Обладают ли черные дыры квантовыми свойствами?

Обладают ли черные дыры квантовыми свойствами? Результаты нового исследования показали, что черные дыры обладают квантовыми свойствами. Но что это означает? Фото

Результаты нового исследования показали, что черные дыры обладают квантовыми свойствами. Но что это означает?

Черные дыры – одни из самых загадочных объектов на просторах Вселенной. И хотя физики давно догадывались об их существовании, статус реальных космических обитателей черные дыры получили несколько лет назад. Открытие гравитационных волн в 2017 году и первый снимок черной дыры (2019 год) ознаменовали собой новую эру космических исследований – в самом ближайшем будущем мы узнаем много нового о Вселенной и существующих на ее просторах объектах. Так, недавно в журнале Physical Review Letters вышла статья, авторы которой утверждают что эти космические монстры обладают уникальными и причудливыми квантовыми свойствами. Новое исследование имеет отношение к теории квантовой гравитации – одной из нерешенных загадок современной науки. В основе работы лежит компьютерное моделирование – с его помощью физики обнаружили что черные дыры обладают свойствами, характерными для квантовых частиц. Удивительно, но исследователи полагают, что эти космические монстры могут быть одновременно маленькими и большими, тяжелыми и легкими, мертвыми и живыми.

В общей теории относительности Эйнштейна нет частиц — есть только пространство-время. А в Стандартной модели физики элементарных частиц нет гравитации, есть только частицы. И это – главная проблема современной науки, так как обе теории противоречат друг другу, хотя прекрасно работают по отдельности.

В поисках квантовой гравитации

Согласно квантовой теории наш мир состоит из невидимых частиц, постоянно взаимодействующих между собой и обладающих разными свойствами. Но вот что особенно интересно – законам квантовой механики подчиняются все фундаментальные силы Вселенной, за исключением самой важной из них – гравитации. Увы, но многолетние попытки «вписать» гравитацию в квантовую теорию не увенчались успехом, впрочем, как и создание «теории всего».

Считается, что «теория всего» призвана объяснить устройство Вселенной и законы, по которым в ней все устроено. Физики, однако, до сих пор не знают что именно представляет собой главная сила во Вселенной. Некоторые исследователи полагают, что гравитация обладает квантовым свойствами и состоит из субатомных частиц – так называемых гравитонов, обнаружить которые до сих пор не удалось.

В поисках квантовой гравитации. Гравитон — гипотетическая безмассовая элементарная частица гравитации. Фото

Гравитон — гипотетическая безмассовая элементарная частица гравитации

Вопросы также вызывает квантовая запутанность – явление при котором две субатомные частицы остаются неразрывно связаны вне зависимости от того, как далеко находятся друг от друга. Эту связь Альберт Эйнштейн называл «сверхъестественной» и сомневался в ней до последнего.

Подробнее о том что представляет собой этот удивительный феномен можно прочитать здесь. Уверены, вам понравится!

Так как все вокруг состоит из квантов, способных вести себя и как частица и как волна, существование гравитонов может доказать квантовую природу главной силы во Вселенной. Проблема заключается в том, что гравитация чрезвычайно слаба. Более того, для непосредственного наблюдения едва ощутимого воздействия гравитона на материю, потребуется массивный специальный детектор, способный сам образовать черную дыру (очевидно, о его создании говорить бессмысленно).

В поисках квантовой гравитации. Моделирование показало, что черная дыра демонстрировала признаки квантовой суперпозиции, то есть способность существовать сразу в нескольких состояниях. Фото

Моделирование показало, что черная дыра демонстрировала признаки квантовой суперпозиции, то есть способность существовать сразу в нескольких состояниях

К счастью, поиски гравитона можно продолжать и без супер детектора – в работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, физики рассказали о новой компьютерной модели, способной определить квантовые свойства черных дыр и больше узнать об устройстве Вселенной.

Еще больше интересных статей о новейших астрономических открытиях читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен – там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!

Квантовая суперпозиция и черные дыры

Физики из университета Квинсленда разработали математическую модель, поместив смоделированную квантовую частицу рядом с гигантской черной дырой. Полученные результаты показали, что черная дыра демонстрирует признаки квантовой суперпозиции – способности частиц существовать сразу в нескольких состояниях одновременно. Так, компьютерная черная дыра оказалась одновременно и массивной и нет (прямо как знаменитый кот Шредингера).

Квантовая суперпозиция и черные дыры. Черные дыры могут обладать квантовыми свойствами, являясь своего рода «котами Шредингера». Фото

Черные дыры могут обладать квантовыми свойствами, являясь своего рода «котами Шредингера»

Это интересно
Нобелевский лауреат по физике 1933 года Эдвин Шредингер своим экспериментов хотел продемонстрировать абсурдность квантовой теории, поскольку она предполагает, что кошка, запертая в ящике, может быть одновременно мертвой. Этот вывод базируется на поведении атомов.

Результаты также подтверждают предположения физика-теоретика Джейкоба Бекенштейна о том, что масса черных дыр может быть только определенного значения в определенный момент времени. Напомним, что субатомные частицы способны существовать в нескольких состояниях одновременно – но лишь до момента взаимодействия с внешним миром. А оно, к слову, является результатом измерения или наблюдения, которое переводит частицу в одно из возможных состояний.

До сих пор никто не вдавался в квантовую природу черных дыр. Но если попытаться выяснить какой является структура сингулярности в центре черной дыры, наши выводы очень важны, — пишут авторы исследования.

Новое открытие также означает, что ткань пространства-времени вокруг сингулярности искривляется до бесконечности. По этой причине законы физики в том виде, в каком мы их знаем, попросту не работают. Выходит подобно коту Шредингера масса черной дыры может быть как огромной, так и нулевой одновременно.

Квантовая суперпозиция и черные дыры. Существование черных дыр удалось доказать несколько лет назад. Фото

Существование черных дыр удалось доказать несколько лет назад

Вам будет интересно: Наша Вселенная – это голограмма? И при чем тут черные дыры?

Необходимо отметить, что свежий взгляд на природу этих таинственных объектов в будущем поможет понять что именно происходит внутри черной дыры. И как бы фантастично не выглядели такие эксперименты, они могут привести к самым неожиданным открытиям. Хорошим примером является основополагающая работа Стивена Хокинга об излучении черных дыр, подробнее можно прочитать здесь.

За горизонтом событий

Так как внимание к фундаментальной роли квантовых частиц в возникновении пространства-времени растет, наши представления о природе Вселенной меняются. Еще совсем недавно считалось что черные дыры не вращаются, а сингулярность – бесконечно плотная точка коллапсирующий материи (это слово используется для описания точки, которая бесконечно мала и бесконечно плотна).

Но так как черные дыры вращаются, современные модели предполагают что их сингулярности представляют собой бесконечно тонкие кольца. И если горизонт событий мы хорошо себе представляем, о сингулярности почти ничего неизвестно (и мы не представляем как она выглядит).

Больше по теме: Как кротовые норы помогают решить информационный парадокс черных дыр?

За горизонтом событий. В 2017 году физики доказали существование гравитационных волн, распространившихся в результате столкновения двух сверхмассивных черных дыр. Фото

В 2017 году физики доказали существование гравитационных волн, распространившихся в результате столкновения двух сверхмассивных черных дыр

Поскольку черные дыры — это абсолютная граница между тем, что мы знаем, и тем, чего не знаем, их истинная природа остается для нас загадкой. По этой причине миру необходимы новые необычные исследования, способные бросить вызов устоявшимся представлениям о Вселенной. В конечном итоге изучение черных дыр может примирить ОТО и квантовую механику, став основой единой «теории всего».

Считается, что в сингулярности ткань пространства-времени изгибается до бесконечности, а законы физики — в том виде, в каком мы их понимаем — нарушаются.

Среди наиболее интересных предположений о содержимом черных дыр можно выделить червоточины – туннели в пространстве-времени, которые могут являться порталами в другие миры и измерения. Подробнее о том, могут ли черные дыры соединять разные Вселенные мы рассказывали ранее, не пропустите!

Есть ли у нашей Вселенной зеркальный двойник?

Теория зеркальной вселенной вновь набирает популярность среди космологов

Сегодня теория множественности миров является частью массовой культуры и постоянно присутствует в фильмах и сериалах. При этом Мультивселенная не выдумка фантастов – в ее основе лежат научные теории, описывающие устройство нашего мира. Наиболее популярной является теория инфляции, согласно которой Вселенная начала расширяться после Большого взрыва, а ее свойства объясняет структура и распределение галактик. Профессор Стэндфордского университета Андрей Линде является сторонником теории Мультиверса. Он отмечает, что наше понимание реальности неполное, а существование параллельных вселенных невозможно подтвердить экспериментально (по крайней мере пока). Но что, если посмотреть на Вселенную иначе, допустив существование всего одной альтернативной реальности – так называемой зеркальной Вселенной? Исследователи полагают, что с ее помощью можно разрешить кризис космологии. Но как? Давайте разбираться!

Теоретическая физика достигла таких высот, что (мы) можем рассчитать даже то, что невозможно себе представить, – Л. Д. Ландау

Зеркальные нейтрино

О том что Вселенная расширяется с ускорением стало известно в конце 1990-х годов и привело к пересмотру физических законов, объясняющих устройство Вселенной. Появление гипотетической темной энергии, равномерно заполняющей пространство и отталкивающей массивные тела, призвано объяснить быстрое расширения Вселенной, однако ее существование не доказано. Картину дополняет таинственная темная материя, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением и проявляет себя с помощью гравитационного воздействия на наблюдаемые объекты. Но при чем здесь зеркальная вселенная?

Ответ напрашивается сам собой – теория зеркальной вселенной предполагает красивое и простое решение сложных проблем. В ее основе лежит существование гипотетических частиц, так называемых зеркальных нейтрино, поиски которых ведутся на протяжении многих лет но так и не увенчались успехом.

Некоторые исследователи считают, что зеркальные нейтроны могут являться кандидатами на составляющую темной материи.

Больше по теме: Возможно существует параллельная Вселенная, время в которой идет вспять

В 2008 году исследователи из Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ РАН) рассмотрели гипотезы зарождения и строения Вселенной на уровне элементарных частиц. Большое значение имела продолжительность жизни нейтрона – нестабильной элементарной частицы, лишенной электрического заряда.Звучит непонятно, так что попробуем внести ясность: ученые хотели понять, как долго нейтрон может существовать вне атомного ядра.

Проведенные измерения были точными и соответствовали Стандартной модели, описывающее электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц, позволяя ученым понять как образуется материя во Вселенной и почему срок жизни нейтрона важен для Стандартной модели.

По словам доктора физико-математических наук Анатолия Сереброва, «полученное в ходе исследования значение времени жизни нейтрона лучше описывает процесс первичного нуклеосинтеза при формировании Вселенной» (под нуклеосинтезом ученые понимают природный процесс образования ядер химических элементов тяжелее водорода).

ХХ век позволил нам заглянуть внутрь самого мироздания.

Серебров также озвучил смелое предположение о том, что обычные нейтроны могут переходить в другую вселенную, превращаясь в зеркальные нейтроны. Выглядит этот процесс так – кажется, что частицы просто исчезли в ходе эксперимента.

В 2018 году физики из Национальной лаборатории Ок-Ридж (США) вернулись к предположению Сереброва и пришли к такому же выводу. Если зеркальные нейтроны действительно существуют, то отправляются в зеркальную вселенную, полностью отделенную от нашей и с собственными законами физики.

Интересный факт
Зеркальные нейтроны часто называют стерильными из-за их неспособности участвовать в большинстве взаимодействий.

Современная физическая теория допускает существование зеркальной вселенной, а ее обитателями могут быть зеркальные атомы и даже зеркальные планеты и звезды (но не зеркальные версии нас с вами, увы). В совокупности эти гипотетические частицы могут образовать целый теневой мир, такой же реальный как наш, но практически полностью от нас отрезанный.

Если в будущем мы сможем обнаружить хотя бы одно зеркальные нейтрино, это докажет, что видимая Вселенная — лишь половина того, что существует, а известные законы физики — половина гораздо более широкого набора правил, – рассказали исследователи в интервью NBC News.

Зеркальная вселенная

Сегодня теория зеркальной вселенной привлекает внимание ученых из-за своей способности объяснить причины ее ускоряющегося расширения. Это простое и элегантное решение также объясняет наблюдаемое несоответствие между материей и антиматерией (об этом чуть позже) и может положить конец кризису космологии.

Так как космология охватывает всю вселенную от рождения до смерти, такие понятия как темная материя, темная энергия и Мультивселенная всерьез рассматривается уважаемыми учеными.

Постоянная Хаббла – число, которое космологи используют для измерения расширения Вселенной. Свое название постоянная получила в честь астронома Эдвина Хаббла, который впервые измерил ее в 1929 году.

Чтобы понять верна ли зеркальная теория, физики из Университета Нью-Мексико и Калифорнийского университета создали несколько математических моделей, которые соответствовали наблюдаемым темпам расширения Вселенной. Полученные в ходе работы результаты показали, что только одна модель не нарушает законы физики и объясняет несоответствия постоянной Хаббла. И это –модель зеркальной вселенной.

Отметим, что с математической точки зрения эта концепция является решением давно наблюдаемой проблемы. Как объясняют авторы работы, опубликованной в журнале Physics Review Letters, дальнейшее построение модели может раскрыть многие тайны Вселенной.

А вы знаете сколько видов Мультивселенной существует и в какой из них находимся мы? Ответ здесь, не пропустите!

Вселенная из антиматерии

Теперь обратимся к еще одному варианту решения космологических и физических проблем – концепции антиматерии. Считается, что она объясняет причину существования материи, которой в нашей Вселенной быть не должно. Основная идея заключается в том, что у каждой частицы есть пара, следовательно, у материи в нашей вселенной есть двойник из антиматерии (если говорить совсем простыми словами).

У нашей Вселенной может быть зеркальный близнец, Антивселенная.

Несмотря на то, что эта идея давно потеряла популярность (по разным причинам), физики рассматривают антивселенную в качестве возможного решения целого ряда проблем, включая постоянную Хаббла. Объединяет все эти теории предположение о том, что наблюдаемые пространство и время – не единственная реальность.

Хотите всегда быть в курсе новостей из мира популярной науки и технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram, так вы точно не пропустите ничего интересного!

Очень много вселенных

Так как доказать существование зеркальной вселенной или мультивселенной ученые не в силах, данная область исследований относится к теоретической физике. Так, в 1957 году физик Хью Эверетт предложил одну из наиболее популярных на сегодняшний день теорий – многомировую интерпретацию квантовой механики, которая предсказывает наличие ветвящихся временных линий или альтернативных реальностей.

Интерпретация Эверетта также математически описывает поведение материи, о чем я рассказывала ранее и является одной из наиболее признанных теорий альтернативных вселенных. Подход Эверетта основан на инфляционной модели Вселенной, с помощью которой можно объяснить многие наблюдаемые свойства.

Сегодня мы видим лишь малую часть Вселенной

Поначалу теория воспринималась как научная фантастика, однако со временем смогла объяснить множество особенностей нашего мира и люди стали относиться к ней серьезно, – рассказывает Линде. Кстати, если вы хотите больше узнать о Мультивселенной и ее научной составляющей, вам сюда (мы старались:)

Итак, какие выводы можно сделать о зеркальной вселенной и бесконечном множестве миров? Увы, но на сегодняшний день все существующие теории недоказуемы. Это означает, что нам нужны новые, лучшие теории для объяснения свойств наблюдаемой Вселенной. Но даже если правда навсегда останется тайной, у нас как минимум есть воображение, наука и бесчисленное множество вероятностей, размышления о которых развивает мышление. Согласны?

Существует ли реальность без наблюдателя?

Простое наблюдение явления неизбежно изменяет его

Из чего состоит реальность? Ответ на этот вопрос, вероятно, сокрыт в квантовой механике – разделе физики, который описывает Вселенную на уровне элементарных частиц и их взаимодействий друг с другом. Знакомство с квантовым миром следует начинать с фундаментальных безмассовых частиц – фотонов, которые способны вести себя и как частица и как волна (но не одновременно). Этот принцип известен как корпускулярно-волновой дуализм, а в его основе лежат идеи Исаака Ньютона. В ХХ веке их развитие представил физик-теоретик Макс Планк, а усилия Нильса Бора (еще одного основоположника квантовой механики) привели к постулированию принципа дополнительности, согласно которому решающим звеном наблюдаемой картины является наблюдатель. Если он измеряет свойства квантового объекта как частицы, то свет ведет себя как частица и наоборот. Но почему? И что поведение крохотных частиц говорит о нашей реальности?

Дуализм и эффект наблюдателя

Днем рождения квантовой механики считается 14 декабря 1900 года. В этот день на заседании Берлинского физического общества будущий лауреат Нобелевской премии Макс Планк ввел понятие кванта – неделимой порции определенной величины (преимущественно энергии). Это фундаментальное открытие квантовых свойств теплового излучения положило начало многочисленным дискуссиям о природе света, который долгое время считался самой большой загадкой физики.

Широкое обсуждение свойств света в конечном итоге привело к формулировке принципа корпускулярно-волнового дуализма, а также эффекта наблюдателя. О последнем говорил еще в 1801 году Томас Юнг, после того, как провел свой знаменитый эксперимент.

Опыт Юнга – конструкция с двумя узкими щелями, через которые проходили лучи света и попадали на лист бумаги, охватывая его целиком. Темные и светлые полосы, которые в результата эксперимента увидел Юнг, означали наличие у света интерференции – явления, при котором световые волны накладываются друг на друга и приводят к перераспределению интенсивности света.

Двухщелевой опыт демонстрирует, что свет и материя в целом могут проявлять характеристики как классических волн, так и частиц

Это интересно: Корпускулярно-волновой дуализм подтвердили экспериментально. Что это значит?

В ходе работы Юнг обнаружил, что даже пассивное наблюдение за квантовыми объектами фактически может изменить результат измерения. Так миру явился эффект наблюдателя, причиной которого является двойственная природа элементарных частиц, а наше представление о реальности с тех самых пор буквально трещит по швам.

Квантовый друг

Итак, существование разнообразных объектов (и даже самой Вселенной) зависит от наблюдателя, что кажется безумием. Однако на квантовом уровне все действительно так – реальности не существует, если мы на нее не смотрим. В жизни все, разумеется, иначе – Луна, например, никуда не исчезнет если на нее не смотреть.

Частицы могут находиться в нескольких местах или состояниях одновременно. Эту особенность физики называют квантовой суперпозицией.

В 1961 году физик Юджин Вигнер провел интересный мысленный эксперимент. Он хотел понять что произойдет если применить квантовую механику к наблюдателю, за которым наблюдают. Представим, что в закрытой лаборатории находится Вигнер и его друг, который подбрасывает квантовую монету. Каждый раз монета может упасть как орлом, так и решкой, а значит каждый раз ученые будут наблюдать определенный результат.

Кстати, парадокс Вигнера представай являет собой усложненный эксперимент кота Шредингера.

Позже, когда Вигнер и его друг сравнят записи, друг будет настаивать на том, что видел определенные результаты после каждого броска. Сам Вигнер, однако, не сможет с ним согласиться, так как наблюдал и друга и монету в суперпозиции.

Больше по теме: Парадокс Вигнера: что нужно знать о двойственности реальности?

Из этой головоломки следует, что реальность, воспринимаемая другом, не согласуется с реальностью Вигнера. Первое время физик не считал это большим парадоксом, утверждая, что описывать наблюдателя как квантовый объект попросту абсурдно. И все же со временем он поменял свою точку зрения.

Кстати, по мнению Эйнштейна квантовые состояния имеют собственную реальность вне зависимости от воздействия на них человека. Его коллега и оппонент, выдающийся физик Нильс Бор и вовсе считал, что предсказать ход дальнейших событий в квантовой реальности невозможно.

Формирует ли наблюдатель реальность?

Еще интереснее выглядят результаты работы, опубликованной в журнале Science Advances в 2019 году. В ней физики предположили, что объективной реальности не существует вовсе а также пришли к выводу, что в микромире атомов и частиц факты могут быть субъективными, а наблюдатели – могущественными. Интересно, что игнорировать эффект наблюдателя нельзя, так как это может привести к ошибкам в экспериментах на макроскопическом уровне, где квантовые эффекты попросту не будут заметны.

Интересный факт
Чтобы описать взаимодействие элементарных частиц физики используют волновую функцию – состояние квантовомеханической системы, которая позволяет получить максимально полные данные о ней. Подробнее об этой сверхъестественной особенности мы рассказывали здесь, не пропустите.

Что такое реальность?

Сегодня целый ряд научных теорий предполагает, что существование тех или иных объектов и даже самой Вселенной зависит исключительно от наблюдателя. К такому выводу недавно пришли физики из Австралийского национального университета, изложив полученные результаты в научном журнале Nature Physics.

Но противоречия на этом не заканчиваются. Так, результаты еще одной научной работы, опубликованной в 2022 году показали, что реальность существует вне нашего сознания и изменить ее мы не можем. В то же самое время физики из Федерального университета ABC (UFABC) в Бразилии предположили, что реальность существует “в глазах наблюдателя”. К такому выводу ученые пришли разработав математическую структуру, которая позволяет понять природу принципа дополнительности в результате изучения физической реальности.

Что такое реальность? И зависит ли ответ на этот вопрос от наблюдателя?

Наш главный вывод заключается в том, что физическая реальность в квантовом мире состоит из взаимоисключающих факторов, которые дополняют друг друга, – объясняют авторы научной работы.

В работе, опубликованной в журнале Communications Physics, исследователи также приводят слова знаменитого физика Ричарда Фейнмана: «Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, то вы точно ее не понимаете».

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и технологий? Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен – там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!

Парадоксально, но странность, присущая этому разделу физики, может оказаться полезной наряду с развитием квантовых технологий, таких как компьютеры, датчики и тепловые устройства. И так как мы вступаем в новую, квантовую эпоху, многое о природе реальности еще предстоит узнать. В конечном итоге квантовая механика полна таинственных явлений.

Квантовая механика – фундаментальная физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (молекул, атомов, атомных ядер, частиц)

Словом, будущее нас ждет интересное. И так как свет может вести себя и как волна и как частица в зависимости от контекста, он по-прежнему остается одной из самых интригующих и красивых загадок квантовой механики. Увы, но на сегодняшний день единого ответа на вопрос о том, из чего состоит реальность и может ли она существовать без/с наблюдателем нет.

И если вы окончательно не запутались, рекомендуем обратить внимание на феномен, при котором квантовые состояния двух или более объектов оказываются взаимозависимыми. Заинтригованы? Тогда вам сюда!