружить наши глаза.

Лишь в том случае, если бы вы смотрели на черную дыру миллиарды лет, вы увидели бы все, что она собрала, что застряло внутри, как на липучке. Вы нашли бы и часы, и «Титаник», и теоретически смогли бы определить квантовое состояние каждой отдельной частицы и фотона, который попал в черную дыру. Поскольку потребуется практически бесконечное количество времени, чтобы все испарилось совершенно, все в порядке.

Информация навсегда на поверхности черной дыры сохраняется. Все, что туда попало, определенно погибло, но их информация, их драгоценная квантовая информация, в полном порядке.

В 1975 году Стивен хокинг сбросил на черные дыры бомбу. Он осознал, что у черных дыр есть температура, и с течением огромного периода времени они совершенно испарятся, выпустив массу и энергию обратно во вселенную. Этот процесс был обозначен как излучение хокинга.

Но эта же идея парадокс породила. Информация о том, что попало в черную дыру сохраняется замедлением времени, но сама масса черной дыры испаряется. В конце концов, она совершенно исчезнет, и тогда куда денется информация? Та информация, которая не может быть уничтожена?

Астрономы в шоке. Десятками лет они работают, пытаясь решить этот вопрос. Есть небольшой набор вариантов:

Черные дыры не испаряются вовсе, хокинг ошибся.
Информация в черной дыре каким-то образом утекает вместе с излучением хокинга.
Черная дыра удерживает ее до самого конца, и когда испаряются две последних частицы, вся информация внезапно высвобождается во вселенную.
Информация сжимается в микроскопическое пространство, которое остается после испарения черной дыры.
Черная дыра.

Возможно, физики никогда не смогут выяснить это. Недавно хокинг выдвинул новую идею, которая могла бы разрешить информационный парадокс черной дыры. Он предположил, что есть некий способ, которым излучение хокинга могло бы уносить в себе информацию о новой материи, падающей в черную дыру.

Таким образом, информация обо всем, что падает, сохраняется уходящим излучением, возвращается во вселенную и разрешает парадокс. Но это догадка, поскольку и само излучение хокинга никто не обнаружил. Возможно, мы через много десятков лет узнаем не только то, в правильном направлении мы движемся или нет, но и собственно решение парадокса.

В ситуациях вроде этой мы вспоминаем, как мало знаем о вселенной на самом деле.

Что предлагает Хокинг для решения информационного парадокса черной дыры?

Идея состоит в том, что у черных дыр должен быть способ хранить информацию, который до сих пор не приняли. Информация хранится на горизонте черной дыры и может вызывать крошечные смещения частиц в излучении Хокинга. В этих крошечных смещения может быть информация о попавшей внутрь материи. Точные детали этого процесса в настоящее время не определены. Ученые ждут более подробного технического документа от Стивена Хокинга, Малькома Перри и Эндрю Строминджера. Говорят, он появится в конце сентября.

На данный момент мы уверены, что черные дыры существуют, знаем, где они находятся, как образуются и чем станут в итоге. Но детали того, куда девается поступающая в них информация, до сих пор представляют одну из самых больших загадок Вселенной.

Видео

https://youtube.com/watch?v=5ki1ZxwGJNI

Источники

• https://hi-news.ru/science/10-faktov-o-chernyx-dyrax-kotorye-dolzhen-znat-kazhdyj.htmlhttps://www.popmech.ru/science/417252-naskolko-ogromnymi-byvayut-chernye-dyry/https://www.syl.ru/article/333972/chernaya-dyira-chto-vnutri-interesnyie-faktyi-i-issledovaniyahttp://ya-uznayu.ru/kosmos/291-kakie-byvayut-i-kak-obrazuyutsya-chernye-dyry.htmlhttps://infuture.ru/article/10332https://collectedpapers.com.ua/ru/black_holes_universe/shho-viprominyuye-chorna-dirahttps://science.ru-land.com/stati/informacionnyy-paradoks-chernyh-dyr-0

В новом исследовании, проведенном физиками в Колумбийском университете в США и Университете Адольфо Ибаньеса в Чили, были рассмотрены методы использования этой энергии черных дыр.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Команда выяснила, что энергию можно извлечь, разорвав и соединив линии магнитного поля вблизи горизонта событий, где ничто не может уйти от гравитационного притяжения черной дыры. 

Исследование было опубликовано в Physical Review D в среду.

«Наша теория показывает, что, когда линии магнитного поля разъединяются и восстанавливаются, они могут разогнать частицы плазмы до отрицательных энергий и извлечь большое количество энергии черных дыр», — сказал Лука Комиссо, ведущий автор исследования и научный сотрудник Колумбийского университета.

Комиссо также объяснил, что их исследования могут проложить путь для астрономов, чтобы лучше вычислить вращение черных дыр, подтолкнуть черные дыры к выбросу энергии, и, возможно, даже стать источником энергии для будущих цивилизаций — возможно, живущих в глубоком космосе.

Теория, лежащая в основе исследования, сосредоточена на предпосылке о том, что восстанавливающее магнитное поле толкает вперед частицы плазмы в двух различных направлениях. Одно из них идет против направления вращения черной дыры, а другое — в том же направлении, что и вращение черной дыры, в конечном итоге высвобождая энергию, если плазма, которую черная дыра принимает, имеет отрицательную энергию. 

Это явление происходит в эргосфере, «где пространственно-временной континуум вращается так быстро, что каждый объект вращается», объяснил Комиссо. Внутри эргосферы магнитная связь настолько высока, что частицы плазмы движутся почти со скоростью света. 

Именно этот процесс высокой относительной скорости между захваченной и выходящей плазмой извлекает огромное количество энергии из черной дыры. 

Как сказал Фелипе Асенхо (Felipe Asenjo), соавтор исследования и представитель Университета Адольфо Ибаньес (Universidad Adolfo Ibáñez): «Мы подсчитали, что процесс зарядки плазмы может достигать эффективности в 150 %, что намного выше, чем у любой электростанции, работающей на Земле».

«Достижение КПД более 100 % возможно благодаря тому, что черные дыры пропускают энергию, которая свободно отдается плазме, выходящей из черной дыры».

Исследование ученых проливает свет на то, что может помочь будущим цивилизациям использовать энергию. 

«Тысячи или миллионы лет спустя человечество сможет выжить вокруг черной дыры, не используя энергию звезд», — сказал Комиссо. «По сути, это технологическая проблема. Если мы посмотрим на физику, то ничто не мешает ей». опубликовано econet.ru по материалам interestingengineering.com

Эпоха чёрных дыр

На самом деле, раньше не один учёный, который изучал чёрные дыры, не имел доказательств их реального существования. В основном, их идеи были основаны на математических расчётах.

Впервые предположение о существовании подобных областей во Вселенной выдвинул английский священник Д. Мичел в 1783 году. В свободное время он увлекался астрономией. Согласно его расчётам, если сжать астрофизический объект, то возникнет мощнейшая гравитационная сила. При этом его пределы не сможет покинуть даже свет.

Кроме того, подобную гипотезу выдвинул французский учёный Пьер Лаплас. Он считал, что в случае высокой гравитации тела скорость убегания больше световой скорости. То есть частицы света двигающиеся в точку не смогут двигаться бесконечно, и будут удерживаться гравитационной силой.

Пьер-Симон Лаплас

Спустя много лет в 1915 году Альберт Эйнштейн написал основные уравнения общей теории относительности. Они также предсказывали наличие особых областей в космическом пространстве.

В 1916 году на основе общей теории относительности Карл Шварцшильд расчитал числовое значение пространства и времени внутри и за пределами тела, влияющее на движение частиц и античастиц.

Между тем, официально термин «чёрная дыра» был введён в 1968 году благодаря труду американского физика-теоретика Джона Уиллера. Он описал свойства этих областей, использовав новое для них понятие.

Джон Арчибальд Уилер

Стоит отметить, что большой вклад в историю изучения и исследования чёрных дыр внёс индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар. Он написал книгу «Математическая теория чёрных дыр» (1974-1983 гг).

В дальнейшем многие великие учёные, в том числе и Стивен Хокинг, продолжили работу по изучению этих загадочных областей нашей Вселенной.

Загробная жизнь звезд

Первый разумный ответ на этот вопрос предложили в 1939 году Роберт Оппенгеймер, Джордж Волков и Хартланд Снайдер. По мысли ученых, черные дыры — это своего рода посмертная стадия существования самых массивных звезд.

Поясним. Гравитация стремится как можно сильнее сжать вещество, превратить небесное тело в точку. Этого не происходит лишь потому, что сжатию противостоит давление, а главный источник давления в звезде — это ее излучение. Но когда в звезде заканчивается термоядерное топливо, заканчивается и излучение. Тогда «огрызок», который к тому времени остается от звезды, уже ничто не может удержать от сжатия.

Дальнейшая судьба небесного тела зависит от его массы: самые легкие звезды вроде Солнца превращаются в белые карлики, более тяжелые — в нейтронные звезды, но начиная с некоторого предела массы в природе просто не остается таких сил, которые могли бы противостоять гравитационному сжатию. Именно последний сценарий с некоторыми оговорками и рассмотрели Оппенгеймер, Волков и Снайдер.

Впрочем, это работа содержала множество допущений: например, остаток звезды непременно будет вращаться, а может ли вращаться черная дыра, в то время было непонятно. Вносить уточнения было некогда: двое из трех авторов занялись разработкой ядерной бомбы в рамках «Манхэттенского проекта». Так уж получилось, что познанием в ХХ веке человечество могло заниматься лишь в перерывах между мировыми войнами. Интерес к проблеме вернулся только в 1960-х.

Как обнаружить чёрную дыру

Хотя они обладают огромной массой и гравитацией, обнаружение чёрных дыр с помощью телескопа практически невозможно. Дело в том, что они не излучают свет, а значит сливаются с тёмным небом.

Однако учёные смогли увидеть её, когда она поглощала вещество звезды. При этом появилось особенное и яркое излучение.

Можно сказать, что настоящее открытие области пространства-времени произошло в 1971 году. Тогда чёрная дыра Лебедь Х-1 была замечена в телескоп.

Лебедь X-1

По правде говоря, история открытия и изучения чёрных дыр длилась очень долго и продолжается по сей день. Разумеется, мы прошли непростой путь от теории до их фактического обнаружения. Вероятно, в будущем нас ждут новые открытия. Мы, наконец, узнаем всё про эти таинственные области космоса.

Новое исследование

В течение 50 лет ученые изобретали способы раскрытия силы черных дыр. Нобелевский физик Роджер Пенроуз предположил, что распад частицы может потреблять энергию из этих объектов. Стивен Хокинг сказал, что черные дыры могут выделять энергию посредством квантово-механического излучения. А Роджер Бландфорд и Роман Знайек предложили электромагнитный крутящий момент в качестве основного агента извлечения энергии.

Недавно в журнале Physical Review D были опубликованы итоги нового исследования. В статье говорится, что физики Лука Комиссо из Колумбийского института и Фелипе Асенджо из Университета Адольфо Ибаньеса в Чили выяснили, как извлекать энергию из черных дыр. Они заявили, что это можно реализовать путем разрыва и соединения силовых линий магнитного поля, расположенного возле точки, где ничто, даже свет, не может избежать притяжения черной дыры. Эта точка именуется горизонтом событий.

Мнение Вячеслава Лукина

Исследование «Магнитное пересоединение как механизм извлечения энергии из вращающихся черных дыр» финансировалось инициативой Национального научного фонда «Окна во Вселенную», НАСА и Чилийским национальным фондом научного и технологического развития.

«Идеи и концепции, обсуждаемые в этой работе, поистине захватывающие», — сказал Вячеслав Лукин, программный директор Национального научного фонда. По его словам, NSF стремится стимулировать новые теоретические усилия, основанные на пограничных наблюдениях, объединяя теоретическую физику и наблюдательную астрономию под одной крышей. «Мы с нетерпением ждем возможности перевода, казалось бы, эзотерических исследований астрофизики черных дыр в практическую сферу», — добавил Лукин.

Что говорит Лука Комиссо

«Черные дыры, как правило, окружены ореолом из плазменных частиц, несущих магнитное поле, — сказал Лука Комиссо, первый автор изыскания. — Наша теория демонстрирует, что в момент разъединения силовых линий магнитного поля и последующего их соединения, эти силовые линии ускоряют плазменные частицы до негативных энергий. В итоге можно извлечь внушительный объем энергии из черной дыры».

По словам Комиссо, это открытие позволит астрономам лучше изучить кружение черных дыр, чтобы стимулировать выбросы их энергии, которая может быть задействована для восполнения нужд развитой цивилизации.

Будущий источник энергии

Процесс извлечения энергии, предусмотренный Комиссо и Асенджо, возможно, уже работает в большом количестве черных дыр. Это может быть причиной мощных вспышек этих объектов, которые можно обнаружить с Земли. «Наши более глубокие знания о том, как магнитное пересоединение происходит в непосредственной близости от черной дыры, могут иметь решающее значение для нашей интерпретации текущих и будущих наблюдений черных дыр с помощью телескопов, например, с помощью телескопа Event Horizon», — сказал Асенджо.

Хотя это может звучать как научная фантастика, добыча энергии из черных дыр может быть ответом на наши будущие потребности в энергии. «Через миллионы лет человечество могло бы выжить возле черной дыры, не используя энергию звезд, — заявил Комиссо. – Это, по сути, проблема технологического характера. С токи зрения законов физики ничто не препятствует этому».

Новая теория

Однако физики из Калифорнийского университета в Беркли предположили, что вблизи сверхмассивных заряженных чёрных дыр заглянуть в сингулярность всё-таки можно благодаря тому, что гравитация у их краёв более слабая. А значит, их горизонт событий можно пересечь.

По словам авторов исследования, Вселенная быстро расширяется. Это означает, что энергия может распределяться равномернее, чем считалось раньше. Если предположения американских физиков верны, то в сверхмассивной чёрной дыре можно очень быстро пройти через горизонт Коши и избежать сингулярности в её центре.

«Мы видим, как сверхмассивные чёрные дыры в галактиках поглощают звёзды. Мы знаем, что если чёрные дыры очень тяжёлые, то они заглатывают звёзды целиком, а если чёрные дыры лёгкие, то они просто разрывают звёзды, и это сопровождается яркой вспышкой. Соответственно, это же верно и для любого другого объекта. Допустим, если космический корабль падает в сверхмассивную чёрную дыру, то его при пересечении горизонта приливными силами не разорвёт. В этом смысле в фильме «Интерстеллар» показывают правду», — говорит Сергей Попов.

Также по теме

Полёт к внеземным океанам: ЕКА построит аппарат для поиска воды на спутниках Юпитера

Европейское космическое агентство объявило о начале строительства прототипа аппарата JUICE, который через пять лет должен отправиться…

Олег Заславский в беседе с RT пояснил гипотезу американцев о возможности выживания в чёрной дыре. По словам эксперта, при достижении горизонта событий массивной чёрной дыры человек или любой другой объект действительно будут находиться в относительной безопасности.

«Дело в том, что если чёрная дыра массивная, то расстояние до её центра просто громадное, поэтому лучше всего оказаться на границе, где разрушительные приливные силы очень слабо влияют на оказавшийся там объект

Кроме того, наблюдателю важно избежать сингулярности в центре чёрной дыры — месте, где кривизна пространства-времени устремляется в бесконечность», — рассказал Заславский

Физик также подтвердил, что пройти через горизонт Коши в заряженных чёрных дырах теоретически возможно, и этот процесс можно сравнить с воздействием ударной волны на поверхность жидкости.

Авторы исследования отмечают, что их выводы касаются только чёрных дыр с электрическим зарядом. Однако при этом они подчёркивают, что поведение и состав этих объектов такие же, как и у существующих вращающихся чёрных дыр.

«Конечно, вряд ли вы попадёте в любую из чёрных дыр — теоретических или реальных, но приятно осознавать, что вы сможете пережить это необычное путешествие», — заключает Хинц.

Что внутри черной дыры: догадки

Некоторые из математиков считают, что внутри этих загадочных объектов Вселенной находятся так называемые червоточины — переходы в другие Вселенные. Иными словами, в точке сингулярности расположен пространственно-временной туннель. Эта концепция послужила источником вдохновения для многих писателей и режиссеров. Однако подавляющее большинство астрономов считают, что никаких туннелей между Вселенными не существует. Однако даже если бы они действительно были, у человека нет никаких способов узнать, что находится внутри черной дыры.

Существует и другая концепция, согласно которой в противоположном конце такого туннеля находится белая дыра, откуда из нашей Вселенной в другой мир через черные дыры поступает гигантское количество энергии. Однако на данном этапе развития науки и техники о путешествиях подобного рода не может быть и речи.

Принцип работы повторного соединения

Комиссо и Асенджо построили свою доктрину на предпосылке, что пересоединяющиеся магнитные поля ускоряют плазменные частицы в 2-х различных направлениях. Один из потоков плазмы сталкивается со спином черной дыры, в то время как другой перемещается в направлении вращения и может вырваться из тисков объекта, который высвобождает энергию, когда плазма, поглощенная черной дырой, имеет отрицательную энергию.

«Это похоже на то, как человек может похудеть, съев леденцы с отрицательными калориями, — сказал Комиссо, объяснив, что, по сути, черная дыра теряет энергию, поедая частицы с негативной энергией. — Это может происходить в зоне, именуемой эргосферой, где пространственно-временной континуум обращается так быстро, что все объекты вертятся в том же направлении, что и черная дыра».

Внутри эргосферы магнитное пересоединение настолько велико, что частицы плазмы ускоряются до скоростей, приближающихся к скорости света. Соавтор исследования Асенджо объяснил, что высокая относительная скорость между захваченными и уходящими потоками плазмы — это то, что позволяет предлагаемому процессу извлекать внушительное число энергии из черной дыры.

«Мы подсчитали, что процесс активации плазмы может достичь результативности в 150 %, что намного выше, чем у любой земной электростанции, — сказал Асенджо. — Достижение эффективности более 100 % возможно, потому что черные дыры пропускают энергию, которая передается плазме, оставляющей их».

Сингулярность и горизонт Коши

Современные физики, работающие в различных областях теории относительности, считают, что помимо горизонта событий у чёрных дыр есть внутренний горизонт Коши. Это гипотетическая граница, за которой перестаёт работать привычная теория детерминизма (учение о закономерности и причинной обусловленности всех событий и явлений. — RT).

Учёные из Калифорнийского университета в Беркли (США) провели детальное исследование чёрных дыр и всего, что с ними связано, и представили ряд любопытных выводов.

Американские физики говорят, что за горизонт Коши им пока заглянуть не удалось, но математические модели демонстрируют, что события там могут разворачиваться по совершенно непредсказуемым сценариям. 

Согласно труду Эйнштейна, в центре чёрной дыры находится так называемая сингулярность — точка пространства-времени, в которой привычные законы физики перестают работать. При этом гравитация в ней велика настолько, что всё попадающее туда сразу же уничтожается.

Приручить энергию черных дыр

Об этом говорится в одной из самых ранних популярных работ по этой теме. Ее опубликовали в 1973 году. Называется она так – «Черные дыры: конец Вселенной». Ее автор – Джон Тейлор, профессор математики в Королевском колледже Лондона. В своей работе он посвятил целую главу сложной теме «приручения черных дыр». Исследователь описал несколько подходов к извлечению гравитационной энергии. Первый – использовать излучение, рассеянное при слиянии двух или более черных дыр. Второй – использовать возможность создания небольших черных дыр, которые могут быть использованы как источники энергии.

Профессор Тейлор не был слишком оптимистичен. Но признал, что «нужно быть осторожным в отношении безоговорочных заявлений о том, что возможно или не возможно осуществить при решении этих вопросов». Удивительные достижения в области науки и техники могут действительно стать реальностью в будущем.

Черная дыра могла бы использоваться в качестве передатчика гравитационных волн. Став центром общей системы связи в галактике. А также обеспечить долгосрочное решение энергетических потребностей галактической цивилизации. Если научиться провоцировать взрывы крупных звезд, превращая их в сверхновые и черные дыры, которые впоследствии подвергаются слиянию, это позволило бы получать колоссальное количество энергии. Получение технологии управления черными дырами можно рассматривать как условие перехода цивилизации в общество Кардашева III типа. Это цивилизация, живущая с использованием энергии галактического уровня.

В своем вступительном письме к своей книге, опубликованной в 1974 году, профессор Тейлор упомянул недавнее предположение Стивена Хокинга о том, что некоторые частицы могут покинуть интенсивное гравитационное поле на горизонте событий черной дыры в результате квантового туннелирования. Это явление называется «излучение Хокинга». Этот эффект дает возможность «добывать» это излучение. Находясь, по понятным причинам, на достаточно безопасном расстоянии.