Недавняя статья Стивена Хокинга вызвала настоящий ажиотаж, даже ведущие Nature News заявили, что черных дыр нет. Как я писал в предыдущем посте, это не совсем то, что утверждал Хокинг. Но теперь ясно, что утверждение Хокинга о черных дырах неверно, потому что парадокс, который он пытается решить, в конце концов, не парадокс.
Все сводится к тому, что известно как парадокс брандмауэра для черных дыр. Центральная особенность черной дыры - ее горизонт событий. Горизонт событий черной дыры - это точка невозврата при приближении к черной дыре. В теории относительности Эйнштейна горизонт событий - это место, где пространство и время настолько искажены гравитацией, что вы никогда не сможете избежать этого. Пересечь горизонт событий, и вы навсегда в ловушке.
Эта односторонняя природа горизонта событий долгое время была проблемой для понимания гравитационной физики. Например, горизонт событий черной дыры, по-видимому, нарушает законы термодинамики. Одним из принципов термодинамики является то, что ничто не должно иметь температуру абсолютного нуля. Даже очень холодные вещи излучают немного тепла, но если черная дыра задерживает свет, она не выделяет тепла. Таким образом, черная дыра будет иметь нулевую температуру, что не может быть возможным.
Затем в 1974 году Стивен Хокинг продемонстрировал, что черные дыры излучают свет благодаря квантовой механике. В квантовой теории есть пределы тому, что можно знать об объекте. Например, вы не можете знать точную энергию объекта. Из-за этой неопределенности энергия системы может самопроизвольно колебаться, пока ее среднее значение остается постоянным. Хокинг продемонстрировал, что вблизи горизонта событий черной дыры могут появляться пары частиц, где одна частица попадает в ловушку внутри горизонта событий (слегка уменьшая массу черных дыр), в то время как другая может улетать в виде излучения (унося немного энергия черной дыры).
В то время как излучение Хокинга решило одну проблему с черными дырами, оно создало еще одну проблему, известную как парадокс брандмауэра. Когда квантовые частицы появляются парами, они запутаны, что означает, что они связаны квантовым способом. Если одна частица захвачена черной дырой, а другая убегает, то запутанная природа пары нарушается. В квантовой механике мы бы сказали, что пара частиц появляется в чистом состоянии, и горизонт событий, казалось бы, нарушает это состояние.
В прошлом году было показано, что если излучение Хокинга находится в чистом состоянии, то оно либо не может излучать так, как этого требует термодинамика, либо создаст брандмауэр из частиц высокой энергии вблизи поверхности горизонта событий. Это часто называют парадоксом межсетевого экрана, потому что согласно общей теории относительности, если вы оказались рядом с горизонтом событий черной дыры, вы не должны замечать ничего необычного. Фундаментальная идея общей теории относительности (принцип эквивалентности) требует, чтобы, если вы свободно падаете к горизонту событий, не было бушующего брандмауэра из частиц высокой энергии. В своей статье Хокинг предложил решение этого парадокса, предложив, чтобы у черных дыр не было горизонтов событий. Вместо этого у них есть очевидные горизонты, которым не требуется брандмауэр для соблюдения термодинамики. Отсюда и декларация «больше нет черных дыр» в популярной прессе.
Но парадокс брандмауэра возникает только в том случае, если излучение Хокинга находится в чистом состоянии, а статья Сабины Хоссенфельдер, опубликованная в прошлом месяце, показывает, что излучение Хокинга не находится в чистом состоянии. В своей статье Хоссенфельдер показывает, что радиация Хокинга происходит не из-за пары запутанных частиц, а из-за двух пар запутанных частиц. Одна запутанная пара попадает в ловушку черной дыры, а другая запутанная пара убегает. Процесс аналогичен первоначальному предложению Хокинга, но частицы Хокинга не находятся в чистом виде.
Так что тут нет парадокса. Черные дыры могут излучать таким образом, который согласуется с термодинамикой, а область вблизи горизонта событий не имеет брандмауэра, как того требует общая теория относительности. Таким образом, предложение Хокинга является решением проблемы, которой не существует.
То, что я представил здесь, это очень грубый обзор ситуации. Я размышлял над некоторыми из более тонких аспектов. Для более подробного (и удивительно четкого) обзора ознакомьтесь с постом Этана Зигеля в своем блоге «Начинается на ура!» Также ознакомьтесь с постом в блоге Сабины Хоссенфельдер «Обратная реакция», где она сама рассказывает о проблеме.
