Знаменитый парадокс черной дыры Стивена Хокинга наконец может быть решен
Работы Стивена Хокинга повлияли на многие области космологии, особенно на квантовую гравитацию и черные дыры. Он первым указал на то, что черные дыры ведут себя так, что это противоречит двум фундаментальным теориям: что они являются не только вопросом гравитации, но и вопросом Вселенной. Этот парадокс озадачивал ученых на протяжении полувека, заставляя их ставить под сомнение фундаментальные законы физики. Недавно ученые заявили, что проблема может быть решена на основе того факта, что черные дыры обладают свойством, известным как «квантовый волос гравитации». Это стало бы большим прорывом в теоретической физике.
Черные дыры — это объекты во Вселенной, которые еще не до конца изучены. Например, в астрофизике черные дыры определяются как очень компактные объекты, из которых не могут вырваться все формы материи и излучения из-за силы гравитационного поля. Другими словами, их гравитация настолько искажает пространство-время, что они не могут достичь скоростей, необходимых для побега. Такие объекты не могут излучать или рассеивать свет. Это означает, что они черные и, в астрофизике, «оптически невидимые».
Аналогично, информация не может покинуть черную дыру, и общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что информация о том, что вошло в черную дыру, не может ее покинуть. Однако квантовая механика утверждает, что это невозможно, и именно этот парадокс информации привлек внимание Стивена Хокинга в 1976 году.
Международный квартет физиков, включая профессоров и студентов Сассекского университета, стали соавторами двух работ, которые произвели революцию в нашем понимании черной дыры и дали решение проблемы, мучившей ученых почти полвека. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Черные дыры и информационный парадокс
Сначала давайте вернемся к информационному парадоксу. Хокинг заметил, что черные дыры излучают сами по себе. Искажения в пространстве-времени изменяют природу волн в окружающем квантовом поле таким образом, что возникает форма теплового излучения. Это означает, что черная дыра медленно испаряется и излучает свою энергию в пространство. Фотоны за фотонами. Когда черная дыра излучает, она теряет энергию и, следовательно, массу. Действительно, общая теория относительности подразумевает, что в результате испарения информация может исчезнуть в черной дыре. Кроме того, согласно законам квантовой физики, информация хранится в черных дырах. Здесь кроется парадокс информации.
Читайте также: Звуковые волны черной дыры впервые стали слышны
В 2003 году астрономы обнаружили, что сверхмассивная черная дыра в центре галактики Персея, расположенной в 250 миллионах световых лет от США, может..
Было предложено огромное количество решений, включая теорию пылающих стен. Она утверждает, что информация сгорает, прежде чем упасть в черную дыру, и теорию нечетких шаров Дарконоса, которая утверждает, что черные дыры имеют нечеткие границы. Однако большинство из этих предложений требуют переписать законы квантовой механики или теорию гравитации Эйнштейна — два столпа современной физики.
Все теории, связанные с хранением информации, фактически описывают эти оставшиеся связи со Вселенной как «волосы». Так, Ксавье Кальме и его коллеги предполагают, что когда материя коллапсирует в черную дыру, она оставляет слабый отпечаток на гравитационном поле. Авторы называют это «квантовым волосом гравитации». Это связано с тем, что их теория заменяет более раннюю идею, разработанную в 1960-х годах и названную «теоремой об отсутствии волос». Основанная на классической физике, эта «теория выпадения волос у черных дыр» утверждает, что черные дыры можно рассматривать как удивительно простые объекты. Она определяется исключительно своей массой, зарядом и угловым моментом, связанным со скоростью вращения.
Авторы утверждают, что вместо простых объектов черные дыры гораздо сложнее. Они считают, что их квантовая теория волос обеспечивает механизм, с помощью которого информация сохраняется во время коллапса черной дыры. Это новое решение применяет квантовое мышление к гравитации в виде теоретических частиц, называемых гравитонами. Эти виртуальные фундаментальные частицы передают гравитацию в большинстве квантовых гравитационных систем, подобно тому, как фотоны связаны с электромагнитными силами. Через серию логических шагов, показывающих, как гравитоны работают при определенных энергетических условиях, команда продемонстрировала модель того, как информация в черной дыре соотносится с окружающим пространством.
Более точно, исследователи сравнили гравитационные поля двух звезд с одинаковой общей массой и радиусом, но с разным составом. В классической физике две звезды имеют одинаковый гравитационный потенциал, но на квантовом уровне он зависит от состава звезды. Когда звезда падает в черную дыру, ее гравитационное поле сохраняет память о звездном составе, и можно сделать вывод, что у черной дыры есть волосы. Информация о проблеме падения в черную дыру оставляет следы своего прохождения и теоретически дает доступ к составу черной дыры.
Профессор Ксавье Кальмет из Университета Сассекса сообщил BBC News, что информация подтверждается без необходимости создания радикально новой физики».
Однако нет очевидного способа проверить теорию с помощью астрономических наблюдений, поскольку гравитационные флуктуации слишком малы для измерения. Как теория, это интересная теория с прочным фундаментом. Однако научному сообществу необходимо тщательно ее изучить.
В своем заявлении профессор Кальметт делает выводы о своих заключениях. Людям потребуется время, чтобы принять это. Одним из последствий парадокса Хокинга было то, что общая относительность и квантовая механика несовместимы. Поэтому людям нужно время, чтобы убедиться, что они приняли тот факт, что для решения проблемы не требуется радикального решения».
