Знаменитый парадокс черной дыры Стивена Хокинга наконец может быть решен
Работы Стивена Хокинга оказали влияние на многие области, не в последнюю очередь на космологию: в частности, на квантовую гравитацию и черные дыры. Он первым указал на то, что черные дыры ведут себя таким образом, что ставят в противоречие друг с другом две фундаментальные теории — относительности и квантовой механики. Этот парадокс озадачивал ученых на протяжении полувека и заставил некоторых усомниться в фундаментальных законах физики. Недавно ученые заявили, что они, возможно, решили эту проблему, основываясь, в частности, на том, что черные дыры обладают свойством, которое они назвали «квантовыми волосами гравитации». Это стало бы огромным прорывом в теоретической физике.
Черные дыры — это космические объекты, которые мы еще не до конца понимаем. Например, в астрофизике черная дыра определяется как объект настолько компактный, что сила его гравитационного поля препятствует выходу любой формы материи или излучения. Другими словами, их гравитация искривляет пространство-время настолько, что ничто не может достичь скорости, необходимой для побега. Такие объекты не могут излучать или рассеивать свет и поэтому являются черными, что в астрофизике означает, что они «оптически невидимы».
Точно так же информация не может выйти из нее, и общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что информация о том, что входит в черную дыру, следовательно, не может ее покинуть, т. е. сказать, что мы не можем определить, что апостериори вошло в черную дыру. Но квантовая механика говорит, что это невозможно. Именно на этот информационный парадокс обратил внимание Стивен Хокинг в 1976 году.
Международный квартет физиков, включая профессора и студента-исследователя из Университета Сассекса, стал соавтором двух работ, которые могут кардинально повлиять на наше понимание черных дыр и дать решение проблемы, которая озадачивала ученых на протяжении почти полувека. Исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Черные дыры и информационный парадокс
Во-первых, давайте вернемся к информационному парадоксу. Хокинг понял, что черные дыры излучают уникальным образом. Их искажение пространства-времени изменит волновую природу окружающих квантовых полей так, что возникнет форма теплового излучения. Это означает, что черная дыра должна медленно испаряться, излучая свою энергию, фотон за фотоном, во Вселенную. По мере излучения черная дыра теряет энергию и, следовательно, массу. Действительно, общая относительность подразумевает, что информация может в принципе исчезнуть в черной дыре в результате ее испарения. И наоборот, законы квантовой физики утверждают, что информация сохраняется в черных дырах. Здесь кроется информационный парадокс.
Было предложено огромное количество решений, включая «теорию огненной стены», в которой предполагалось, что информация сгорает, прежде чем попасть в черную дыру, «теорию нечеткого шара Даркиноса», в которой предполагалось, что черные дыры имеют нечеткие границы. Но большинство из этих предложений требовали переписать законы квантовой механики или теории гравитации Эйнштейна — двух столпов современной физики.
Все теории, предполагающие сохранение информации, фактически описывают эти оставшиеся связи со Вселенной как «волосы». Вот почему Ксавье Кальме и его коллеги предполагают, что когда материя коллапсирует в черную дыру, она оставляет слабый отпечаток в ее гравитационном поле. Авторы называют это «квантовым волосом гравитации», поскольку их теория заменяет более раннюю идею под названием «теорема об отсутствии волос», разработанную в 1960-х годах. Эта «лысая теория черных дыр», основанная на классической физике, утверждает, что черные дыры можно рассматривать как удивительно простые объекты, определяемые только их массой, электрическим зарядом и угловым моментом, который связан со скоростью их вращения.
Вместо простых объектов, авторы утверждают, что 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 гипотетические элементарные частицы будут передавать гравитацию в большинстве квантовых гравитационных систем, подобно тому, как фотон связан с электромагнитной силой. Через серию логических шагов, показывающих, как гравитоны потенциально могут вести себя при определенных энергетических условиях, команда продемонстрировала свою модель того, как информация внутри черной дыры может оставаться связанной с окружающим пространством.
Точнее, исследователи сравнили гравитационные поля двух звезд с одинаковой общей массой и радиусом, но разным составом. В классической физике две звезды имеют одинаковый гравитационный потенциал, но на квантовом уровне потенциал зависит от состава звезды. Когда звезды коллапсируют в черные дыры, их гравитационные поля сохраняют память о составе звезд и позволяют сделать вывод, что у черных дыр есть волосы. Информация о материи, упавшей в черную дыру, оставит след ее прохождения, что теоретически даст нам доступ к составу черной дыры.
Профессор Ксавье Кальмет из Университета Сассекса сказал BBC News: «Проблема решена! Наше решение не требует никаких спекулятивных идей; вместо этого наше исследование показывает, что обе теории могут быть использованы для последовательных расчетов черных дыр и объяснения способов хранения информации без необходимости создания радикально новой физики«.
Однако не существует очевидного способа проверить теорию с помощью астрономических наблюдений, поскольку гравитационные флуктуации были бы слишком малы для измерения. Как теория, она интересна, основана на прочном фундаменте. Но она должна быть тщательно изучена научным сообществом.
В своем заявлении профессор Калмет делает вывод о своем открытии: «Потребуется время, чтобы люди приняли его. Одним из последствий парадокса Хокинга было то, что общая относительность и квантовая механика несовместимы. Мы обнаружили, что они вполне совместимы. Поэтому людям потребуется время, чтобы принять тот факт, что для решения проблемы не требуется радикальное решение«.