¿Hay un agujero negro? Estrellas oscuras Mitchell - Laplace. Estrellas que dan a luz a la oscuridad

Doctor en Filosofía (en física) K. ZLOSCHASTEV, Departamento de Teoría de la Gravedad y Campos, Instituto de Investigaciones Nucleares, Universidad Nacional Autónoma de México.

Sobre la singularidad, la información, la entropía, la cosmología y la Teoría Unificada de Interacciones multidimensional a la luz de la teoría moderna de los agujeros negros

Ciencia y vida // Ilustraciones

enfermo. 1. Cerca de una estrella que colapsa, la trayectoria de un haz de luz se dobla por su campo gravitatorio.

Agujeros negros captados por el Telescopio Espacial Hubble en los centros de seis galaxias. Atraen la materia circundante, que forma brazos espirales y cae en el agujero negro, escondiéndose para siempre detrás del horizonte de sucesos.

enfermo. 2. Cono de luz.

Hoy en día es difícil encontrar una persona que no haya oído hablar de los agujeros negros. Al mismo tiempo, quizás no sea menos difícil encontrar a alguien que pueda explicar de qué se trata. Sin embargo, para los especialistas, los agujeros negros ya han dejado de ser una fantasía: las observaciones astronómicas han demostrado durante mucho tiempo la existencia de dos agujeros negros "pequeños" (con una masa del orden del sol), que se formaron como resultado de la acción gravitacional. compresión de estrellas y supermasivo (hasta 10 9 masas solares), que dio lugar al colapso de cúmulos estelares enteros en los centros de muchas galaxias, incluida la nuestra. Los agujeros negros microscópicos se están buscando actualmente en los flujos rayos cósmicos energías ultra altas (laboratorio internacional Pierre Auger, Argentina) e incluso sugieren "arreglar su producción" en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que está previsto que sea lanzado en 2007 en el CERN. Sin embargo, el verdadero papel de los agujeros negros, su "destino" para el Universo, está mucho más allá del alcance de la astronomía y la física de partículas elementales. Al estudiarlos, los investigadores han avanzado profundamente en la comprensión científica de cuestiones puramente filosóficas: qué es el espacio y el tiempo, existen límites para el conocimiento de la Naturaleza, cuál es la relación entre la materia y la información. Intentaremos cubrir todo lo más importante sobre este tema.

1. Estrellas oscuras Mitchell - Laplace

El término "agujero negro" fue propuesto por J. Wheeler en 1967, pero las primeras predicciones de la existencia de cuerpos tan masivos que ni siquiera la luz puede salir de ellos datan del siglo XVIII y pertenecen a J. Mitchell y P. Laplace. Sus cálculos se basaron en la teoría de la gravedad de Newton y la naturaleza corpuscular de la luz. En la versión moderna, este problema se ve así: ¿cuál debería ser el radio R s y la masa M de una estrella para que su segunda velocidad cósmica (la velocidad mínima que se le debe dar a un cuerpo en la superficie de una estrella para que sale de la esfera de su acción gravitacional) es igual a la velocidad de la luz c? Aplicando la ley de conservación de la energía, obtenemos el valor

R s = 2GM/c 2 , (1)

que se conoce como el radio de Schwarzschild, o el radio de un agujero negro esférico (G es la constante gravitatoria). A pesar de que la teoría de Newton es obviamente inaplicable a los agujeros negros reales, la fórmula (1) es correcta en sí misma, lo que fue confirmado por el astrónomo alemán K. Schwarzschild en el marco de la teoría general de la relatividad (GR) de Einstein, ¡creada en 1915! En esta teoría, la fórmula determina a qué tamaño debe encogerse el cuerpo para formar un agujero negro. Si para un cuerpo de radio R y masa M se satisface la desigualdad R/M > 2G/c 2, entonces el cuerpo es gravitacionalmente estable, en de lo contrario colapsa (colapsa) en un agujero negro.

2. Agujeros negros de Einstein a Hawking

Una teoría verdaderamente consistente y consistente de los agujeros negros, o colapsos, es imposible sin tener en cuenta la curvatura del espacio-tiempo. Por lo tanto, no sorprende que aparezcan naturalmente como soluciones particulares de las ecuaciones GR. Según ellos, un agujero negro es un objeto que dobla tanto el espacio-tiempo en su vecindad que no se puede transmitir ninguna señal desde su superficie o desde el interior, incluso a lo largo de un haz de luz. En otras palabras, la superficie de un agujero negro sirve como límite del espacio-tiempo accesible para nuestras observaciones. Hasta principios de la década de 1970, esta era una afirmación a la que es imposible agregar nada significativo: los agujeros negros parecían ser "cosas en sí mismas", objetos misteriosos del Universo, cuya estructura interna es incomprensible en principio.

Entropía de los agujeros negros. En 1972, J. Bekenstein planteó la hipótesis de que un agujero negro tiene una entropía proporcional a su área de superficie A (para un agujero esférico A = 4pR s 2):

S BH = C A/4, (2)

donde C=kc 3 /Gћ es una combinación de constantes fundamentales (k es la constante de Boltzmann y ћ es la constante de Planck). Por cierto, los teóricos prefieren trabajar en el sistema de unidades de Planck, en este caso C = 1. Además, Bekenstein sugirió que para la suma de las entropías de un agujero negro y la materia ordinaria, S tot = S materia + S BH, la segunda ley generalizada de la termodinámica se cumple:

D S tot є (S tot) final - (S tot) inicial? 0, (3)

es decir, la entropía total del sistema no puede disminuir. La última fórmula también es útil porque de ella se puede deducir un límite a la entropía de la materia ordinaria. Considere el llamado proceso de Susskind: hay un cuerpo esféricamente simétrico de masa "subcrítica", es decir, uno que todavía satisface la condición de estabilidad gravitacional, pero es suficiente agregar un poco de energía-masa DE para que el cuerpo colapse. en un agujero negro. El cuerpo está rodeado por una capa esférica (cuya energía total es exactamente igual a DE), que cae sobre el cuerpo. Entropía del sistema antes de la caída del cascarón:

(S tot) inicial = S sustancia + S capa,

(S tot) final = S BH = A/4.

De (3) y la no negatividad de la entropía, obtenemos el famoso límite superior de la entropía de la materia:

S sustancia? A/4. (cuatro)

Las fórmulas (2) y (3), a pesar de su sencillez, dieron lugar a un misterio que tuvo un gran impacto en el desarrollo ciencia fundamental. Se sabe por el curso estándar de física estadística que la entropía de un sistema no es un concepto primario, sino una función de los grados de libertad de los componentes microscópicos del sistema; por ejemplo, la entropía de un gas se define como la logaritmo del número de posibles microestados de sus moléculas. Por lo tanto, si un agujero negro tiene entropía, ¡entonces debe tener una estructura interna! Solo en últimos años hubo un progreso verdaderamente grande en la comprensión de esta estructura, y luego las ideas de Bekenstein fueron generalmente percibidas con escepticismo por parte de los físicos. Stephen Hawking, por su propia admisión, decidió refutar a Bekenstein con su propia arma: la termodinámica.

Hawking radiación. Tan pronto como (2) y (3) estén dotados sentido físico, la primera ley de la termodinámica dicta que un agujero negro debe tener una temperatura T. Pero espera, ¡¿qué temperatura puede tener?! Después de todo, en este caso, el agujero debería irradiar, ¡lo que contradice su propiedad principal! De hecho, un agujero negro clásico no puede tener una temperatura distinta del cero absoluto. Sin embargo, si asumimos que los microestados de un agujero negro obedecen las leyes de la mecánica cuántica, lo que, en términos generales, es prácticamente obvio, entonces la contradicción se puede eliminar fácilmente. De acuerdo con la mecánica cuántica, o más bien, su generalización, la teoría cuántica de campos, puede ocurrir el nacimiento espontáneo de partículas a partir del vacío. En ausencia de campos externos, el par partícula-antipartícula así creado se aniquila y regresa al estado de vacío. Sin embargo, si hay un agujero negro cerca, su campo atraerá a la partícula más cercana. Entonces, de acuerdo con la ley de conservación de la energía-momentum, otra partícula irá a una distancia mayor del agujero negro, llevándose consigo una "dote" - parte de la energía-masa del colapsar (a veces se dice que "la el agujero negro gastó parte de la energía para crear un par", lo cual no es del todo correcto, porque no sobrevive todo el par, sino solo una partícula).

Sea como fuere, como resultado, un observador lejano detectará un chorro de todo tipo de partículas emitidas por un agujero negro, que gastarán su masa en la creación de pares hasta evaporarse por completo, convirtiéndose en una nube de radiación. La temperatura de un agujero negro es inversamente proporcional a su masa, por lo que los más masivos se evaporan más lentamente, porque su tiempo de vida es proporcional al cubo de la masa (en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones). Por ejemplo, el tiempo de vida de un agujero negro con una masa M del orden solar excede la edad del Universo, mientras que un microagujero con M = 1 teraelectronvoltio (10 12 eV, aproximadamente 2 . 10 -30 kg) vive unos 10 -27 segundos.

3. Agujeros negros y singularidades

En la literatura y el cine de ciencia ficción se suele presentar un agujero negro como una especie de Gargantúa cósmica, que devora sin piedad naves voladoras con valientes rubias e incluso planetas enteros. Por desgracia, si los escritores de ciencia ficción supieran un poco más sobre la física moderna, no serían tan injustos con los agujeros negros. El hecho es que los colapsares en realidad protegen al Universo de monstruos mucho más formidables...

Una singularidad es un punto en el espacio en el que su curvatura tiende indefinidamente al infinito; el espacio-tiempo, por así decirlo, se desgarra en este punto. La teoría moderna habla de la existencia de singularidades como un hecho inevitable: desde un punto de vista matemático, las soluciones de ecuaciones que describen singularidades también son iguales en derechos, como todas las demás soluciones que describen los objetos más familiares del Universo que observamos.

Hay, sin embargo, un problema muy serio aquí. El hecho es que para describir los fenómenos físicos, es necesario no solo tener las ecuaciones correspondientes, sino también establecer las condiciones iniciales y de contorno. Entonces, en puntos singulares, estas mismas condiciones no se pueden establecer en principio, lo que hace imposible una descripción predictiva de la dinámica posterior. Y ahora imagina que en una etapa temprana de la existencia del Universo (cuando era lo suficientemente pequeño y denso), se forman muchas singularidades. Entonces, en las regiones que están dentro de los conos de luz de estas singularidades (en otras palabras, causalmente dependientes de ellas), no es posible una descripción determinista. Tenemos un caos absoluto y sin estructura, sin un indicio de causalidad. Además, estas regiones de caos se expanden con el tiempo a medida que evoluciona el universo. Como resultado, ahora la gran mayoría del Universo sería completamente estocástico (aleatorio) y no se podría hablar de ninguna "ley de la naturaleza". Por no hablar de rubias, planetas y otras heterogeneidades como tú y yo.

Afortunadamente, nuestros glotones insaciables salvan la situación. La estructura matemática de las ecuaciones de la teoría fundamental y sus soluciones indica que en situaciones reales, las singularidades espaciales no deberían aparecer por sí mismas, sino exclusivamente dentro de los agujeros negros. ¿Cómo no recordar a los titanes mitológicos que intentaron reinar el Caos en la Tierra, pero fueron derrocados por Zeus y compañía al Tártaro y encarcelados allí para siempre?

Así, los agujeros negros separan las singularidades del resto del universo y no les permiten influir en sus relaciones causales. Este principio de prohibir la existencia de singularidades "desnudas" (en inglés naked), es decir, no rodeadas de un horizonte de sucesos, propuesto por R. Penrose en 1969, se denominó hipótesis de la censura cósmica. Como suele ser el caso con los principios fundamentales, no se ha probado completamente, pero hasta ahora no se han notado violaciones fundamentales: el Censor Cósmico aún no se retirará.

4. "Capacidad de información" de la materia y la teoría de la gran unificación

La teoría cuántica local se ha probado excelentemente en la descripción de todas las interacciones elementales conocidas, excepto la gravitatoria. Entonces, ¿la teoría cuántica fundamental, teniendo en cuenta la relatividad general, también pertenece a este tipo? Si aceptamos esta hipótesis, es fácil demostrar que la cantidad máxima de información S que se puede almacenar en una materia de volumen V es igual a V, medida en unidades de volumen de Planck VP ~ 10 -99 cm 3, hasta un factor que depende de la teoría específica:

S sustancia ~ V. (5)

Sin embargo, esta fórmula entra en conflicto con (4), ya que en las unidades de Planck A es mucho menor que V para los sistemas físicos conocidos (la relación A/V es de aproximadamente 10 -20 para un protón y 10 -41 para la Tierra). Entonces, ¿cuál de las fórmulas es correcta: (4), basada en la relatividad general y las propiedades de los agujeros negros en la aproximación semiclásica, o (5), basada en la extrapolación de la teoría cuántica ordinaria de campos a las escalas de Planck? En la actualidad, existen argumentos muy fuertes a favor del hecho de que la fórmula (5) en lugar de (4) está "muerta".

Esto, a su vez, puede significar que una teoría verdaderamente fundamental de la materia no es simplemente otra modificación de la teoría cuántica de campos formulada "en términos de volumen", sino una cierta teoría que "vive" en una cierta superficie que limita este volumen. La hipótesis se llama principio holográfico, por analogía con el holograma óptico, que, siendo plano, sin embargo da una imagen tridimensional. El principio despertó inmediatamente gran interés, porque la teoría "en la superficie" es algo fundamentalmente nuevo, además, prometiendo una simplificación de la descripción matemática: debido a la disminución de la dimensión espacial en uno, las superficies tienen un número menor de formas geométricas. grados de libertad. La hipótesis holográfica aún no se ha probado por completo, pero ya hay dos confirmaciones generalmente aceptadas: la restricción covariante sobre la entropía de la materia y la correspondencia AdS/CFT.

El primero da una receta para calcular la entropía estadística (4) para el caso general de un cuerpo material, como un cierto valor calculado sobre superficies del mundo similares a la luz ortogonales a la superficie del cuerpo (que el lector inexperto me perdone por esta frase ). Idea general consta de lo siguiente. ¿Qué se debe tomar como medida de entropía en un espacio-tiempo curvo, es decir, cómo calcularla correctamente? Por ejemplo, en el caso de distribuir una pelota en cajas (ver "Detalles para los curiosos"), la medida de la entropía es en realidad el número de cajas, en el caso de un gas ordinario, su volumen dividido por el volumen promedio de la molécula. Pero en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones, el volumen de cualquier cosa no es absoluto (¿recuerdas la contracción de longitudes de Lorentz?). Bueno, el concepto de "caja", entiende, está algo más allá del marco de los conceptos elementales de la ciencia fundamental. En general, es necesario definir la medida de la entropía en términos de conceptos elementales de geometría diferencial que serían covariantes, es decir, cuyos valores cambiarían dependiendo de la posición del observador de forma bien definida.

Sea N una hipersuperficie similar a la luz (cono de luz generalizado) de algún conjunto de puntos espaciales S. En términos generales, N es un conjunto de fotografías S tomadas en intervalos de tiempo infinitesimales. Tomemos dos cortes espaciales N tomados en diferentes momentos (dos "fotos"), llamémoslos S 1 y S 2 . Entonces, el principio de la restricción covariante sobre la entropía de la sustancia en S establece que el flujo de entropía a través de la hipersuperficie N entre las rebanadas S 1 y S 2 es menor que el módulo de la diferencia entre sus áreas dividido por cuatro (hasta una dimensión coeficiente igual a 1 en el sistema de unidades de Planck), o igual a él. Es fácil ver que, en esencia, esta es la misma fórmula (4), solo que formulada más correctamente desde el punto de vista de la geometría.

El segundo, la llamada correspondencia entre el espacio anti-de Sitter (adS) y la teoría de campos conformes (CFT), es una realización de la holografía para algún caso especial de espacios de curvatura negativa constante, estrechamente relacionado con la teoría de cuerdas. La correspondencia establece que una teoría de campo conforme definida en el límite del espacio-tiempo anti-de Sitter (es decir, en un espacio con una dimensión uno menos que la dimensión de adS en sí) es equivalente a la gravedad cuántica dentro del propio anti-de Sitter. De hecho, esta es una correspondencia comprobada entre estados cuánticos de alta energía en CFT y perturbaciones cuánticas del campo gravitatorio en un espacio-tiempo de curvatura negativa constante. No olvide que la teoría de cuerdas es uno de los casos especiales de la teoría de campos conforme bidimensional, por lo que se sugieren aplicaciones de largo alcance. A primera vista, la correspondencia AdS/CFT no es interesante desde el punto de vista de la física: si asumimos que globalmente nuestro Universo es un espacio anti-de Sitter de cuatro dimensiones (adS 4), entonces no puede expandirse, en total desacuerdo. con observaciones astronómicas que se remontan aún más atrás, al Hubble. Sin embargo, se espera que el cumplimiento de AdS/CFT pueda encontrar aplicaciones físicas. Si asumimos que nuestro Universo cuatridimensional (no necesariamente del tipo antidesistido) está incrustado, digamos, en un espacio pentadimensional de curvatura negativa (AdS 5), entonces los llamados modelos cosmológicos de "(membrana) mundos" (ing. brane-world) se obtienen. Entonces matamos dos pájaros de un tiro: (a) el espacio es multidimensional, como predice la teoría de cuerdas, (b) la correspondencia AdS/CFT funciona, es decir, puede usarse para calcular algo. Esto último significa que algunas propiedades del Universo (comprobables experimentalmente) se pueden predecir mediante cálculos directos, y los puntos (a) y (b) se pueden confirmar o refutar experimentalmente.

5. Los agujeros negros y el límite de divisibilidad de la materia

En los albores del siglo pasado, el líder del proletariado mundial, probablemente bajo la impresión de los descubrimientos de Rutherford y Millikan, dio a luz al famoso "el electrón es tan inagotable como el átomo". Este lema colgaba en las aulas de física de casi todas las escuelas de la Unión. Por desgracia, el eslogan de Ilich es tan erróneo como algunas de sus opiniones políticas y económicas. De hecho, "inexhaustibilidad" implica la presencia de una cantidad infinita de información en cualquier volumen arbitrariamente pequeño de materia V. Sin embargo, la información máxima que V puede contener, según (4), está limitada desde arriba.

¿Cómo, entonces, debería manifestarse a nivel físico la existencia de este límite de "capacidad de información"? Comencemos un poco más. ¿Qué son los colisionadores modernos, es decir, los aceleradores de partículas elementales? De hecho, estos son microscopios muy grandes, cuya tarea es aumentar la resolución de longitud Dx. ¿Cómo se puede mejorar la resolución? De la relación de incertidumbre de Heisenberg DxDp = const se deduce que si desea disminuir Dx, debe aumentar el momento p y, en consecuencia, la energía E de las partículas. Y ahora imaginemos que alguien tiene a su disposición un colisionador de poder ilimitado. ¿Será capaz, descubriendo más y más partículas nuevas, de extraer información indefinidamente?

Por desgracia, no: al aumentar continuamente la energía de las partículas que chocan, tarde o temprano se llegará a la etapa en que la distancia entre algunas de las partículas en el área de colisión sea comparable al radio de Schwarzschild correspondiente, lo que conducirá inmediatamente al nacimiento de un agujero negro A partir de este momento, toda la energía será absorbida por él, y no importa cuánto aumentes el poder, ya no recibirás nueva información. Al mismo tiempo, el propio agujero negro comenzará a evaporarse intensamente, devolviendo energía al espacio circundante en forma de corrientes de partículas subatómicas. Así, las leyes de los agujeros negros, unidas a las leyes de la mecánica cuántica, implican inevitablemente la existencia de un límite experimental a la fragmentación de la materia.

En este sentido, alcanzar el umbral del "agujero negro" en los colisionadores del futuro significará inevitablemente el final de la buena vieja física de partículas, al menos en la forma en que se entiende ahora (es decir, como una continua reposición de la museo de partículas elementales con nuevas exhibiciones). Pero en cambio, se abrirán nuevas perspectivas. Los aceleradores ya nos servirán como herramienta para estudiar la gravedad cuántica y la "geografía" de dimensiones adicionales del Universo (contra cuya existencia en este momento hasta ahora no se han presentado argumentos convincentes).

6. ¿Fábricas de agujeros negros en la Tierra?

Entonces, descubrimos que los aceleradores de partículas son, en principio, capaces de producir agujeros negros microscópicos. Pregunta: ¿Qué tipo de energía necesitan desarrollar para recibir al menos un evento de este tipo por mes? Hasta hace poco, se creía que esta energía era extremadamente alta, del orden de 10 16 teraelectronvoltios (a modo de comparación: el LHC no puede producir más de 15 TeV). Sin embargo, si resulta que en escalas pequeñas (menos de 1 mm) nuestro espacio-tiempo tiene más de cuatro dimensiones, el umbral de energía requerida se reduce significativamente y ya se puede alcanzar en el LHC. La razón es que la fuerza gravitacional aumentará cuando entren en juego supuestas dimensiones espaciales extra que no se observan en condiciones normales. Entonces, si la fuerza de atracción gravitatoria habitual entre cuerpos masivos en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos, entonces, en presencia de n dimensiones compactas adicionales, se modifica en Fgrav ~ 1/r (2 + n) en r ? r n , donde r n es el tamaño máximo de estas dimensiones. Entonces, al disminuir r F, la gravedad crece mucho más rápido que según la ley del inverso del cuadrado, y ya a distancias del orden de 10 (-17 + 32/n) centímetros compensa la fuerza de repulsión electrostática. Pero fue precisamente esta energía la causante de la elevada energía de umbral: para vencer las fuerzas de Coulomb y acercar las partículas en colisión a la distancia requerida r = R s , era necesario impartir una mayor energía cinética al haz. partículas En el caso de la existencia de dimensiones adicionales, el crecimiento acelerado de Fgrav ahorra una parte importante de la energía requerida.

Todo lo anterior no significa de ninguna manera que los miniagujeros ya se obtendrán en las instalaciones del LHC; esto sucederá solo con la versión más favorable de la teoría que la Naturaleza "elige". Por cierto, no se debe exagerar su peligro si se obtienen; de acuerdo con las leyes de la física, se evaporarán rápidamente. De lo contrario, el sistema solar habría dejado de existir hace mucho tiempo: durante miles de millones de años, los planetas están siendo bombardeados por partículas cósmicas con energías muchos órdenes de magnitud superiores a las que alcanzan los aceleradores terrestres.

7. Los agujeros negros y la estructura cosmológica del Universo

La teoría de cuerdas y la mayoría de los modelos dinámicos del universo predicen la existencia de un tipo especial de interacción fundamental, el campo escalar global (GSF). En la escala del planeta y del sistema solar, sus efectos son extremadamente pequeños y difíciles de detectar, pero en una escala cosmológica, la influencia de GSP aumenta enormemente, ya que su participación específica en la densidad de energía promedio en el Universo puede superar el 72 por ciento. ! Por ejemplo, determina si nuestro universo se expandirá para siempre o eventualmente se reducirá a un punto. El campo escalar global es uno de los candidatos más probables para el papel de "energía oscura", sobre la que se ha escrito mucho últimamente.

Los agujeros negros aparecen en esta conexión de una manera muy inesperada. Se puede demostrar que la necesidad de su coexistencia con el campo escalar global impone restricciones mutuas sobre las propiedades de los agujeros negros. En particular, la presencia de agujeros negros impone un límite en el límite superior de la constante cosmológica efectiva (el parámetro GSP responsable de la expansión del Universo), mientras que el GSP limita el límite inferior de sus masas (y por lo tanto la entropía y el recíproco). temperatura T -1) a algún valor positivo. En otras palabras, los agujeros negros, siendo "locales" y, según los estándares del Universo, objetos diminutos, sin embargo, por el hecho mismo de su existencia, influyen indirectamente en su dinámica y otras características globales, a través del campo escalar global.

Epílogo

Einstein dijo una vez que la mente humana, una vez "expandida" por una idea brillante, nunca puede retroceder a su estado original. Sonará un poco paradójico, pero el estudio del estado extremadamente comprimido de la materia fue, es y será durante mucho tiempo una de las principales vías e incentivos para ampliar los límites de la inteligencia humana y comprender las leyes fundamentales del universo.

DETALLES PARA CURIOSOS

El concepto de entropía

Según una leyenda, cuando Claude Shannon, el gigante del pensamiento y el padre de la teoría de la información, estaba atormentado por la cuestión de cómo llamar a su concepto recién inventado, le pidió consejo a otro gigante, John von Neumann. La respuesta fue: "Llámalo entropía, entonces obtendrás una sólida ventaja en las discusiones, porque nadie sabe qué es la entropía en principio". Así nació el concepto de entropía de Shannon, que ahora es muy utilizado en la teoría de la información.

Bueno, los niveles de ignorancia pueden ser diferentes, desde la ignorancia total hasta una comprensión profunda de la complejidad del problema. Intentemos mejorar un poco nuestro nivel de ignorancia de la entropía.

La entropía estadística, introducida por Ludwig Boltzmann en 1877, es, en términos generales, una medida del número de estados posibles de un sistema. Supongamos que tenemos dos sistemas formados por cajas y una bola en cada una de ellas. El primer sistema "cajas más pelota" tiene solo 1 caja, el segundo - 100 cajas. Pregunta: ¿en qué casilla está la pelota en cada sistema? Está claro que en el primer sistema puede estar en una sola caja. ¿Recuerdas la fórmula "La entropía es el logaritmo del número de estados posibles"? Entonces la entropía del primer sistema es igual a log1, es decir, cero, lo que refleja el hecho de certeza completa (por cierto, esta es una de las razones por las que se usó el logaritmo en la definición de entropía). En cuanto al segundo sistema, aquí tenemos incertidumbre: la pelota puede estar en cualquiera de las 100 casillas. En este caso, la entropía es igual a log100, es decir, no es igual a cero. Está claro que cuantas más cajas haya en el sistema, mayor será su entropía. Por lo tanto, a menudo se habla de entropía como una medida de incertidumbre, porque nuestras posibilidades de "fijar" la pelota en una caja en particular disminuyen a medida que aumenta su número.

Tenga en cuenta que en este asunto no estamos interesados ​​en propiedades físicas no hay cajas, no hay bola (color, forma, masa, etc.), es decir, la entropía es un concepto de tipo relacional*, universal en su esencia y algunas veces (pero no siempre) dotado de un significado físico específico. Podríamos reemplazar bolas con electrones y cajas con vacantes en un sólido (o incluso algunas categorías abstractas, como, por ejemplo, en la teoría de la información), y el concepto de entropía seguiría siendo aplicable y útil.

La entropía termodinámica, propuesta en 1865 por Rudolf Clausius y, como sabemos por la escuela, dada por la fórmula dS = dQ/T, donde dQ es el aporte de calor al elemento de la materia, T es la temperatura a la que se encuentra, es un caso especial de entropía estadística, válido, por ejemplo, para motores térmicos. Anteriormente se creía que la entropía termodinámica no podía aplicarse a los agujeros negros, pero Bekenstein y Hawking han demostrado que no es así, dada la definición adecuada de los conceptos T y S (ver Capítulo 2).

"Paradojas" de los agujeros negros

Encontré una declaración interesante en Internet. Su autor, Andrey, llamó la atención sobre varios aspectos paradójicos, en su opinión, de la física de los agujeros negros: “En todos los libros sobre agujeros negros […] se dice que el tiempo para que alguien (algo) caiga en un agujero negro es infinito en el marco de referencia, asociado a un observador lejano.Y el tiempo de evaporación de un agujero negro en el mismo marco de referencia es finito, es decir, el que caerá allí no tendrá tiempo de hacerlo, porque el agujero negro ya se ha evaporado […] Si los cuerpos caen en un agujero negro por un tiempo infinito, entonces un cuerpo cercano en masa a un agujero negro también se reducirá a un agujero negro por un tiempo infinito, es decir, todos los agujeros negros […] están ubicados solo en el futuro con respecto a un observador distante y su colapso (compresión) terminará solo después de que haya pasado una cantidad infinita de tiempo […] De esta afirmación se deduce que no hay paradoja informativa: la información simplemente se perderá después de un tiempo infinitamente largo, pero esto no debería preocuparnos, porque esto es fundamentalmente imposible de esperar ... ".

Esta es una ilustración perfecta del principal dilema de la literatura científica popular: al tratar de simplificar la presentación, los autores de los libros se ven obligados a sacrificar un nivel de rigor matemático. Por lo tanto, la frase en la que Andrey basa sus conclusiones, "el tiempo para que alguien (algo) caiga en un agujero negro es infinito en el marco de referencia asociado con un observador distante", en términos generales es incorrecta.

De hecho, la formulación físicamente correcta se ve así: "el tiempo para que alguien (algo) caiga en un agujero negro estático es infinito en el marco de referencia asociado con un observador estático distante". En otras palabras, su aplicabilidad se limita al caso idealizado cuando las características del agujero no cambian en el tiempo (es decir, ciertamente no cuando crece o se evapora), y se supone que cualquier cuerpo que cae es un cuerpo de prueba, lo suficientemente pequeño como para Desprecie los cambios en el agujero causados ​​por su caída.

En las mismas situaciones físicas de las que habla Andrey, tanto el propio agujero como el espacio-tiempo que lo rodea no pueden considerarse estáticos. Como resultado, los observadores estáticos (con respecto al agujero) simplemente no existen como tales. Todos los observadores se mueven y todos son iguales, y "el tiempo de la caída de alguien (algo) en un agujero negro", medido por sus relojes, es finito en sus marcos de referencia o no está definido (por ejemplo, cuando el observador está fuera del cono de luz que cae sobre el agujero del cuerpo).

Aquí está la respuesta corta. Para comprender estas cosas a un nivel más profundo, necesita un aparato matemático serio (establecido, por ejemplo, en el libro de Hawking y Ellis): diagramas de Carter-Penrose, mapeos conformes, topología de variedades y mucho más.

sistemas de unidades

En los sistemas de unidades de medidas físicas, algunas de las unidades se toman como las principales y todas las demás se convierten en derivados de ellas. Entonces, por ejemplo, en el SI, las unidades básicas de la mecánica son el metro, el kilogramo y el segundo. La unidad de fuerza, el newton, tiene la dimensión kg. . m / s 2 - derivado de ellos. El tamaño de las unidades base se elige arbitrariamente; su elección determina la magnitud de los coeficientes en las ecuaciones.

En muchas áreas de la física es más conveniente utilizar los llamados sistemas naturales de unidades. En ellos, las constantes fundamentales se toman como unidades básicas: la velocidad de la luz en el vacío c, la constante gravitacional G, la constante ћ de Planck, la constante k de Boltzmann y otras.

En el sistema natural de unidades de Planck, se acostumbra considerar c = ћ = G = k = 1. El sistema lleva el nombre del físico alemán Max Planck, quien lo propuso en 1899. Se utiliza en cosmología y es especialmente conveniente para describir procesos en los que se observan simultáneamente efectos cuánticos y gravitacionales, por ejemplo, en la teoría de los agujeros negros y la teoría del Universo primitivo.

cono de luz

Cuando un cuerpo se mueve en el espacio desde un punto con coordenadas (x = 0, y = 0) con una velocidad constante v, la gráfica de su coordenada versus tiempo (línea universal) parece una línea recta definida por la ecuación x = vt. Dado que la velocidad del cuerpo no puede ser mayor que la velocidad de la luz, esta línea no se ubica más arriba que la línea x = ct (futuro) ni más abajo que la línea x = _ ct (pasado). Cuando un cuerpo se mueve en el plano (x, y) con una velocidad v, su línea de mundo se escribirá como x 2 + y 2 = (vt) 2, y esta es la ecuación del cono. Por lo tanto, dicen que el cuerpo está ubicado dentro del cono de luz o hipersuperficie similar a la luz. * Por cierto, es por eso que la pregunta "¿Entonces dónde está la entropía, en una bola o en cajas?" sin sentido.

« La ciencia ficción puede ser útil: estimula la imaginación y alivia el miedo al futuro. Sin embargo hechos científicos puede ser mucho más increíble. La ciencia ficción ni siquiera imaginó cosas como los agujeros negros.»
Stephen Hawking

En las profundidades del universo para el hombre se encuentran innumerables misterios y misterios. Uno de ellos son los agujeros negros, objetos que incluso las mentes más grandes de la humanidad no pueden entender. Cientos de astrofísicos están tratando de descubrir la naturaleza de los agujeros negros, pero en este momento ni siquiera hemos probado su existencia en la práctica.

Los directores de cine les dedican sus películas, y entre la gente común, los agujeros negros se han convertido en un fenómeno de culto tal que se los identifica con el fin del mundo y la muerte inminente. Son temidos y odiados, pero al mismo tiempo son idolatrados y se inclinan ante lo desconocido, que estos extraños fragmentos del Universo están llenos. De acuerdo, ser tragado por un agujero negro es ese tipo de romance. Con su ayuda es posible, y ellos también pueden convertirse en guías para nosotros.

La prensa amarilla a menudo especula sobre la popularidad de los agujeros negros. Encontrar titulares en los periódicos relacionados con el fin del mundo en el planeta debido a otra colisión con un agujero negro supermasivo no es un problema. Mucho peor es que la parte analfabeta de la población se toma todo en serio y genera un verdadero pánico. Para aportar algo de claridad, haremos un viaje a los orígenes del descubrimiento de los agujeros negros y trataremos de entender qué es y cómo relacionarnos con él.

estrellas invisibles

Dio la casualidad de que los físicos modernos describen la estructura de nuestro Universo con la ayuda de la teoría de la relatividad, que Einstein proporcionó cuidadosamente a la humanidad a principios del siglo XX. Tanto más misteriosos son los agujeros negros, en cuyo horizonte de eventos dejan de operar todas las leyes de la física que conocemos, incluida la teoría de Einstein. ¿No es maravilloso? Además, la conjetura sobre la existencia de agujeros negros se expresó mucho antes del nacimiento del propio Einstein.

En 1783 se produjo un aumento significativo de la actividad científica en Inglaterra. En aquellos días, la ciencia iba de la mano de la religión, se llevaban bien y los científicos ya no eran considerados herejes. Además, los sacerdotes se dedicaban a la investigación científica. Uno de estos siervos de Dios fue el pastor inglés John Michell, quien se planteó no sólo cuestiones de la vida, sino también tareas bastante científicas. Michell era un científico muy titulado: inicialmente fue profesor de matemáticas y lingüística antigua en una de las universidades, y luego fue admitido en la Royal Society de Londres por una serie de descubrimientos.

John Michell se ocupaba de la sismología, pero en su tiempo libre le gustaba pensar en lo eterno y el cosmos. Fue así como se le ocurrió la idea de que en algún lugar de las profundidades del Universo pueden existir cuerpos supermasivos con una gravedad tan poderosa que para vencer la fuerza gravitatoria de tal cuerpo es necesario moverse a una velocidad igual o igual a superior a la velocidad de la luz. Si aceptamos tal teoría como verdadera, ni siquiera la luz podrá desarrollar la segunda velocidad cósmica (la velocidad necesaria para superar la atracción gravitacional del cuerpo que sale), por lo que dicho cuerpo permanecerá invisible a simple vista.

Michell llamó a su nueva teoría "estrellas oscuras", y al mismo tiempo trató de calcular la masa de tales objetos. Expresó sus pensamientos sobre este asunto en una carta abierta a la Royal Society de Londres. Desafortunadamente, en esos días, tal investigación no era de particular valor para la ciencia, por lo que la carta de Michell fue enviada al archivo. Solo doscientos años después, en la segunda mitad del siglo XX, se encontró entre miles de otros registros cuidadosamente guardados en la antigua biblioteca.

La primera evidencia científica de la existencia de agujeros negros

Después del lanzamiento de la Teoría General de la Relatividad de Einstein, matemáticos y físicos se propusieron seriamente resolver las ecuaciones presentadas por el científico alemán, que se suponía que nos dirían mucho sobre la estructura del Universo. El astrónomo alemán, físico Karl Schwarzschild decidió hacer lo mismo en 1916.

El científico, usando sus cálculos, llegó a la conclusión de que es posible la existencia de agujeros negros. También fue el primero en describir lo que luego se denominó la frase romántica "horizonte de eventos": un límite imaginario del espacio-tiempo en un agujero negro, después de cruzar el cual llega un punto sin retorno. Nada escapa del horizonte de sucesos, ni siquiera la luz. Es más allá del horizonte de eventos que ocurre la llamada “singularidad”, donde las leyes de la física que conocemos dejan de operar.

Continuando con el desarrollo de su teoría y resolviendo ecuaciones, Schwarzschild descubrió nuevos secretos de los agujeros negros para sí mismo y para el mundo. Así pudo calcular, únicamente en papel, la distancia desde el centro de un agujero negro, donde se concentra su masa, hasta el horizonte de sucesos. Schwarzschild llamó a esta distancia el radio gravitacional.

A pesar de que matemáticamente las soluciones de Schwarzschild eran excepcionalmente correctas y no podían ser refutadas, la comunidad científica de principios del siglo XX no pudo aceptar de inmediato un descubrimiento tan impactante, y la existencia de agujeros negros fue descartada como una fantasía, que de vez en cuando. se manifestó en la teoría de la relatividad. Durante los siguientes quince años, el estudio del espacio para la presencia de agujeros negros fue lento, y solo unos pocos seguidores de la teoría del físico alemán se dedicaron a él.

Estrellas que dan a luz a la oscuridad

Después de desarmar las ecuaciones de Einstein, llegó el momento de utilizar las conclusiones extraídas para comprender la estructura del Universo. En particular, en la teoría de la evolución de las estrellas. No es ningún secreto que nada en nuestro mundo dura para siempre. Incluso las estrellas tienen su propio ciclo de vida, aunque más largo que el de una persona.

Uno de los primeros científicos que se interesó seriamente en la evolución estelar fue el joven astrofísico Subramanyan Chandrasekhar, nativo de la India. En 1930 lanzó trabajo científico que describe la supuesta estructura interna estrellas y sus ciclos de vida.

Ya a principios del siglo XX, los científicos adivinaron un fenómeno como la contracción gravitacional (colapso gravitacional). En cierto punto de su vida, una estrella comienza a contraerse a un ritmo tremendo bajo la influencia de las fuerzas gravitatorias. Como regla, esto sucede en el momento de la muerte de una estrella, sin embargo, con un colapso gravitacional, hay varias formas de que la bola al rojo vivo siga existiendo.

El supervisor de Chandrasekhar, Ralph Fowler, un físico teórico respetado en su época, sugirió que durante un colapso gravitacional, cualquier estrella se convierte en una más pequeña y más caliente: una enana blanca. Pero resultó que el estudiante "rompió" la teoría del maestro, que fue compartida por la mayoría de los físicos a principios del siglo pasado. Según el trabajo de un joven hindú, la muerte de una estrella depende de su masa inicial. Por ejemplo, solo aquellas estrellas cuya masa no supere 1,44 veces la masa del Sol pueden convertirse en enanas blancas. Este número se ha denominado límite de Chandrasekhar. Si la masa de la estrella excedió este límite, entonces muere de una manera completamente diferente. Bajo ciertas condiciones, tal estrella en el momento de la muerte puede renacer en una nueva estrella de neutrones, otro misterio del Universo moderno. La teoría de la relatividad, por otro lado, nos dice una opción más: la compresión de una estrella a valores ultrapequeños, y aquí comienza lo más interesante.

En 1932, en uno de revistas científicas aparece un artículo en el que el brillante físico de la URSS Lev Landau sugirió que durante el colapso una estrella supermasiva se comprime en un punto con un radio infinitesimal y una masa infinita. A pesar de que tal evento es muy difícil de imaginar desde el punto de vista de una persona no preparada, Landau no estaba lejos de la verdad. El físico también sugirió que, según la teoría de la relatividad, la gravedad en tal punto sería tan grande que comenzaría a distorsionar el espacio-tiempo.

A los astrofísicos les gustó la teoría de Landau y continuaron desarrollándola. En 1939, en América, gracias a los esfuerzos de dos físicos, Robert Oppenheimer y Hartland Sneijder, apareció una teoría que describe en detalle una estrella supermasiva en el momento del colapso. Como resultado de tal evento, debería haber aparecido un verdadero agujero negro. A pesar de la persuasión de los argumentos, los científicos continuaron negando la posibilidad de la existencia de tales cuerpos, así como la transformación de las estrellas en ellos. Incluso Einstein se distanció de esta idea, creyendo que la estrella no es capaz de transformaciones tan fenomenales. Otros físicos no fueron tacaños en sus declaraciones, llamando ridícula la posibilidad de tales eventos.
Sin embargo, la ciencia siempre llega a la verdad, solo hay que esperar un poco. Y así sucedió.

Los objetos más brillantes del universo.

Nuestro mundo es una colección de paradojas. A veces coexisten en él cosas cuya coexistencia desafía toda lógica. Por ejemplo, el término "agujero negro" no estaría asociado en una persona normal con la expresión "increíblemente brillante", pero el descubrimiento de principios de los años 60 del siglo pasado permitió a los científicos considerar incorrecta esta afirmación.

Con la ayuda de telescopios, los astrofísicos lograron detectar objetos hasta ahora desconocidos en el cielo estrellado, que se comportaban de manera bastante extraña a pesar de que parecían estrellas ordinarias. Al estudiar estas extrañas luminarias, el científico estadounidense Martin Schmidt llamó la atención sobre su espectrografía, cuyos datos mostraron resultados diferentes a los de escanear otras estrellas. En pocas palabras, estas estrellas no eran como las otras a las que estamos acostumbrados.

De repente, Schmidt se dio cuenta y llamó la atención sobre el cambio del espectro en el rango rojo. Resultó que estos objetos están mucho más lejos de nosotros que las estrellas que estamos acostumbrados a ver en el cielo. Por ejemplo, el objeto observado por Schmidt estaba ubicado a dos mil quinientos millones de años luz de nuestro planeta, pero brillaba tan intensamente como una estrella a unos cien años luz de distancia. Resulta que la luz de uno de esos objetos es comparable al brillo de una galaxia entera. Este descubrimiento fue un verdadero avance en la astrofísica. El científico llamó a estos objetos "cuasi-estelares" o simplemente "quasar".

Martin Schmidt continuó estudiando nuevos objetos y descubrió que un brillo tan brillante puede ser causado por una sola razón: la acumulación. La acreción es el proceso de absorción de la materia circundante por un cuerpo supermasivo con la ayuda de la gravedad. El científico llegó a la conclusión de que en el centro de los cuásares hay un enorme agujero negro, que con una fuerza increíble atrae hacia sí la materia que lo rodea en el espacio. En el proceso de absorción de materia por el agujero, las partículas se aceleran a velocidades enormes y comienzan a brillar. La peculiar cúpula luminosa alrededor de un agujero negro se llama disco de acreción. Su visualización quedó bien demostrada en la película "Interstellar" de Christopher Nolan, que dio lugar a muchas preguntas "¿cómo puede brillar un agujero negro?".

Hasta la fecha, los científicos han encontrado miles de cuásares en el cielo estrellado. Estos objetos extraños e increíblemente brillantes se llaman los faros del universo. Nos permiten imaginar un poco mejor la estructura del cosmos y acercarnos al momento en el que todo comenzó.

A pesar de que los astrofísicos han estado obteniendo evidencia indirecta de la existencia de objetos invisibles supermasivos en el Universo durante muchos años, el término "agujero negro" no existió hasta 1967. Para evitar nombres complicados, el físico estadounidense John Archibald Wheeler propuso llamar a estos objetos "agujeros negros". ¿Por que no? Hasta cierto punto son negros, porque no podemos verlos. Además, atraen todo, puedes caer en ellos, como en un agujero real. Y salir de ese lugar de acuerdo con las leyes modernas de la física es simplemente imposible. Sin embargo, Stephen Hawking afirma que al viajar a través de un agujero negro, puedes ingresar a otro Universo, a otro mundo, y esto es esperanza.

Miedo al infinito

Debido al excesivo misterio y romantización de los agujeros negros, estos objetos se han convertido en una verdadera historia de terror entre la gente. A la prensa sensacionalista le encanta especular sobre el analfabetismo de la población, dando historias asombrosas sobre cómo un enorme agujero negro se desplaza hacia nuestra Tierra, que en cuestión de horas se tragará sistema solar, o simplemente irradia ondas de gas tóxico hacia nuestro planeta.

Especialmente popular es el tema de la destrucción del planeta con la ayuda del Gran Colisionador de Hadrones, que se construyó en Europa en 2006 en el territorio del Consejo Europeo de Investigación Nuclear (CERN). La ola de pánico comenzó como una broma estúpida de alguien, pero creció como una bola de nieve. Alguien comenzó el rumor de que se podría formar un agujero negro en el acelerador de partículas del colisionador, que se tragaría nuestro planeta por completo. Por supuesto, la gente indignada comenzó a exigir la prohibición de los experimentos en el LHC, temiendo tal resultado. Las demandas comenzaron a llegar a la Corte Europea exigiendo cerrar el colisionador y que los científicos que lo crearon fueran castigados con todo el peso de la ley.

De hecho, los físicos no niegan que cuando las partículas chocan en el Gran Colisionador de Hadrones, pueden aparecer objetos similares en propiedades a los agujeros negros, pero su tamaño está al nivel de los tamaños de partículas elementales, y tales "agujeros" existen por tan poco tiempo. que ni siquiera podemos registrar su ocurrencia.

Uno de los principales expertos que está tratando de disipar la ola de ignorancia frente a las personas es Stephen Hawking, el famoso físico teórico, quien, además, es considerado un verdadero "gurú" con respecto a los agujeros negros. Hawking demostró que los agujeros negros no siempre absorben la luz que aparece en los discos de acreción, y parte de ella se dispersa en el espacio. Este fenómeno se ha denominado radiación de Hawking o evaporación del agujero negro. Hawking también estableció una relación entre el tamaño de un agujero negro y la tasa de su "evaporación": cuanto más pequeño es, menos existe en el tiempo. Y esto significa que todos los oponentes del Gran Colisionador de Hadrones no deben preocuparse: los agujeros negros no podrán existir ni por una millonésima de segundo.

Teoría no demostrada en la práctica

Desafortunadamente, las tecnologías de la humanidad en esta etapa de desarrollo no nos permiten probar la mayoría de las teorías desarrolladas por astrofísicos y otros científicos. Por un lado, la existencia de agujeros negros se demuestra de manera bastante convincente en papel y se deduce mediante fórmulas en las que todo convergía con todas las variables. Por otro lado, en la práctica, aún no hemos logrado ver un agujero negro real con nuestros propios ojos.

A pesar de todas las discrepancias, los físicos sugieren que en el centro de cada una de las galaxias hay un agujero negro supermasivo, que junta estrellas en cúmulos con su gravedad y te hace viajar por el Universo en una gran y amigable compañía. En nuestra galaxia, la Vía Láctea, según diversas estimaciones, hay de 200 a 400 mil millones de estrellas. Todas estas estrellas giran alrededor de algo que tiene una masa enorme, alrededor de algo que no podemos ver con un telescopio. Lo más probable es que sea un agujero negro. ¿Debería tener miedo? - No, al menos no en los próximos miles de millones de años, pero podemos hacer otra película interesante sobre ella.

Los agujeros negros siempre han sido uno de los objetos de observación más interesantes para los científicos. siendo el mas objetos grandes ubicados en el Universo, son al mismo tiempo inaccesibles e inaccesibles a la humanidad en su totalidad. Pasará mucho tiempo antes de que aprendamos sobre los procesos que ocurren cerca del "punto de no retorno". ¿Qué es un agujero negro en términos de ciencia?

Hablemos de los hechos que, sin embargo, se dieron a conocer a los investigadores como resultado de un largo trabajo..

1. Los agujeros negros en realidad no son negros.

Dado que los agujeros negros irradian ondas electromagnéticas, es posible que no se vean negros, sino bastante coloridos. Y se ve muy impresionante.

2. Los agujeros negros no absorben materia.

Entre los mortales comunes, existe el estereotipo de que un agujero negro es una enorme aspiradora que atrae el espacio circundante hacia sí mismo. No seamos tontos y tratemos de averiguar qué es realmente.

En general (sin entrar en la complejidad de la física cuántica y la investigación astronómica), un agujero negro puede representarse como un objeto cósmico con un campo gravitatorio muy sobreestimado. Por ejemplo, si hubiera un agujero negro del mismo tamaño en lugar del Sol, entonces... no pasaría nada, y nuestro planeta seguiría girando en la misma órbita. Los agujeros negros "absorben" solo partes de la materia de las estrellas en forma de viento estelar inherente a cualquier estrella.

3. Los agujeros negros pueden generar nuevos universos

Por supuesto, este hecho suena como algo sacado de la ciencia ficción, especialmente porque no hay evidencia de la existencia de otros universos. Sin embargo, tales teorías están siendo estudiadas muy de cerca por los científicos.

si hablar lenguaje simple, entonces si al menos una constante física en nuestro mundo cambiara en una pequeña cantidad, perderíamos la posibilidad de existencia. La singularidad de los agujeros negros anula las leyes habituales de la física y puede (al menos en teoría) dar lugar a un nuevo universo que difiere en un sentido u otro del nuestro.

4. Los agujeros negros se evaporan con el tiempo

Como se mencionó anteriormente, los agujeros negros absorben el viento estelar. Además, se evaporan de forma lenta pero segura, es decir, ceden su masa al espacio circundante y luego desaparecen por completo. Este fenómeno fue descubierto en 1974 y recibió el nombre de radiación de Hawking, en honor a Stephen Hawking, quien hizo este descubrimiento al mundo.

5. La respuesta a la pregunta "¿qué es un agujero negro?" fue predicha por Karl Schwarzschild

Como saben, el autor de la teoría de la relatividad asociada con - Albert Einstein. Pero el científico no prestó la debida atención al estudio de los cuerpos celestes, aunque su teoría podía y además predecía la existencia de agujeros negros. Así, Karl Schwarzschild se convirtió en el primer científico en aplicar la teoría general de la relatividad para justificar la existencia de un "punto de no retorno".

Curiosamente, esto sucedió en 1915, justo después de que Einstein publicara su teoría general de la relatividad. Fue entonces cuando apareció el término "radio de Schwarzschild"; en términos generales, esta es la cantidad de fuerza con la que es necesario comprimir un objeto para que se convierta en un agujero negro. Sin embargo, esta no es una tarea fácil. Veamos por qué.

El hecho es que, en teoría, cualquier cuerpo puede convertirse en un agujero negro, pero bajo la influencia de un cierto grado de compresión sobre él. Por ejemplo, una fruta de maní podría convertirse en un agujero negro si tuviera la masa del planeta Tierra...

Dato interesante: los agujeros negros son los únicos cuerpos cósmicos de su tipo que tienen la capacidad de atraer la luz por gravedad.

6. Los agujeros negros deforman el espacio a su alrededor.

Imagina todo el espacio del universo en forma de disco de vinilo. Si le pones un objeto caliente encima, cambiará de forma. Lo mismo sucede con los agujeros negros. Su masa máxima atrae todo, incluidos los rayos de luz, por lo que el espacio que los rodea se curva.

7. Los agujeros negros limitan el número de estrellas en el universo

.... Después de todo, si las estrellas están encendidas -

¿Eso significa que alguien lo necesita?

V. V. Mayakovski

Por lo general, las estrellas completamente formadas son una nube de gases enfriados. La radiación de los agujeros negros no permite que las nubes de gas se enfríen y, por lo tanto, impide la formación de estrellas.

8. Los agujeros negros son las centrales eléctricas más avanzadas.

Los agujeros negros producen más energía que el Sol y otras estrellas. La razón de esto es el asunto que lo rodea. Cuando la materia cruza el horizonte de eventos a gran velocidad, se calienta en la órbita de un agujero negro a una temperatura extremadamente alta. Este fenómeno se denomina radiación de cuerpo negro.

Dato interesante: en el proceso de fusión nuclear, el 0,7% de la materia se convierte en energía. ¡Cerca de un agujero negro, el 10% de la materia se convierte en energía!

9. ¿Qué sucede si caes en un agujero negro?

Los agujeros negros "estiran" los cuerpos que están junto a ellos. Como resultado de este proceso, los objetos comienzan a parecerse a los espaguetis (incluso hay un término especial: "espaguetis" =).

Aunque este hecho pueda parecer cómico, tiene su propia explicación. Esto se debe al principio físico de la fuerza de atracción. Tomemos el cuerpo humano como ejemplo. Mientras estamos en el suelo, nuestras piernas están más cerca del centro de la Tierra que nuestra cabeza, por lo que se atraen con más fuerza. En la superficie de un agujero negro, las piernas son atraídas hacia el centro del agujero negro mucho más rápido y, por lo tanto, la parte superior del cuerpo simplemente no puede seguirles el ritmo. Conclusión: ¡espaguetización!

10. En teoría, cualquier objeto puede convertirse en un agujero negro

E incluso el sol. Lo único que no permite que el sol se convierta en un cuerpo completamente negro es la fuerza de la gravedad. En el centro de un agujero negro, es muchas veces más fuerte que en el centro del Sol. En este caso, si nuestra luminaria se comprimiera a cuatro kilómetros de diámetro, bien podría convertirse en un agujero negro (debido a la gran masa).

Pero eso es en teoría. En la práctica, se sabe que los agujeros negros aparecen solo como resultado del colapso de estrellas súper grandes, que superan la masa del Sol entre 25 y 30 veces.

11. Los agujeros negros ralentizan el tiempo cerca de ellos.

La tesis principal de este hecho es que a medida que nos acercamos al horizonte de sucesos, el tiempo se ralentiza. Este fenómeno se puede ilustrar utilizando la "paradoja de los gemelos", que a menudo se utiliza para explicar las disposiciones de la teoría de la relatividad.

La idea principal es que uno de los hermanos gemelos vuela al espacio, mientras que el otro permanece en la Tierra. Al regresar a casa, el gemelo se encuentra con que su hermano ha envejecido más que él, pues al moverse a una velocidad cercana a la de la luz, el tiempo comienza a ir más lento.

Un agujero negro es el resultado del colapso de una estrella supermasiva, cuyo núcleo se queda sin "combustible" para una reacción nuclear. A medida que avanza la contracción, la temperatura del núcleo aumenta y los fotones con una energía de más de 511 keV, chocando, forman pares de electrones y positrones, lo que conduce a una disminución catastrófica de la presión y un mayor colapso de la estrella bajo la influencia de su propia gravedad.

El astrofísico Ethan Siegel publicó el artículo "El agujero negro más grande del universo conocido" en el que recopiló información sobre la masa de los agujeros negros en diferentes galaxias. Solo me preguntaba: ¿dónde está el más masivo de ellos?

Dado que los cúmulos de estrellas más densos se encuentran en el centro de las galaxias, ahora casi todas las galaxias tienen un agujero negro masivo en el centro, formado después de la fusión de muchas otras. Por ejemplo, en el centro de la Vía Láctea hay un agujero negro con una masa de alrededor del 0,1% de nuestra galaxia, es decir, 4 millones de veces la masa del Sol.

Es muy fácil determinar la presencia de un agujero negro estudiando la trayectoria del movimiento de las estrellas, que se ven afectadas por la gravedad de un cuerpo invisible.

Pero la Vía Láctea es una galaxia relativamente pequeña que no puede tener el agujero negro más grande. Por ejemplo, no muy lejos de nosotros, en el cúmulo de Virgo, se encuentra la galaxia gigante Messier 87, unas 200 veces más grande que la nuestra.

Entonces, una corriente de materia de unos 5000 años luz de largo brota del centro de esta galaxia (en la foto). Es una anomalía loca, escribe Ethan Siegel, pero se ve muy bien.

Los científicos creen que la única explicación para tal "erupción" desde el centro de la galaxia puede ser un agujero negro. El cálculo muestra que la masa de este agujero negro es unas 1500 veces mayor que la masa de un agujero negro de la Vía Láctea, es decir, aproximadamente 6.600 millones de masas solares.

Pero, ¿dónde está el agujero negro más grande del universo? Si partimos del cálculo de que en el centro de casi todas las galaxias hay un objeto con una masa del 0,1% de la masa de la galaxia, entonces necesitamos encontrar la galaxia más masiva. Los científicos también pueden responder a esta pregunta.

La galaxia más masiva que conocemos es IC 1101 en el centro del cúmulo Abell 2029, que está 20 veces más lejos de la Vía Láctea que el cúmulo de Virgo.

En IC 1101, la distancia desde el centro hasta el borde más lejano es de unos 2 millones de años luz. Su tamaño es el doble de la distancia de la Vía Láctea a nuestra galaxia más cercana, Andrómeda. ¡La masa es casi igual a la masa de todo el cúmulo de Virgo!

Si hay un agujero negro en el centro de IC 1101 (y debería haberlo), entonces podría ser el más masivo del Universo conocido.

Ethan Siegel dice que podría estar equivocado. La razón está en la galaxia única NGC 1277. Esto no es demasiado gran galaxia un poco más pequeño que el nuestro. Pero el análisis de su rotación mostró un resultado increíble: el agujero negro en el centro tiene 17 mil millones de masas solares, y esto ya es el 17% de la masa total de la galaxia. Este es un récord para la relación entre la masa de un agujero negro y la masa de una galaxia.

Hay otro candidato para el agujero negro más grande del universo conocido. Se muestra en la siguiente foto.

El extraño objeto OJ 287 se llama blazar. Los blazars son una clase especial de objetos extragalácticos, una especie de cuásares. Se distinguen por una radiación muy poderosa, que en el DO 287 cambia con un ciclo de 11-12 años (con un doble pico).

Según los astrofísicos, OJ 287 incluye un agujero negro central supermasivo que orbita alrededor de otro agujero negro más pequeño. Con 18 mil millones de masas solares, el agujero negro central es el más grande conocido hasta la fecha.

Este par de agujeros negros será uno de los mejores experimentos para probar la teoría de la relatividad general, es decir, la deformación del espacio-tiempo, descrita en la relatividad general.

Debido a los efectos relativistas, el perihelio del agujero negro, es decir, el punto de la órbita más cercano al centro del agujero negro, ¡debe moverse 39° por revolución! En comparación, el perihelio de Mercurio se ha desplazado solo 43 segundos de arco por siglo.



AGUJERO NEGRO
una región en el espacio que resulta del colapso gravitacional completo de la materia, en la cual la atracción gravitatoria es tan fuerte que ni la materia, ni la luz, ni otros portadores de información pueden salir de ella. Por lo tanto, el interior de un agujero negro no tiene relación causal con el resto del universo; Los procesos físicos que ocurren dentro de un agujero negro no pueden afectar los procesos fuera de él. Un agujero negro está rodeado por una superficie con la propiedad de una membrana unidireccional: la materia y la radiación caen libremente a través de ella hacia el agujero negro, pero nada puede escapar de él. Esta superficie se denomina "horizonte de sucesos". Dado que hasta ahora solo hay indicios indirectos de la existencia de agujeros negros a distancias de miles de años luz de la Tierra, nuestra presentación adicional se basa principalmente en resultados teóricos. Los agujeros negros, predichos por la teoría de la relatividad general (la teoría de la gravedad propuesta por Einstein en 1915) y otras teorías de la gravedad más modernas, fueron fundamentados matemáticamente por R. Oppenheimer y H. Snyder en 1939. Pero las propiedades del espacio y el tiempo en la vecindad de estos objetos resultó ser tan inusual que los astrónomos y físicos no los tomaron en serio durante 25 años. Sin embargo, los descubrimientos astronómicos a mediados de la década de 1960 nos obligaron a considerar los agujeros negros como una posible realidad física. Su descubrimiento y estudio puede cambiar fundamentalmente nuestra comprensión del espacio y el tiempo.
Formación de agujeros negros. Si bien las reacciones termonucleares tienen lugar en el interior de la estrella, mantienen altas temperaturas y presiones, lo que evita que la estrella colapse bajo la influencia de su propia gravedad. Sin embargo, con el tiempo, el combustible nuclear se agota y la estrella comienza a encogerse. Los cálculos muestran que si la masa de la estrella no supera las tres masas solares, ganará la "batalla contra la gravedad": su colapso gravitacional será detenido por la presión de la materia "degenerada", y la estrella se convertirá para siempre en una enana blanca. o estrella de neutrones. Pero si la masa de una estrella es más de tres solares, entonces nada puede detener su colapso catastrófico y rápidamente pasará por debajo del horizonte de eventos, convirtiéndose en un agujero negro. Para un agujero negro esférico de masa M, el horizonte de sucesos forma una esfera con una circunferencia ecuatorial 2p veces mayor que el "radio gravitatorio" del agujero negro RG = 2GM/c2, donde c es la velocidad de la luz y G es la constante gravitatoria. Un agujero negro con una masa de 3 masas solares tiene un radio gravitatorio de 8,8 km.

Si un astrónomo observa una estrella en el momento de su transformación en un agujero negro, al principio verá cómo la estrella se contrae cada vez más rápido, pero a medida que su superficie se acerca al radio gravitacional, la compresión se ralentiza hasta detenerse por completo. Al mismo tiempo, la luz proveniente de la estrella se debilitará y se volverá roja hasta apagarse por completo. Esto se debe a que en la lucha contra la gigantesca fuerza de la gravedad, la luz pierde energía y cada vez tarda más en llegar al observador. Cuando la superficie de la estrella alcance el radio gravitacional, la luz que se escapa de ella tardará un tiempo infinito en llegar al observador (y al hacerlo, los fotones perderán por completo su energía). En consecuencia, el astrónomo nunca esperará este momento, y mucho menos verá qué sucede con la estrella debajo del horizonte de eventos. Pero teóricamente, este proceso puede ser estudiado. El cálculo de un colapso esférico idealizado muestra que para un tiempo corto la estrella se encoge hasta un punto donde se alcanzan valores infinitamente altos de densidad y gravedad. Tal punto se llama una "singularidad". Además, el análisis matemático general muestra que si ha surgido un horizonte de sucesos, incluso un colapso no esférico conduce a una singularidad. Sin embargo, todo esto es cierto solo si la teoría general de la relatividad es aplicable a escalas espaciales muy pequeñas, de las que aún no estamos seguros. Las leyes cuánticas operan en el micromundo y la teoría cuántica de la gravedad aún no se ha creado. Está claro que los efectos cuánticos no pueden evitar que una estrella se colapse en un agujero negro, pero podrían evitar la aparición de una singularidad. La teoría moderna de la evolución estelar y nuestro conocimiento de la población estelar de la Galaxia indican que entre sus 100 mil millones de estrellas debería haber unos 100 millones de agujeros negros formados durante el colapso de las estrellas más masivas. Además, los agujeros negros de masa muy grande se pueden ubicar en los núcleos de las grandes galaxias, incluida la nuestra. Como ya se señaló, en nuestra era, solo una masa de más de tres veces la del sol puede convertirse en un agujero negro. Sin embargo, inmediatamente después del Big Bang, del cual ca. Hace 15 mil millones de años comenzó la expansión del Universo, podían nacer agujeros negros de cualquier masa. El más pequeño de ellos, debido a efectos cuánticos, debería haberse evaporado, perdiendo su masa en forma de radiación y flujos de partículas. Pero los "agujeros negros primordiales" con una masa de más de 1015 g podrían sobrevivir hasta el día de hoy. Todos los cálculos del colapso estelar se realizan asumiendo una ligera desviación de la simetría esférica y muestran que el horizonte de sucesos siempre se forma. Sin embargo, con una fuerte desviación de la simetría esférica, el colapso de una estrella puede conducir a la formación de una región con una gravedad infinitamente fuerte, pero no rodeada por un horizonte de sucesos; se llama la "singularidad desnuda". Ya no es un agujero negro en el sentido que discutimos anteriormente. Las leyes físicas cercanas a una singularidad desnuda pueden tomar una forma muy inesperada. Actualmente, una singularidad desnuda se considera un objeto improbable, mientras que la mayoría de los astrofísicos creen en la existencia de agujeros negros.
Propiedades de los agujeros negros. Para un observador externo, la estructura de un agujero negro parece extremadamente simple. En el proceso de colapso de una estrella en un agujero negro en una pequeña fracción de segundo (según el reloj de un observador distante), todas sus características externas asociadas con la falta de homogeneidad de la estrella original se irradian en forma de radiación gravitacional y electromagnética. ondas. El agujero negro estacionario resultante "olvida" toda la información sobre la estrella original, excepto tres cantidades: masa total, momento angular (relacionado con la rotación) y carga eléctrica. Al estudiar un agujero negro, ya no es posible saber si la estrella original consistía en materia o antimateria, si tenía forma de cigarro o de panqueque, etc. En condiciones astrofísicas reales, un agujero negro cargado atraerá partículas de signo opuesto del medio interestelar, y su carga se convertirá rápidamente en cero. El objeto estacionario restante será un "agujero negro de Schwarzschild" no giratorio, que se caracteriza solo por la masa, o un "agujero negro de Kerr" giratorio, que se caracteriza por la masa y el momento angular. W. Israel, B. Carter, S. Hawking y D. Robinson demostraron la singularidad de los tipos anteriores de agujeros negros estacionarios en el marco de la teoría general de la relatividad. Según la teoría general de la relatividad, el espacio y el tiempo están curvados por el campo gravitatorio de los cuerpos masivos, y la mayor curvatura se produce cerca de los agujeros negros. Cuando los físicos hablan de intervalos de tiempo y espacio, se refieren a números que se leen en cualquier regla o reloj físico. Por ejemplo, el papel de un reloj puede ser desempeñado por una molécula con una cierta frecuencia de oscilaciones, cuyo número entre dos eventos puede denominarse "intervalo de tiempo". Sorprendentemente, la gravedad actúa en todos los sistemas físicos de la misma manera: todos los relojes muestran que el tiempo se está desacelerando y todas las reglas muestran que el espacio se está extendiendo cerca de un agujero negro. Esto significa que un agujero negro está doblando la geometría del espacio y el tiempo a su alrededor. Lejos del agujero negro, esta curvatura es pequeña, pero cerca de él es tan grande que los rayos de luz pueden moverse a su alrededor en un círculo. Lejos de un agujero negro, la teoría de Newton describe exactamente su campo gravitatorio para un cuerpo de la misma masa, pero cerca de él, la gravedad se vuelve mucho más fuerte de lo que predice la teoría de Newton. Cualquier cuerpo que caiga en un agujero negro será desgarrado mucho antes de cruzar el horizonte de eventos por las poderosas fuerzas gravitatorias de marea que surgen de la diferencia de atracción a diferentes distancias del centro. Un agujero negro siempre está listo para absorber materia o radiación, aumentando así su masa. Su interacción con el mundo exterior está determinada por un simple principio de Hawking: el área del horizonte de eventos de un agujero negro nunca disminuye, si no se tiene en cuenta la producción cuántica de partículas. J. Bekenstein en 1973 sugirió que los agujeros negros obedecen las mismas leyes físicas que los cuerpos físicos que emiten y absorben radiación (el modelo del "cuerpo negro"). Influenciado por esta idea, Hawking en 1974 demostró que los agujeros negros pueden emitir materia y radiación, pero esto solo se notará si la masa del agujero negro en sí es relativamente pequeña. Tales agujeros negros podrían nacer inmediatamente después del Big Bang, que inició la expansión del Universo. Las masas de estos agujeros negros primarios no deben superar los 1015 g (como un pequeño asteroide) y entre 10 y 15 m de tamaño (como un protón o un neutrón). Un poderoso campo gravitatorio cerca de un agujero negro da lugar a pares de partículas y antipartículas; una de las partículas de cada par es absorbida por el agujero, y la segunda es emitida al exterior. Un agujero negro con una masa de 1015 g debería comportarse como un cuerpo con una temperatura de 1011 K. La idea de "evaporación" de los agujeros negros contradice completamente la idea clásica de que son cuerpos que no pueden irradiar.
Búsqueda de agujeros negros. Los cálculos en el marco de la teoría general de la relatividad de Einstein indican solo la posibilidad de la existencia de agujeros negros, pero de ninguna manera prueban su presencia en el mundo real; el descubrimiento de un agujero negro real sería un paso importante en el desarrollo de la física. La búsqueda de agujeros negros aislados en el espacio es desesperadamente difícil: no podremos detectar un pequeño objeto oscuro contra la negrura del espacio. Pero hay esperanza de detectar un agujero negro por su interacción con los cuerpos astronómicos circundantes, por su característica influencia sobre ellos. Los agujeros negros supermasivos pueden estar en el centro de las galaxias, devorando continuamente estrellas allí. Concentrándose alrededor del agujero negro, las estrellas deberían formar picos centrales de brillo en los núcleos de las galaxias; su búsqueda ahora está en marcha. Otro método de búsqueda es medir la velocidad de las estrellas y el gas alrededor de un objeto central en la galaxia. Si se conoce su distancia desde el objeto central, entonces se puede calcular su masa y densidad promedio. Si supera significativamente la densidad posible para los cúmulos estelares, entonces se cree que se trata de un agujero negro. De esta forma, en 1996, J. Moran y sus colegas determinaron que en el centro de la galaxia NGC 4258 probablemente exista un agujero negro con una masa de 40 millones de masas solares. La más prometedora es la búsqueda de un agujero negro en sistemas binarios, donde, emparejado con una estrella normal, puede girar alrededor de un centro de masa común. A partir del desplazamiento Doppler periódico de las líneas en el espectro de una estrella, se puede entender que está emparejada con un determinado cuerpo e incluso estimar la masa de este último. Si esta masa supera las 3 masas solares, y no es posible notar la radiación del propio cuerpo, entonces es muy posible que se trate de un agujero negro. En un sistema binario compacto, un agujero negro puede capturar gas de la superficie de una estrella normal. Moviéndose en órbita alrededor del agujero negro, este gas forma un disco y, acercándose al agujero negro en espiral, se vuelve muy caliente y se convierte en una fuente de potentes rayos X. Las fluctuaciones rápidas en esta radiación deberían indicar que el gas se está moviendo rápidamente en una órbita de radio pequeño alrededor de un objeto masivo diminuto. Desde la década de 1970, se han descubierto varias fuentes de rayos X en sistemas binarios con claros indicios de la presencia de agujeros negros. El más prometedor es el binario de rayos X V 404 Cygnus, cuya masa del componente invisible se estima en no menos de 6 masas solares. Otros candidatos notables a agujeros negros se encuentran en los binarios de rayos X Cygnus X-1, LMCX-3, V 616 Monocerotis, QZ Chanterelles y las novas de rayos X Ophiuchus 1977, Mukha 1981 y Scorpio 1994. A excepción de LMCX-3, ubicado en la Gran Nube de Magallanes, todos ellos se encuentran en nuestra Galaxia a distancias del orden de los 8000 al. años de la Tierra.
ver también
COSMOLOGÍA;
GRAVEDAD ;
COLAPSO GRAVITACIONAL;
RELATIVIDAD ;
ASTRONOMÍA EXTRAATMOSFÉRICA.
LITERATURA
Cherepashchuk A.M. Masas de agujeros negros en sistemas binarios. éxitos Ciencias fisicas, v. 166, pág. 809, 1996

Enciclopedia Collier. - Sociedad abierta. 2000 .

Sinónimos:

Vea qué es "AGUJERO NEGRO" en otros diccionarios:

AGUJERO NEGRO, zona localizada del espacio exterior de la que no puede escapar ni la materia ni la radiación, es decir, la primera velocidad espacial supera a la velocidad de la luz. El límite de esta región se denomina horizonte de sucesos. Diccionario enciclopédico científico y técnico.

Espacio un objeto resultante de la compresión de un cuerpo por la gravedad. fuerzas hasta tamaños menores que su radio gravitacional rg=2g/c2 (donde M es la masa del cuerpo, G es la constante gravitacional, c es el valor numérico de la velocidad de la luz). Predicción sobre la existencia en ... ... Enciclopedia Física

Exist., número de sinónimos: 2 estrellas (503) desconocido (11) Diccionario de sinónimos ASIS. VN Trishin. 2013... Diccionario de sinónimos