Fizycy teoretyczni Stephen Hawking, Malcolm Perry i Andrew Strominger zaproponowali rozwiązanie paradoksu utraty informacji w czarnych dziurach. Problem ten przez wielu naukowców uważany jest za jeden z najważniejszych w fizyce, ponieważ wiąże się z determinizmem świata - jak przeszłość, teraźniejszość i przyszłość wpływają na siebie nawzajem. „Lenta.ru” podaje szczegóły badania.
Istota problemu paradoksu informacyjnego czarnych dziur jest następująca. Zgodnie z najprostszą wersją twierdzenia o braku włosa, nienaładowane i nierotujące czarne dziury opisane w czasoprzestrzeni Schwarzschilda charakteryzują się tylko jednym parametrem - masą. Słowo „włosy” jest w tym przypadku używane jako metafora dla innych parametrów i zostało zaproponowane przez fizyka Johna Wheelera.
Paradoks oznacza, że nie ma sposobu, aby odróżnić od siebie czarne dziury o równych masach. Materia, która dostaje się do czarnej dziury, następnie wyparowuje pod wpływem promieniowania Hawkinga i nie jest jasne, co dzieje się z informacjami, które wcześniej zawierała. Mówiąc ogólnie, może to oznaczać, jak zauważył Strominger w rozmowie z redaktorem Sethem Fletcherem dla Scientific American, że świat jest nieokreślony: teraźniejszość nie definiuje przyszłości i nie można jej użyć do całkowitej rekonstrukcji przeszłości.
Hawking po raz pierwszy ogłosił nowe odkrycie 25 sierpnia 2015 r., Przemawiając na konferencji w Królewskim Instytucie Technologii w Sztokholmie. Następnie zaintrygował społeczność naukową nadchodzącym artykułem poświęconym rozwiązaniu paradoksu czarnej dziury. „Informacje nie są przechowywane wewnątrz, jak można by się spodziewać, ale na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury” - powiedział wówczas naukowiec. Wspomniał również o super-audycjach wykorzystanych przez autorów w pracy (więcej o nich poniżej), których badania Strominger zainspirowały Hawkinga do napisania artykułu. „Chodzi o to, że super transmisje są hologramem spadających cząstek” - powiedział Hawking. „Zawierają wszystkie informacje, które w innym przypadku mogłyby zostać utracone”. Naukowiec mówił też o perspektywach wykorzystania informacji z czarnych dziur. „Ze wszystkich praktycznych powodów informacje są tracone” - powiedział Hawking. Według niego,czarne dziury zwracają informacje w „chaotycznej i bezużytecznej formie”.
W swoim wykładzie dzień wcześniej, 24 sierpnia, Hawking mówił o czarnych dziurach jako tunelach do innych wszechświatów. „Jeśli czarna dziura jest wystarczająco duża i obraca się, może być pomostem do innego wszechświata. Ale po przejściu przez nią nie wrócisz do naszego - powiedział fizyk. Hawking przedstawił swoje pomysły na konferencji 3 września we wstępnym druku na stronie arXiv.org. Sama praca Hawkinga, której współautorem są Perry i Strominger, została tam opublikowana 5 stycznia 2016 r.
Malcolm Perry, Andrew Strominger i Stephen Hawking (od lewej do prawej)
Zdjęcie: Anna N. Zytkow / scientificamerican.com
Wcześniej (od połowy lat siedemdziesiątych) Hawking uważał, że czarne dziury nie przechowują informacji. W tej kwestii w 1997 roku on i Kip Thorne zawarli zakład z amerykańskim fizykiem teoretycznym Johnem Preskillem. Pogląd Hawkinga na temat paradoksu informacyjnego czarnej dziury zmienił się wraz z postępem w teorii strun.
Film promocyjny:
W 1996 roku w ramach teorii strun Strominger i Kumrun Wafa zademonstrowali wyprowadzenie wyrażenia na entropię czarnych dziur, po raz pierwszy otrzymanego termodynamicznie przez izraelskiego fizyka Jacoba Bekensteina w 1973 roku. Ich wniosek wskazuje, że odparowanie czarnych dziur zachowuje jedność mechaniki kwantowej (związaną ze spójną interpretacją prawdopodobieństwa), którą Hawking wcześniej kwestionował.
W pracy opublikowanej w 2005 roku brytyjski naukowiec próbował jakościowo wyjaśnić zachowanie informacji w czarnej dziurze za pomocą techniki całkowania funkcjonalnego przejętej w przestrzeni o trywialnej topologii. Te same wyniki wynikają z idei korespondencji AdS / CFT zaproponowanej w 1998 roku przez Juana Maldacena w ramach teorii strun. To z kolei opiera się na zasadzie holograficznej zaproponowanej w 1993 roku przez holenderskiego fizyka teoretycznego Gerarda t'Hoofta (naukowiec ten 5 września 2015 roku opublikował przedruk z alternatywnym sposobem przechowywania informacji przez czarną dziurę).
W nowej pracy naukowcy opierają się na badaniach z lat 60. Następnie fizycy Steven Weinberg i inni zaproponowali koncepcję super tłumaczeń (nie należy ich mylić z terminem o tej samej nazwie używanym w matematyce super). Ponadto autorzy wykorzystali wyniki Stromingera i współautorów, z których wynikało, że czarna dziura ma tzw. Miękkie włosy. Strominger użył miękkich fotonów znanych z elektrodynamiki kwantowej - kwantów promieniowania elektromagnetycznego o długich długościach fal stosowanych w renormalizacjach (procedurach eliminacji dywergencji w kwantowej teorii pola). Takie cząstki mają niską energię i opisując stan próżni (o najniższej energii) prowadzą do pojawienia się nowego stanu kwantowego charakteryzującego się momentem pędu (gdyż foton go posiada).
Strominger zainteresował się pytaniem, czy początkowy stan kwantowy układu różniłby się od następnego, gdybyśmy ustawili nieskończoną długość fali fotonu (czyli policzyć jego energię jako zero). Obliczenia wykazały, że w tym przypadku stan kwantowy układu ulegnie zmianie. Miękkie grawitony i fotony na granicy nieskończonej długości fali istnieją na granicach czasoprzestrzeni. W przypadku czarnych dziur okazuje się, że miękkie cząstki są zlokalizowane na horyzoncie zdarzeń - trójwymiarowym hologramie czterowymiarowej dziury czasoprzestrzennej.
Kiedy mówią o super-transmisjach, naukowcy mają na myśli transformacje identycznych wiązek światła, które istnieją na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury. W latach sześćdziesiątych XX wieku do opisania promieni światła w nieskończoności w czasoprzestrzeni używano super tłumaczeń, a nie horyzontu zdarzeń czarnych dziur. Strominger wyjaśnił ideę nadawania na przykładzie zbioru nieskończenie długich i identycznych słomek. Jeśli jeden z nich jest przesuwany w górę lub w dół względem innych, czy taki ruch można uznać za prawdziwy? Badania przeprowadzone przez naukowców dały pozytywną odpowiedź na to pytanie.
Gerard t'Hooft i Stephen Hawking
Zdjęcie: Håkan Lindgren / kth.se
„Jeśli porównasz dwie czarne dziury, które różnią się tylko dodatkiem miękkiego fotonu, który nie zmienia energii, otrzymasz różne czarne dziury. A potem pozwalasz im wyparować. W takim przypadku muszą wyparować, tworząc coś innego od siebie. Podajemy dokładny wzór, który jest jednym z głównych wyników naszej pracy, opisujący różnice w stanie kwantowym czarnej dziury, do której dodano lub nie dodano miękkiego fotonu”- powiedział Strominger w rozmowie z Scientific American.
Fizyk zauważył, że w trakcie badań był w stanie sformułować 35 obiecujących problemów, z których rozwiązanie każdego może zająć nawet kilka miesięcy. „Jeśli mamy wszystkie składniki potrzebne do zrozumienia dynamiki kwantowej czarnych dziur, można policzyć liczbę pikseli holograficznych” - powiedział. W przyszłości Strominger i współautorzy będą badać nie super-tłumaczenia, ale super-rotacje. Posługując się analogią do identycznych, nieskończenie długich słomek, możemy powiedzieć, że w tym przypadku te ostatnie zamieniają się miejscami (jedna słomka obraca się wokół drugiej).
„One (superobroty) to inny rodzaj symetrii w nieskończoności, w której nie tylko przesuwasz promienie świetlne w górę iw dół, ale pozwalasz im poruszać się względem siebie” - powiedział Strominger. Naukowcy zaczęli badać takie przemiany około 10 lat temu, a postęp w ich zrozumieniu nastąpił dopiero w ostatnich dwóch latach. Hawking, który 8 stycznia obchodził 74. urodziny, zaprezentuje swoją wizję swojej nowej twórczości w wykładach, które zostaną wyemitowane 26 stycznia i 2 lutego przez BBC Radio 4.
Andrey Borisov