Направи дарение на училище!

Областите на черните дупки са свързани с количеството безредици във Вселената.
Една от най-известните теореми на Стивън Хокинг е доказана като правилна, използвайки вълни в пространство-времето, причинени от сливането на две далечни черни дупки. 

Теоремата за площта на черната дупка, която Хокинг извежда през 1971 г. от теорията за общата теория на относителността на Айнщайн, гласи, че е невъзможно повърхността на черна дупка да намалява с времето. Това правило интересува физиците, защото е тясно свързано с друго правило, което изглежда определя времето да тече в определена посока: вторият закон на термодинамиката, който гласи, че ентропията или разстройството на затворена система трябва винаги да нараства. Тъй като ентропията на черната дупка е пропорционална на нейната повърхност, и двете трябва винаги да нарастват.

Според новото проучване свойствата на черните дупки са важни улики за скритите закони, които управляват Вселената. Странно, законът за площта изглежда противоречи на друга от доказаните теореми на известния физик: че черните дупки трябва да се изпарят за изключително дълъг период от време, така че откриването на източника на противоречието между двете теории може да разкрие нова физика.

Разбери повече за БГ Наука:

***

„Повърхността на черна дупка не може да бъде намалена, което е като втория закон на термодинамиката. Тя също има запазване на масата, тъй като не можете да намалите нейната маса, така че това е аналогично на запазването на енергията. Първоначално хората си казаха „Уау, това е готин паралел“, но скоро разбрахме, че това е фундаментално. Черните дупки имат ентропия и тя е пропорционална на площта им. Това не е просто забавно съвпадение, това е дълбок факт за света които разкриват.„, каза водещ автор Максимилиано Иси, астрофизик от Масачузетския технологичен институт.

Повърхността на черна дупка е очертана от сферична граница, известна като хоризонт на събитията – отвъд тази точка нищо, дори светлината, не може да избегне нейното мощно гравитационно привличане. Тъй като повърхността на черна дупка се увеличава с нейната маса и тъй като нито един обект, хвърлен вътре, не може да излезе, нейната повърхност не може да намалее. Но повърхността на черната дупка също се свива, колкото повече се върти, така че изследователите се чудели дали би било възможно да хвърлят обект вътре достатъчно силно, за да накара черната дупка да се завърти достатъчно, за да намали площта си.

„Ще го накараш да се върти повече, но не достатъчно, за да уравновеси масата, която току-що добави. Каквото и да правите, масата и въртенето ще направят така, че да получите по-голяма площ.“ каза Иси.

За да изпробват тази теория, изследователите анализирали гравитационни вълни или вълни в тъканта на пространство-времето, създадени преди 1,3 милиарда години от две чудовищни ​​черни дупки, докато се въртяли спираловидно една към друга с висока скорост. Това били първите вълни, открити някога през 2015 г. от Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), лазерен лъч, разделен на две пътеки с дължина 2485 мили (4 километра) и способни да откриват и най-малките изкривявания в пространство-времето от това как те променят дължината на пътя му.

Чрез разделянето на сигнала на две половини – преди и след сливането на черните дупки – изследователите изчисляват масата и въртенето както на двете оригинални черни дупки, така и на новата комбинирана. Тези числа от своя страна им позволиха да изчислят повърхността на всяка черна дупка преди и след сблъсъка.

„Докато се въртят една около друга все по-бързо и по-бързо, гравитационните вълни увеличават амплитудата си все повече и повече, докато в крайна сметка не се потопят една в друга – създавайки този голям изблик на вълни. Това, с което оставате, е нова черна дупка, която е в това възбудено състояние, която след това можете да изучавате, като анализирате как вибрира. Все едно, че ако ударите камбана, специфичните височини и продължителност, с които звъни, ще ви кажат структурата на тази камбана, а също и от какво е направена.“ каза Иси.

Площта на повърхността на новосъздадената черна дупка е по-голяма от тази на първите две взети заедно, потвърждавайки закона за площта на Хокинг с повече от 95% ниво на сигурност. Според изследователите техните резултати са почти в съответствие с това, което са очаквали да открият. Теорията на общата теория на относителността – откъдето идва законът за площта – върши много ефективна работа за описване на черни дупки и други големи обекти.

Истинската мистерия обаче започва, когато се опитаме да интегрираме общата теория на относителността – правилата на големите обекти – с квантовата механика – тези на много малките. Започват да се случват странни събития, причинявайки хаос на всичките ни твърди и бързи правила и напълно нарушавайки местния закон.

Това е така, защото черните дупки не могат да се свият според общата теория на относителността, но могат според квантовата механика. Емблематичният британски физик, който стои зад закона за повърхностната площ, също така разработи концепция, известна като радиация на Хокинг – при която мъгла от частици се излъчват по краищата на черните дупки чрез странни квантови ефекти. Това явление кара черните дупки да се свиват и в крайна сметка, за период от време, няколко пъти по-дълъг от възрастта на Вселената, да се изпарят. Това изпарение може да се случи във времеви мащаби, достатъчно дълги, за да не наруши закона за площта в краткосрочен план, но това е малка утеха за физиците.

„Статистически погледнато, законът се нарушава за дълъг период от време“, каза Иси. „Това е като вряща вода, получавате пара, която се изпарява от вашия тиган, но ако се ограничите само да гледате изчезващата вода вътре в него, може да се изкушите да кажете, че ентропията на тигана намалява. Но ако вземете като вземем предвид и парата, общата ви ентропия се е увеличила. Същото е и с черните дупки и радиацията на Хокинг.

Със закона за площта, установен за кратки до средни времеви рамки, следващите стъпки на изследователите ще бъдат да анализират данни, получени от повече гравитационни вълни за по-дълбоки прозрения, които могат да бъдат събрани от черни дупки.

„Обсебен съм от тези обекти, защото са парадоксални. Те са изключително мистериозни и объркващи, но в същото време знаем, че са най-простите обекти, които съществуват. Това, както и фактът, че те са мястото, където гравитацията среща квантовата механика, ги прави перфектните площадки за нашето разбиране за това какво е реалността.“ каза Иси.

Стивън Хокинг иска учените да „правят черни дупки“ на Земята. Физиката казва, че е възможно.

Когато Стивън Хокинг посетил Големия адронен колайдер, той се надявал на неочакван пробив във физиката. Мечтите му може да не са невъзможни.

„Надявам се, че ще направите черни дупки“, каза Стивън с широка усмивка.

Излязъл от товарния асансьор, който го бил отвел под земята в пететажната пещера, в която се намирал експериментът ATLAS в лабораторията на CERN, легендарната Европейска организация за ядрени изследвания близо до Женева. Генералният директор на ЦЕРН, Ролф Хойер, размърда неспокойно крака. Това било 2009 г. и някой бил завел дело в Съединените щати, загрижен, че новопостроеният Голям адронен колайдер на CERN, ще произведе черни дупки или друга форма на екзотична материя, която може да унищожи Земята.

Делото скоро трябвало да бъде отхвърлено на основание, че „спекулативният страх от бъдеща вреда не представлява вреда, която всъщност е достатъчна, за да придаде легитимност“.

Обикновено мислим за черните дупки като за разрушени останки от масивни звезди. Това обаче е твърде ограничено виждане, тъй като всичко може да се превърне в черна дупка, ако бъде притиснато в достатъчно малък обем. Дори една двойка протон-антипротон, ускорена почти до скоростта на светлината и разбита заедно в мощен ускорител на частици, би образувала черна дупка, ако сблъсъкът концентрира достатъчно енергия в достатъчно малък обем. Със сигурност би била малка черна дупка с мимолетно съществуване, тъй като моментално ще се изпари чрез излъчването на радиация на Хокинг.

В същото време, ако надеждата на Стивън да създаде черни дупки се беше сбъднала, това щеше да сигнализира за края на десетилетния стремеж на физиците на елементарните частици да изследват природата на все по-къси разстояния чрез сблъсък на частици с все по-голяма енергия. Ускорителите на частици са като микроскопи, но гравитацията изглежда поставя фундаментално ограничение на разделителната им способност, защото предизвиква образуването на черна дупка всеки път, когато увеличим енергията твърде много, опитвайки се да надникнем във все по-малък обем.

Превод: Йоанна Колесниченко

Източници: livescience, sciencedaily, wikipedia

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!