Планковская звезда


Еще в фильме Интерстеллар в самом начале говорится о кротовых норах, будто люди будущего, чтоб спасти Землю, создали кротовую нору рядом с сатурном. А с помощью кротовых нор, то есть червоточин, можно перемещаться по различным местам вселенной, однако это лишь гипотеза.

И недавно вышла статья где ученые дают инструкцию по созданию червоточины, то есть кротовой норы.

Червоточины – это своеобразные туннели, ведущие из одной области пространства-времени в другую. Их существование допускается современной физикой, но подобные объекты ещё не обнаружены.

Самым первым мечтателем, а заодно и создателем идеи построить мост из одной точки Вселенной в другую, стал американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер. Именно Уилер придумал такое понятие, как «кротовая нора», которое со временем перешло во все языки мира.

И в апреле 2019 года на свет вышла статья, в которой Гарвардские физики говорят о том, что туннели в пространстве-времени, соединяющие два отдаленных места во вселенной, вполне могут существовать. Но вряд ли они пригодны для быстрых перемещений.


Дело в том, что, по современным представлениям, для поддержания червоточины нужна экзотическая материя, обладающая отрицательной энергией.

Дэниел Джафферис (Daniel Jafferis) из Гарвардского университета вместе с коллегами построил теоретическую модель кротовой норы, для существования которой не требуется столь необычных субстанций. Входом и выходом червоточины, по мысли авторов, являются две чёрные дыры, находящиеся в состоянии квантовой запутанности друг с другом.

Но стоит отметить, что быстрые путешествия через эти туннели невозможны, путь через такую червоточину займет больше времени, чем если бы мы двигались по прямой, безо всяких ухищрений.

Впрочем, физики и не стремились изобрести межзвёздный транспорт.

Реальный смысл этой работы связан с информационной проблемой чёрной дыры и связями между гравитацией и квантовой механикой

Отметим, что науке пока не удалось согласовать между собой две крупнейшие физические теории XX века: общую теорию относительности (ОТО) и квантовую механику. Каждая из них проверена и успешно работает «в своём огороде».

ОТО занимается пространством, временем и гравитацией, а квантовая физика – поведением вещества в атомных и ещё меньших масштабах. Однако попытки применить две эти теории к одному и тому же объекту приводят к противоречивым результатам.

И так, раз уж мы затронули тему черных дыр, давайте разберем, какое отношение имеет червоточина к черной дыре.


Предположения о том, что черные дыры могут быть порталом в другие вселенные не ново. Об этом говорил британский физик-теоретик Стивен Хокинг, известный благодаря исследованию черных дыр. Предполагается, что при определенных обстоятельствах мы можем отправить сообщение через теоретически существующую червоточину, которая соединяет между собой черные дыры в разных вселенных.

Отметим, что Общая теория относительности (ОТО) допускает существование таких туннелей.

Однако, для того, чтобы червоточина являлась проходимой, нужны определенные условия.

Обязательным условием является то, что пространство-время должны иметь отрицательную кривизну. Кривизна пространства-времени это физическое явление, возникающее из-за расхождения или сближения траекторий свободно падающих тел. искривление пространства может быть положительным и отрицательным.

Благодаря предыдущим исследованиям, ученые узнали, что теоретическая передача информации через червоточины аналогична квантовой телепортации. Квантовая телепортация представляет собой способность передать свойства одной частицы другой.

Однако, в случае с кротовыми норами существуют ограничения в объемах передаваемой информации.

в июне 2019 года учеными из ЮАР была опубликована статья, в которой говорится о том, что через гипотетическую кротовую нору можно передать информацию, но очень маленькое количество, и то, в дальнейшем последствия будут разрушительными.


Обычно, если информация попадает в черную дыру, она достигает точки сингулярности и уже никогда не возвращается обратно. Но если одна черная дыра соединена с другой так называемой кротовой норой, и траектория сообщения выбрана правильно, информация, в теории, может войти с одной стороны и выйти с другой.

Физики из Ведущего университета Южной Африки использовали для изучения кротовых нор геометрию пространства-времени, описанную Эйнштейном в общей теории относительности. для упрощения Вычисления были сделаны для двумерной Вселенной, но будут верны и для трехмерной, как наша.

Результаты показали, что количество информации, которое можно передать через кротовую нору, составляет не более одного-двух квантовых битов. Для примера в квантовом компьютере наименьшей единицей информации является кубит, таким образом, вместо битов используются кубиты.

Также ученые отметили, что отправка сообщения изменит сами черные дыры: дыра-отправитель увеличится в массе, а дыра-получатель будет уменьшаться с каждым пакетом информации на 30%, пока не исчезнет совсем. Каждое последующее письмо будет меньше предыдущего.

А теперь вернемся к статье, о которой шла речь в самом начале.

Как мы узнали, проблемой червоточин является их экстремальная нестабильность.

Однако ученые нашли способ создания практически стабильной червоточины, которая схлопывается достаточно медленно, для того чтобы можно было успеть отправить через нее информацию или даже какой-нибудь предмет. Нам нужно будет несколько черных дыр и бесконечно длинные космические струны.


Для начала нужна сама червоточина, у которой должен быть вход и выход. Их функцию могут выполнять заряженные черные дыры. В таких дырах сингулярность черной дыры растягивается и искривляется, создавая проход к черной дыре с противоположным зарядом. Так появляется кротовая нора.

Однако, есть две проблемы: во-первых, эта червоточина все еще нестабильна. Во-вторых, две черные дыры с противоположным зарядом притянутся друг к другу из-за действия гравитационных и электрических сил и получится одна большая нейтрально заряженная и совершенно бесполезная черная дыра.

Потенциальное решение — космические струны, гипотетический реликтовый объект, напоминающий трещины в толще льда, только в нашем случае в пространстве и времени.

Если продеть струну в червоточину и протянуть концы в обе стороны до бесконечности, то натяжение в струне удержит две заряженные черные дыры от сближения.

Остается еще проблема нестабильности, чтобы ее решить, нужна еще одна струна, которую необходимо зациклить через обычное пространство между дырами. Космические струны замыкаются и начинают очень сильно вибрировать, создавая отрицательную массу внутри червоточины, тем самым, стабилизируя ее.

В статье команда физиков-теоретиков подробно описала каждый шаг этого плана. Конечно, у него есть и свои минусы. В частности, вибрации космических струн, которые делают червоточину стабильной, постепенно забирают энергию, а значит и массу струны, делая ее все тоньше и тоньше.


Но это лишь гипотеза, теоретическая математическая модель и не более.

Друзья, мы уже знаем, что будет очень много комментариев по поводу того, что это просто слова, теория без доказательств.

Действительно, это теория, которую в данный момент времени никто не может доказать, но это не говорит о том, что ей нет места в научном мире.

Мы лишь хотим просветить вас и рассказать об интересных исследованиях, которые проводили различные ученые.

Источники:

Статья с инструкцией по созданию стабильной кротовой норы: https://arxiv.org/abs/1908.03273

Информация о существовании туннелей в пространстве и времени: https://www.sciencedaily.com/releases/2019/04/190415090853.h…

Статья о количестве информации проходимой через кротовую нору: https://arxiv.org/abs/1906.10715

Доп. инфа:

https://www.livescience.com/building-a-wormhole-with-cosmic-…

https://hi-news.ru/space/kak-postroit-kosmicheskuyu-chervoto…

https://hightech.plus/2019/04/16/fiziki-dokazali-teoretiches…

Источник: pikabu.ru

Мы привыкли жить в мире крупных, макроскопических вещей. Все, с чем сталкивается обычный человек в течение дня — от чашки кофе с утра до огромного огненного шара в небе под названием Солнце, — вещи, которые мы можем либо видеть, либо осязать. Однако еще в Древней Греции философы, в частности Демокрит и его учитель Левкипп, предположили, что все состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов (в переводе с греческого буквально означает «неделимый»).


 

Со временем был открыт атом, а затем и его свойство, что он вовсе не неделимый, а состоит из ядра и вращающегося вокруг него электрона. Затем выяснилось, что и ядро состоит из протонов и нейтронов. Еще позже были открыты кварки, из которых состоят протоны и нейтроны атомных ядер. Эти миниатюрные частицы называют элементарными. Помимо кварков, среди элементарных частиц есть уже упомянутые электроны, бозоны, нейтрино и фотоны. Все они считаются теми самыми древнегреческими «атомами» — неделимыми.

 

В 1899 году (в некоторых источниках — в 1900-м) немецкий физик и по совместительству основоположник квантовой теории Макс Планк предложил особую меру измерения — планковские единицы. Это единицы, предназначенные для упрощения определенных алгебраических выражений, присутствующих в теоретической физике, в частности в квантовой механике. В число их входят такие фундаментальные единицы, как планковская масса, планковская температура, планковская длина и планковское время. В этом материале мы рассмотрим планковскую длину и планковское время и попробуем сделать это наиболее понятным способом, без сложных математических выкладок (хотя некоторые формулы нам понадобятся).  


 

Как вы уже знаете, физика занимается изучением не только огромных космических структур вроде галактик и туманностей, но и невероятно маленькими явлениями на атомном и субатомном масштабах. Однако существует еще одна реальность в масштабах, которые намного меньше того, что науке удалось изучать. На этом уровне есть величина, настолько сильно выходящая за рамки традиционного понимания «маленького», что ее тяжело представить. Это планковская длина — она в 1020 раз меньше диаметра ядра атома водорода. Предполагается (или, точнее сказать, подозревается), что именно на этом уровне формируется «пена» пространства-времени. Чтобы осознать, о какой величине идет речь, можно заглянуть в анимацию «Масштаб Вселенной» по этой ссылке.

 

И все же о каких размерах идет речь? Планковская длина составляет всего 1,616 х 10-35 метра. Вычислить ее можно при помощи уравнения, включающего в себя целых три фундаментальные константы — постоянную Планка (6,6261 х 10-34), скорость света в вакууме (2,29979 х 108 м/с) и гравитационную постоянную (6,6738 х 10-11):

 

 

Впервые Макс Планк пришел к этой примечательной единице после работы над излучением черного тела и квантовой механики. Вероятно, вы слышали, что это самая малая возможная длина.

 


Тут, как и в случае с древнегреческой концепцией атома, можно сказать: «Конечно, если у меня есть некая длина и я разделяю ее пополам, а затем повторяю это снова и снова, я буду получать все меньшие и меньшие значения». Однако мы говорим о масштабах, на которых физика уже не способна делать то же, что и математика. Один из самых ярких примеров таких невозможностей — движение со сверхсветовой скоростью. То есть на бумаге вы можете применить к массе силу и ускорить ее до скорости света и выше, но нам известно, что в природе это попросту физически невозможно, поскольку масса объекта (а значит, и энергия, необходимая для его ускорения) возрастает бесконечно. Получается, мы не способны осуществить в реальности все, что можем сделать на бумаге.

 

Планковская звезда

 

Итак, каким образом такая малая величина вписывается в физику? Если две частицы разделены планковской длиной или еще меньшим расстоянием, то невозможно определить позиции каждой из них. Более того, любые эффекты квантовой гравитации на этом масштабе (если они вообще есть) неизвестны науке, так как там само пространство не определено должным образом. В некотором смысле можно сказать: даже если бы мы разработали методы измерений, способные «заглянуть» в эти масштабы, мы никогда не смогли бы измерить что-либо меньшее, вне зависимости от дальнейшего совершенствования наших методов и оборудования.


 

Согласно стандартной космологической модели Вселенная родилась в результате Большого взрыва, начавшегося в бесконечно плотной точке. Особенно интересно то, что физики и космологи не имеют ни малейшего понятия, какие законы физики господствовали во Вселенной, прежде чем она превысила по своим размерам планковскую длину, так как еще нет подтвержденной теории квантовой гравитации. Тем не менее эта единица оказалась полезной во множестве разных уравнений, которые помогли вычислить и исследовать некоторые из самых главных тайн Вселенной.

 

Например, планковская длина — ключевой компонент в уравнении Бекенштейна и Хокинга для расчета энтропии черной дыры. Струнные теоретики считают, что именно на этом масштабе существуют «вибрирующие» струны, из которых состоят элементарные частицы Стандартной модели. Вне зависимости от того, верна теория струн или нет, с уверенностью можно сказать одно: в поиске объединенной теории всего понимание планковской длины и связанной с ней физики сыграет ключевую роль.

 

Планковская звезда

 

А что насчет планковского времени? Если в двух словах, то планковское время — это время, за которое свет в вакууме проходит планковскую длину. Следовательно, эти две величины связаны между собой. Любопытно, что для вычисления планковского времени необходимы постоянная Планка, гравитационная постоянная и скорость света в вакууме. Точное значение планковского времени — 5,391 х 10-44 секунд, а вычисляется оно по формуле: 


 

 

Планковское время также называют квантом времени — самым малым значением времени, имеющим какое-то фактическое значение. Меньшие значения времени не имеют никакого смысла. Возвращаясь к теоретическим гипотезам, струнные теоретики предполагают, что струны размером в планковскую длину вибрируют с периодичностью, соответствующей планковскому времени. В 2003 году при анализе снимков Deep Field с телескопа «Хаббл» некоторые ученые высказали предположения, что если бы на планковском масштабе присутствовали флуктуации пространства-времени, то изображения очень далеких объектов были бы размытыми. Снимки «Хаббла», как они утверждали, были слишком точными, что, по мнению специалистов, ставило под сомнение концепцию планковских масштабов. Другие представители научного сообщества не согласились с этим предположением, отметив, что такие флуктуации были бы слишком малы, чтобы их можно было наблюдать. Кроме того, было высказано предположение, что ожидаемая размытость была устранена большими размерами объектов на снимках.

 

Планковская звезда

 

Итак, планковская длина и связанное с ней планковское время определяют масштабы, на которых современные физические теории перестают работать. Вся геометрия пространства-времени, предсказанная Общей теорией относительности, перестает иметь всякий смысл. Эти масштабы хранят еще неоткрытую теорию, объединяющую Общую теорию относительности и квантовую механику, которая сможет наиболее полно описать законы физики. В сущности говоря, именно по этой причине современные описания развития Вселенной начинаются только спустя 5,391 х 10-44 секунд после Большого взрыва, когда Вселенная была размером 1,616 х 10-35 метров.

 

Источник: naked-science.ru

Что такое планковская звезда?

Звезда Планка полагается на так называемую гипотезу «большого отскока»; согласно этой теории, вселенная приспособилась к бесконечному циклу смерти и возрождения. Другими словами, Большой Взрыв необязательно был началом всего — только этой версии вселенной. До нашей существовала другая вселенная: после чрезмерного расширения она сжалась, коллапсировала и начала снова (что-то вроде реинкарнации, только в космических масштабах).

Считается, что этому отскоку предшествует сжатие, такая противоположность Большому Взрыву, когда расширение вселенной останавливается в определенный момент — в частности, когда средняя плотность пространства-времени становится критичной. После начала коллапса, вся существующая материя должна стянуться в сверхплотное состояние (возможно, что-то похожее на сингулярность черной дыры).

Отскок начнется, как только материя сожмется до планковских масштабов; по крайней мере так говорит теория. Ученые считают, что если мы пересмотрим последствия возможного большого сжатия, мы в теории можем пересмотреть и поведение черных дыр.

Что, если вместо ядра сверхновой, коллапсирующего до бесконечно плотной точки (сингулярности) — согласно нашему предположению о том, так образуются черные дыры звездной массы, — этот коллапс приостанавливается «квантовым давлением», которое похоже на то, что «мешает электрону упасть на ядро атома».

Эта идея сама по себе не так уж и абсурдна. В конце концов, особое давление — вырождение нейтронов — может остановить коллапс звезды на определенном пороге массы (оставив позади нейтронные звезды или пульсары), в то время как вырождение электронов выполняет ту же задачу для звезд весом с наше Солнце.

В дополнение к этому, квантовый эффект, предотвращающий коллапс материи до бесконечной плотности, как считают ученые, в больших масштабах будет означать, что отскок «не происходит, когда вселенная достигает планковских размеров, как ожидалось ранее; он происходит, когда энергетическая плотность материи достигает планковской плотности. Вселенная «отскакивает», когда энергетическая плотность материи достигает планковских масштабов, наименьших возможных размеров в физике».

«Другими словами, квантовая гравитация может стать актуальной, когда объем Вселенной будет на 75 порядков больше объема Планка», — пишут авторы работы, опубликованной в блоке arXiv.

В поисках звезды Планка

Конечно, если один из таких «объектов» существует, он будет невообразимо мал (даже по сравнению с атомом), с диаметром 10^-10 сантиметров. И все же он будет на 30 порядков больше планковской длины (которая равна 1,61619926 х 10^-35 метров).

Что касается того, как планковская звезда будет выглядеть для наблюдателя, и это правда интересно, особенно будет проявляться фактор замедления времени. Время, по мере своего движения, идет не одинаково для всех и каждого. Оно течет по-разному на поверхности Земли и на низкой околоземной орбите, хотя эффект незначителен. Скорость, с которой тикает время, должна сильно меняться вокруг массивных звезд и планет, а также возле черных дыр.

Прежде чем свет преодолевает горизонт событий, он начинает ощущать замедление времени. Мы не можем быть уверены в этом — мы ведь даже не знаем, что происходит внутри черных дыр — но некоторые из лучших умов мира предполагают, что там время почти полностью останавливается. Но снаружи этого не заметить.

Если это сложно понять, и если вы видели фильм «Интерстеллар», вспомните эпизод с водным миром. (Осторожно, спойлеры). Из-за близости к Гаргантюа — черной дыре, червоточине, через которую прошла команда — час для людей на поверхности планеты равнялся десяткам лет в других местах. Из-за этого, и несмотря на то, что первый человек высадился на эту планету за десять лет до этого, вполне возможно, что женщина-астронавт пробыла там всего пару часов, пока не прибыла вторая группа. Ее маяк был активен, но передачи поступать перестали.

Даже так: любая планковская звезда может жить лишь мгновение перед «отскоком»: примерный «отрезок времени, который нужен свету, чтобы ее преодолеть». Но для внешнего наблюдателя она будет жить миллионы или даже миллиарды лет… продолжая существовать наряду с самой черной дырой.

Проблемой меньше

К этому моменту вы начинаете понимать, что именно видят физики в этой сугубо теоретической модели. В конечном счете она возвращается обратно к парадоксу черных дыр и информации. По мнению ученых, если мы заменяем сингулярность планковской звездой, этот парадокс перестает быть проблемой.

Они утверждают, что через время X черные дыры, которые медленно теряют массу в течение своей жизни вследствие постепенного выброса излучения Хокинга, в конечном счете сталкиваются с расширением планковских звезд в своих ядрах: в какой-то момент вся информация, которую она хранит, будет освобождена.

Что еще? Ученые говорят, что звезды Планка могут «производить детектируемый сигнал, квантово-гравитационного происхождения, с длиной волны порядка 10-14 см». Другими словами, может быть способ найти одну такую или хотя бы сузить диапазон поиска, просматривая определенные гамма-лучевые сигнатуры. Возможно, мы уже обнаружили такую сигнатуру, просто не знаем об этом.

Источник: Hi-News.ru

Смысл введения гипотезы о звезде Планка

Очень интересным вопросом в космологии считается вопрос о том, что представляет собой черная дыра внутри. Эта проблема считается одновременно эмпирической и теоретической проблемой. Имеющиеся на сегодняшний день теории о черных дырах ведут к целой системе противоречий. Так, например, если черные дыры могут испаряться в соответствии с гипотезой Хокинга, то любая информация, которая попала внутрь черной дыры, утрачивается навсегда, а квантово-механические теории отказываются работать, если их применяют к сингулярности черной дыры.

Готовые работы на аналогичную тему

  • Курсовая работа Гипотеза о планковской звезде и чёрной дыре 470 руб.
  • Реферат Гипотеза о планковской звезде и чёрной дыре 240 руб.
  • Контрольная работа Гипотеза о планковской звезде и чёрной дыре 210 руб.

В одной из теорий предполагается, что цент черной дыры не является сингулярностью, имеющую бесконечную плотность и не имеющую измерений в пространстве, центр черной дыры – это звезда Планка.

Так, гипотеза о звезде Планка изначально была нацелена на решение информационного парадокса черной дыры.

Если внутри черной дыры находится звезда Планка, которая имеет размер, больший Планковской длины, тогда имеется пространство для помещения всей информации, которая падает во внутрь черной дыры. Тогда эта информация может быть закодирована в Планковской дыре, следовательно, потери информации нет.

Гипотеза о нахождении в центе черной дыры звезды, поможет в:

  • решении проблемы исчезновения информации;
  • разъяснении вопросов, связанных с горизонтом событий черной дыры;
  • решении вопроса о космической цензуре;
  • понимании, что такое излучение Хокинга.

Особенности звезды Планка

Как уже было сказано, звезда планка малый объект с огромной плотностью энергии вещества. Можно допустить что:

  • в предлагаемых условиях пространство временной континуум и гравитация будут квантоваться;
  • если звезда коллапсируя достигла планковской плотности энергии, то возникнет сила, которая станет противодействовать дальнейшему схлопыванию звезды.

Иначе говоря, при возможности квантования накопление массовой энергии внутри звезды Планка не может идти далее, если достигнут предел плотности энергии, то есть он равен $rho_p^E$, так как иначе нарушится принцип неопределенности для пространства – времени.

Следует различать звезду Планка и Планковскую черную дыру. У звезды антигравитационные силы появляются, когда достигнута планковская плотность энергии, а не длина Планка.

Эти силы антигравитации достаточно велики, они способны остановить процесс коллапса звезды, если возникает черная дыра, причем раньше момента появления истиной сингулярности в середине объекта.

В соответствии со специальной теорий относительности релятивистские эффекты крайне большой гравитации вызывают существенное замедление времени. Если учитывать эффект замедления времени, то если Планковская звезда будет иметь звездную массу, то обращение коллапса вспять займет больше времени, чем современный возраст Вселенной. Это означает, что черная дыра, обладающая массой звезды, для современного наблюдателя будет стабильной.

Черная дыра Планка

Гипотезы ученых говорят о том, что размеры черных дыр очень различны. Часть из них могут быть меньше, чем элементарные частицы. Малые черные дыры очень нестабильные объекты: часть из них разрушают квантовые эффекты, а черные дыры наименьших размеров взрываются вскоре после возникновения.

С. Хокинг изучал механизм возникновения черных дыр на ранних этапах формирования Вселенной (первичные черные дыры). Ученый выяснил, что сразу после Большого Взрыва плотность материи была больше, чем ядерная. Известные нам физические законы допускают плотность вещества не более, чем $approx 5,1 bullet 10^{96} frac{кг}{м^3}$ (данная плотность называется планковской). Вещество такой плотности создает гравитацию столь большую, что квантово-механические флуктуации проводят деструктуризацию пространства-времени. При этом появляется возможность появления черных дыр:

  • Размер этих дыр в поперечном сечении примерно равен $10^{-35}м$ (длина Планка).
  • Масса этих черных дыр $10^{-8}$ кг (планковская масса).
  • Сечение взаимодействия панковских черных дыр примерно равно $10^{-66}см^2$.

Предполагается, что взрывы малых черных дыр, которые произошли на ранних этапах формирования Вселенной, можно наблюдать в наше время.

В недавнее время ученые выдвинули гипотезу о том, что микроскопические черные дыры могут возникать при ударах друг о друга частиц. Энергия для возникновения черных дыр при соударениях частиц должна быть очень велика. Предположительно эти черные дыры могут появляться в Большом адронном коллайдере (ЦЕРН) или при взаимодействии космических лучей и атомов в верхних атмосферных слоях Земли.

Имеются предположения о том, что планковская черная дыра — это конечный продукт эволюции черных дыр, она является стабильной и не излучает (имеется в виду излучение Хокинга).

Малое сечение взаимодействия таких черных дыр может быть основой того, что они являются основной материей во Вселенной. Они могут быть той темной материей, которую признали существующей в космологии.

Самым перспективным способом поиска панковских черных дыр считают регистрацию продуктов распада этих объектов.

Источник: spravochnick.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.