Черные дыры
Черная дыра — это область пространства-времени, искривленная настолько сильно, что ничто, даже свет, не может покинуть ее горизонт событий; черные дыры являются одними из наиболее поразительных предсказаний общей теории относительности и в настоящее время наблюдаются напрямую.
Definition
Черная дыра — это область пространства-времени, ограниченная горизонтом событий, односторонней поверхностью, изнутри которой ни один сигнал не может достичь удаленных наблюдателей, образующаяся при сжатии материи в пределах ее радиуса Шварцшильда и характеризующаяся в равновесии только массой, угловым моментом и зарядом.
Scope
Данная область охватывает определение и структуру черных дыр: горизонты событий и заключенные в них сингулярности, теоремы об отсутствии волос, которые сводят стационарную черную дыру к массе, заряду и вращению, вращающиеся геометрии Керра и заряженные геометрии Рейсснера-Нордстрема, законы механики черных дыр и их термодинамическую интерпретацию, включая излучение Хокинга, а также гравитационный коллапс, формирующий черные дыры.
Sub-topics
Core questions
- Что определяет горизонт событий и что находится за его пределами?
- Почему стационарная черная дыра описывается только тремя числами?
- Как квантовые эффекты заставляют черные дыры излучать и обладать энтропией?
- Как астрофизические черные дыры образуются в результате гравитационного коллапса?
Key concepts
- Горизонт событий
- Сингулярность
- Теорема об отсутствии волос
- Энтропия черной дыры
- Излучение Хокинга
- Гравитационный коллапс
Key theories
- Теорема об отсутствии волос
- Стационарная черная дыра в общей теории относительности полностью характеризуется своей массой, угловым моментом и электрическим зарядом, так что все остальные детали материи, которая ее образовала, теряются за горизонтом.
- Теоремы о сингулярности
- Пенроуз и Хокинг доказали, что при разумных условиях энергии и причинности гравитационный коллапс и ранняя Вселенная должны приводить к образованию сингулярностей пространства-времени, установив, что сингулярности являются общими особенностями общей теории относительности, а не артефактами симметрии.
- Излучение Хокинга
- Квантовая теория поля вблизи горизонта предсказывает, что черная дыра излучает тепловое излучение при температуре, обратно пропорциональной ее массе, так что черные дыры медленно испаряются, связывая гравитацию, квантовую теорию и термодинамику.
Clinical relevance
Черные дыры занимают центральное место в современной астрофизике: черные дыры звездной массы образуются из коллапсирующих массивных звезд и питают рентгеновские двойные системы, сверхмассивные черные дыры являются центрами галактик и приводят в действие активные галактические ядра, а слияния черных дыр являются самыми громкими источниками гравитационных волн, обнаруженных на сегодняшний день.
History
Неявно присутствующие в решении Шварцшильда 1916 года, черные дыры долгое время считались нефизическими, пока Оппенгеймер и Снайдер не смоделировали коллапс в 1939 году; теорема Пенроуза о сингулярности 1965 года, название «черная дыра», предложенное Уилером, результаты об отсутствии волос и открытие Бекенштейном-Хокингом термодинамики черных дыр в 1970-х годах утвердили их в качестве центральных объектов, что впоследствии было подтверждено наблюдениями гравитационных волн и телескопа Event Horizon Telescope.
Debates
- Информационный парадокс
- Расчет Хокинга предполагал, что испаряющаяся черная дыра уничтожает информацию, что противоречит унитарности квантовой механики; согласование этих двух аспектов посредством голографии, файерволов или тонких корреляций в излучении остается активной и нерешенной проблемой.
Key figures
- Roger Penrose
- Stephen Hawking
- Jacob Bekenstein
- John Wheeler
- Roy Kerr
Related topics
Seminal works
- penrose1965
- hawking1975
Frequently asked questions
- Можно ли когда-нибудь увидеть, что происходит внутри черной дыры?
- Извне — нет: горизонт событий препятствует достижению удаленных наблюдателей любым сигналом изнутри, поэтому внутренняя часть причинно разъединена; наблюдатель, который упадет внутрь, в принципе мог бы исследовать ее, но никогда не смог бы сообщить об этом обратно через горизонт.
- Существуют ли черные дыры вечно?
- Классически — да, но излучение Хокинга заставляет их терять массу и в конечном итоге испаряться; временной масштаб астрономически долог для звездных и более крупных черных дыр, поэтому астрофизические черные дыры фактически постоянны в любом человеческом или космологическом масштабе времени, рассмотренном до сих пор.