Рыбалка на горизонте событий

Нобелевский комитет присудил премию по физике за исследования черных дыр, а у нас и наших читателей появилась масса вопросов об этих объектах. Например, что будет, если взять длинную палку и опустить один ее конец под горизонт событий? Неужели нельзя будет вытащить ее обратно? Редакция с помощью физиков Дмитрия Левкова из ИЯИ РАН и Дмитрия Трунина из ИТЭФ подготовила для вас тест и предлагает разобраться, что будет, если два фольклорных красноармейца отправятся порыбачить к черной дыре в центре нашей Галактики.

1. Итак, Петька и Василий Иванович решили слетать за выходные к черной дыре в центре нашей Галактики на рыбалку. Летят они на Ан-2 с двигателями, которые могут выдавать любое ускорение, за исключением бесконечного.Когда Петька и Василий Иванович вернутся с рыбалки, если они планируют добраться как минимум до последней стабильной орбиты вокруг черной дыры?

1. [] Вероятно, никогда. Время на этой орбите практически останавливается, так что даже минута будет им стоить минимум десяток миллиардов лет
2. [] Зависит только от клёва. Никто не помешает им быть дома вечером воскресенья
3. [] Эта поездка займет у них несколько десятков лет
4. [] На полет и рыбалку уйдет несколько десятков тысяч лет. На Земле много чего успеет произойти, но Солнце еще не погаснет

Правильно!

Большая часть времени уйдет на путешествие к центру Галактики — до объекта Стрелец А* около 26 тысяч световых лет. Если Ан-2 наших героев будете двигаться с постоянным ускорением порядка 3500 g, то по для них пройдет лишь несколько дней, а на Земле — больше 27 тысяч лет. Если же Петька и Василий Иванович решат путешествовать с комфортным ускорением в 1 g, то для них путешествие продлится около десятка лет, а на Земле пройдет примерно те же 28 тысяч лет. Посчитать время путешествия точнее вы можете с помощью нашего калькулятора.Замедление времени у последней стабильной орбиты в этом опоздании существенной роли играть не будет: эта орбита находится на дистанции примерно трех шварцшильдовских радиусов, и время там замедляется примерно в 1,7 раза. Если бы нашим героям нужно было в понедельник на работу куда-то в ближайших окрестностях черной дыры, они опоздали бы на только на пару дней.

Неправильно!

Большая часть времени уйдет на путешествие к центру Галактики — до объекта Стрелец А* около 26 тысяч световых лет. Если Ан-2 наших героев будете двигаться с постоянным ускорением порядка 3500 g, то по для них пройдет лишь несколько дней, а на Земле — больше 27 тысяч лет. Если же Петька и Василий Иванович решат путешествовать с комфортным ускорением в 1 g, то для них путешествие продлится около десятка лет, а на Земле пройдет примерно те же 28 тысяч лет. Посчитать время путешествия точнее вы можете с помощью нашего калькулятора.Замедление времени у последней стабильной орбиты в этом опоздании существенной роли играть не будет: эта орбита находится на дистанции примерно трех шварцшильдовских радиусов, и время там замедляется примерно в 1,7 раза. Если бы нашим героям нужно было в понедельник на работу куда-то в ближайших окрестностях черной дыры, они опоздали бы на только на пару дней.

2. Приятель кавалеристов, физик Джозеф Полчински, предупреждал их, что черные дыры окружены «огненными стенами». Увидят ли наши герои в иллюминаторы эту огненную стену и смогут ли, не сгорев, добраться до последней стабильной орбиты?

1. [] Не надо наговаривать на нашу черную дыру, она еще слишком молода для таких фейерверков
2. [] «Огненная стена» — лишь образ. Это всего-навсего фотоны, застрявшие в гравитационном поле, вреда от них не больше, чем от фонарика
3. [] Не морочьте нам голову, гипотеза огненной стены давно отвергнута
4. [] Угроза реальна, — Петьке и Василию Ивановичу придется надеть скафандры и выйти в открытый космос с огнетушителями

Правильно!

Согласно первоначальной гипотезе, сформулированной Полчински и его соавторами в 2012 году, огненная стена, состоящая из сжигающих все частиц высоких энергий, действительно должна возникать вокруг черных дыр — но только вокруг очень старых, которые уже потеряли как минимум половину массы за счет излучения Хокинга. На то, чтобы похудеть наполовину, даже черной дыре звездной массы нужно время, превышающее время жизни Вселенной. Поэтому нашим героям опасаться нечего — Стрелец А* это сверхмассивная черная дыра, ее файервол еще не сформировался.Сама гипотеза огненной стены жива и здравствует, поскольку это один из немногих вариантов разрешения информационного парадокса черных дыр. Есть теоретики, которые предлагают решить парадокс с помощью теории голографического соответствия (Ads/CFT-соответствия). Если эти идеи будут подтверждены, то «огненная стена» окажется ненужной.

Неправильно!

Согласно первоначальной гипотезе, сформулированной Полчински и его соавторами в 2012 году, огненная стена, состоящая из сжигающих все частиц высоких энергий, действительно должна возникать вокруг черных дыр — но только вокруг очень старых, которые уже потеряли как минимум половину массы за счет излучения Хокинга. На то, чтобы похудеть наполовину, даже черной дыре звездной массы нужно время, превышающее время жизни Вселенной. Поэтому нашим героям опасаться нечего — Стрелец А* это сверхмассивная черная дыра, ее файервол еще не сформировался.Сама гипотеза огненной стены жива и здравствует, поскольку это один из немногих вариантов разрешения информационного парадокса черных дыр. Есть теоретики, которые предлагают решить парадокс с помощью теории голографического соответствия (Ads/CFT-соответствия). Если эти идеи будут подтверждены, то «огненная стена» окажется ненужной.

3. По прилету Петька попытался доказать Василию Ивановичу, что никакая информация не может вернуться из-под горизонта событий. В ответ Василий Иванович вытащил удочку, насадил на крючок червя и закинул наживку под горизонт событий. Сможет ли червяк рассказать Василию Ивановичу, что происходит в недрах черной дыры?

1. [] Рядом с горизонтом событий время почти останавливается. Василий Иванович будет закидывать удочку вечно.
2. [] Закинуть удочку он закинет, а вот вытянуть ее не сможет никак
3. [] Усилие, которое нужно Василию Ивановичу, чтобы удерживать удочку, мгновенно станет бесконечным. Наших героев и их самолет мгновенно утянет под горизонт событий

Правильно!

Сила, с которой Василий Иванович удерживает леску, меняется за счет гравитационного растяжения пространства у горизонта. Находясь достаточно далеко от черной дыры, удочку удержать можно. Но натяжение внутри лески становится бесконечным в том месте, где она пересекает горизонт. Нерастяжимых объектов нет в теории относительности (даже в специальной), это ведет к парадоксам. Поэтому леску можно рассматривать только растяжимую, и она порвется в месте, где она пересекает горизонт.

Неправильно!

Сила, с которой Василий Иванович удерживает леску, меняется за счет гравитационного растяжения пространства у горизонта. Находясь достаточно далеко от черной дыры, удочку удержать можно. Но натяжение внутри лески становится бесконечным в том месте, где она пересекает горизонт. Нерастяжимых объектов нет в теории относительности (даже в специальной), это ведет к парадоксам. Поэтому леску можно рассматривать только растяжимую, и она порвется в месте, где она пересекает горизонт.

4. Расстроенный потерей червяка Василий Иванович дождался, пока Петька пойдет вздремнуть после обеда, и решил испытать беспроигрышный, на его взгляд, способ заглянуть в черную дыру. Он привязал к удочке не леску, а кабель с веб-камерой. Подключив другой конец кабеля к ноутбуку, он начал опускать удочку к горизонту. Конечно, веб-камера к нему больше не вернется, но может быть Василий Иванович сумеет получить картинки с нее, прежде чем кабель порвется?

1. [] Внутри черной дыры абсолютная тьма, так что Василий Иванович даже не сумеет понять, передала что-то веб-камера или сразу сломалась
2. [] Этот способ может сработать. Электроны — квантовые частицы, теория относительности не может запретить им туннелировать по проводам
3. [] Фотоны, то есть электромагнитные волны, не могут выходить за пределы горизонта событий. А значит и ток через него не течет. Василий Иванович ничего не увидит

Правильно!

Электромагнитные волны, действительно, не могут пересекать горизонт, и никакого сигнала Василий Иванович не получит. Если учитывать квантовые эффекты — в частности, излучение Хокинга — то в нем действительно могут быть электроны, туннелировавшие из черной дыры, но найти в спектре излучения информацию об этих электронах — то же самое, что и решить информационный парадокс. Для этого надо дождаться, пока пройдет время скремблирования — время, за которое информация, попавшая в черную дыру, перемешается и вернется обратно в виде излучения Хокинга (для Стрельца А* этот период составляет несколько десятков часов) и попробовать вычленить нужные нам данные. Однако для этого нужно иметь точное представление об излучении невозмущенной черной дыры, для чего требуется наблюдать за ней примерно столько же, сколько она существует. Так что данные с вебкамеры получить все-таки нельзя.Наконец, даже если пренебречь этим и представить, что камера смогла передать изображение, то все, что она может увидеть — это фотоны, летящие к сингулярности, то есть на картинке будет видно только окружение черной дыры, но не ее «недра».

Неправильно!

Электромагнитные волны, действительно, не могут пересекать горизонт, и никакого сигнала Василий Иванович не получит. Если учитывать квантовые эффекты — в частности, излучение Хокинга — то в нем действительно могут быть электроны, туннелировавшие из черной дыры, но найти в спектре излучения информацию об этих электронах — то же самое, что и решить информационный парадокс. Для этого надо дождаться, пока пройдет время скремблирования — время, за которое информация, попавшая в черную дыру, перемешается и вернется обратно в виде излучения Хокинга (для Стрельца А* этот период составляет несколько десятков часов) и попробовать вычленить нужные нам данные. Однако для этого нужно иметь точное представление об излучении невозмущенной черной дыры, для чего требуется наблюдать за ней примерно столько же, сколько она существует. Так что данные с вебкамеры получить все-таки нельзя.Наконец, даже если пренебречь этим и представить, что камера смогла передать изображение, то все, что она может увидеть — это фотоны, летящие к сингулярности, то есть на картинке будет видно только окружение черной дыры, но не ее «недра».

5. Отчаявшийся Василий Иванович решает спрыгнуть в черную дыру самостоятельно, чтобы узнать, наконец, что она скрывает — пусть даже он никому не сможет об этом рассказать. Разбуженный звуком хлопнувшей двери, Петька выглянул в иллюминатор в момент, когда Василий Иванович пересекал горизонт событий. Долго ли Петька сможет видеть своего комдива?

1. [] Всем известно, что время у горизонта событий останавливается для внешнего наблюдателя. Петька будет видеть Василия Ивановича вечно
2. [] Видеть его Петька будет довольно долго, но все-таки не вечно
3. [] У горизонта событий царит тьма, все фотоны уходят вниз и Петька не сможет видеть Василия Ивановича

Правильно!

Формально время на горизонте событий с точки зрения внешнего наблюдателя действительно останавливается. Но, во-первых, интенсивность света, испущенного или отраженного Василием Ивановичем, будет экспоненциально убывать. Через некоторое, относительно небольшое, время эта интенсивность станет такой маленькой, что Петька будет ловить только отдельные фотоны. А рано или поздно придет последний фотон. Связан этот эффект с тем, что фотоны, испущенные Василием Ивановичем, «застревают» на долгое время вблизи горизонта. Но количество их все равно конечно. Если у Василия Ивановича будет фонарик, то свет от него будет доходить.

Неправильно!

Формально время на горизонте событий с точки зрения внешнего наблюдателя действительно останавливается. Но, во-первых, интенсивность света, испущенного или отраженного Василием Ивановичем, будет экспоненциально убывать. Через некоторое, относительно небольшое, время эта интенсивность станет такой маленькой, что Петька будет ловить только отдельные фотоны. А рано или поздно придет последний фотон. Связан этот эффект с тем, что фотоны, испущенные Василием Ивановичем, «застревают» на долгое время вблизи горизонта. Но количество их все равно конечно. Если у Василия Ивановича будет фонарик, то свет от него будет доходить.

6. Василий Иванович благополучно пересек горизонт событий и начал двигаться дальше. Сколько у него будет времени на то, чтобы осмотреться и провести какие-нибудь простые эксперименты?

1. [] Доли секунды. Спагеттификация ждать не будет
2. [] Пара минут или около того
3. [] Время для него остановилось, сколько раз можно повторять. У него теперь вся вечность для экспериментов

Правильно!

Чем больше черная дыра, тем милосерднее она к ныряльщикам. Радиус Стрельца А* сопоставим с радиусом Солнца — он около 10 миллионов километров. Это расстояние Василий Иванович пролетит за пару минут. Причем существенная разница между приливными силами, действующим на его ноги и голову, возникнет уже относительно близко к сингулярности в самом центре. Только на расстоянии в несколько тысяч километров от нее они разорвут комдива на части. А вот небольшая черная дыра звездной массы может превратить астронавта в спагетти даже за пределами горизонта событий.

Неправильно!

Чем больше черная дыра, тем милосерднее она к ныряльщикам. Радиус Стрельца А* сопоставим с радиусом Солнца — он около 10 миллионов километров. Это расстояние Василий Иванович пролетит за пару минут. Причем существенная разница между приливными силами, действующим на его ноги и голову, возникнет уже относительно близко к сингулярности в самом центре. Только на расстоянии в несколько тысяч километров от нее они разорвут комдива на части. А вот небольшая черная дыра звездной массы может превратить астронавта в спагетти даже за пределами горизонта событий.

7. Зная, что в черной дыре довольно темно, Василий Иванович захватил с собой карманный фонарик. Внутри черной дыры он достал его из кармана, прижал к груди и посветил себе в лицо, чтобы проверить, не сели ли батарейки. Увидит ли Василий Иванович свет фонарика, если предположить, что батарейки в порядке, а он сам падает в черную дыру ногами вперед?

1. [] Увидит
2. [] Фотоны в черной дыре не могут двигаться никуда кроме как к центру. Василий Иванович не увидит ни фонарика, ни своей руки, ни вообще ничего ниже уровня глаз.
3. [] Тут есть тонкость: из-за сверхвысокой гравитации излучение фонарика превратится в инфракрасное, и только поэтому увидеть его Василий Иванович не сможет

Правильно!

Фотоны двигаются к центру, но и герой двигается к центру, поэтому вести они себя будут в окрестностях комдива точно так же, как и на Земле. Длина волны света от фонарика может изменится, но в другую сторону — фиолетовую, поскольку пространство сжимается.

Неправильно!

Фотоны двигаются к центру, но и герой двигается к центру, поэтому вести они себя будут в окрестностях комдива точно так же, как и на Земле. Длина волны света от фонарика может изменится, но в другую сторону — фиолетовую, поскольку пространство сжимается.

8. Не разобравшись, что случилось с фонариком, кавалерист поднял его над головой и посветил прямо вверх. Получится ли у него осветить папаху, которую сорвало с его головы по ходу падения?

1. [] Нет, папаха останется во тьме, а вот свет фонарика он увидеть сможет — фотоны от луча фонарика развернутся и пойдут ему навстречу
2. [] Да, получится, если папаха отстает от него на небольшое расстояние

Правильно!

Все падает в черную дыру, и фотоны тоже. Но они падают медленнее, чем папаха, и могут отразиться от нее. Папаху получится осветить, если она не не сильно отстала. Главное для успеха — успеть поймать отраженный свет до окончательного падения в сингулярность (или смерти из-за спагеттификации).

Неправильно!

Все падает в черную дыру, и фотоны тоже. Но они падают медленнее, чем папаха, и могут отразиться от нее. Папаху получится осветить, если она не не сильно отстала. Главное для успеха — успеть поймать отраженный свет до окончательного падения в сингулярность (или смерти из-за спагеттификации).

9. Петька мысленно попрощался с Василием Ивановичем, развернул Ан-2, и потянулся к ручке газа, чтобы улететь от черной дыры. Но сможет ли он улететь?

1. [] Это последняя стабильная орбита, но чтобы улететь от нее, потребуется бесконечное ускорение. Двигатели Ан-2, как мы помним, так не тянут, так что Петьке придется поселится там навсегда
2. [] Вторая космическая скорость на последней стабильной орбите не равна скорости света, но бесконечно к ней приближается, поэтому набирать ее придется бесконечное время. Не видать Петьке Земли
3. [] Никаких проблем, конечно улетит
4. [] Все получится, но ординарцу придется выдержать ускорение 2000 метров в секунду за секунду в течение примерно года

Правильно!

Последняя стабильная орбита — на то и последняя стабильная орбита, что любое ускорение позволит постепенно улететь от черной дыры. Чем больше ускорение, тем быстрее будет расти высота орбиты, и тем быстрее Петька улетит от черной дыры.

Неправильно!

Последняя стабильная орбита — на то и последняя стабильная орбита, что любое ускорение позволит постепенно улететь от черной дыры. Чем больше ускорение, тем быстрее будет расти высота орбиты, и тем быстрее Петька улетит от черной дыры.

Поздравляем, ваш результат: из

Красноармеец

Увы, космические полеты к черным дырам требуют немного других навыков.

Поделиться результатами

Поздравляем, ваш результат: из

Спасатель галактики

Вы умеете не только шашкой рубать! Но некоторые тонкости устройства нашей галактики вас все еще способны удивить.

Поделиться