Работа Стивена Хокинга повлияла на многие области, не только на космологию: в частности, на квантовую гравитацию и черные дыры. Он был первым, кто указал, что поведение черных дыр противоречит двум фундаментальным теориям относительности и квантовой механике. Этот парадокс озадачил ученых на протяжении полувека и заставил некоторых усомниться в основных законах физики. Недавно ученые заявили, что они, возможно, решили эту проблему, частично основываясь на том факте, что черные дыры обладают свойством, которое они называют «квантовыми волосками гравитации». Это был бы огромный прорыв 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 предотвращает утечку любой формы материи или излучения. Другими словами, их гравитация искажает пространство-время до такой степени, что ничто не может достичь космической скорости. Такие объекты не могут излучать или рассеивать свет и поэтому имеют черный цвет, 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, не может, следовательно, покинуть ее, то есть мы не можем определить, что вошло в черную дыру апостериори. Однако 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 Университета Сассекса, написал в соавторстве две статьи, которые могут кардинально изменить наше понимание черных дыр и найти решение проблемы, которая озадачивала ученых почти полвека. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Черные дыры и информационный парадокс
Во-первых, вернемся к информационному парадоксу. Хокинг понял, что черные дыры излучают уникальным образом. Их искажение пространства-времени изменит волнистую природу окружающих квантовых полей, чтобы сформировать форму теплового излучения. Это означает, что черная дыра должна медленно испаряться, излучая свою энергию фотон за фотоном во Вселенную. Излучая, черная дыра теряет энергию и, следовательно, массу. Действительно, общая теория относительности подразумевает, что информация в принципе может исчезнуть в черной дыре в результате ее испарения. И наоборот, законы квантовой физики говорят, что информация сохраняется в черных дырах. Это информационный парадокс.
Было предложено огромное количество решений, в том числе «теория стены огня», которая предполагала, что информация сгорает до того, как она попадет в черную дыру, «теория темного нечеткого шара», которая предполагала, что черные дыры имеют нечеткие границы. Но большинство этих предложений требовало переписывания законов квантовой механики или теории гравитации Эйнштейна, двух столпов современной физики.
Все теории, касающиеся сохранения информации, на самом деле описывают эти другие связи со вселенной как «волосы». Поэтому Ксавьер Кальме и его коллеги предполагают, что когда материя схлопывается в черную дыру, она оставляет слабый отпечаток в ее гравитационном поле. Авторы называют это «гравитационные квантовые волосы», потому что их теория заменяет более раннюю идею под названием «теорема об отсутствии волос», разработанную в 1960-х годах. Эта «теория лысых черных дыр», основанная на классической физике, утверждает, что черные дыры можно рассматривать как чрезвычайно 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 намного сложнее. Они считают, что их теория квантовых волос обеспечивает механизм, с помощью которого информация сохраняется при коллапсе черной дыры. Эта новая разработка применяет квантовое мышление к гравитации в форме теоретических частиц, называемых гравитонами. Эти гипотетические элементарные частицы будут нести гравитацию в большинстве систем квантовой гравитации, подобно тому, как фотон связан с электромагнитной силой. С помощью серии логических шагов, показывающих, как потенциально могут вести себя гравитоны при определенных энергетических условиях, команда продемонстрировала свою модель того, как информация внутри черной дыры может оставаться привязанной к окружающему пространству.
В частности, 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 потенциал зависит от состава звезды. Когда звезды коллапсируют в черные дыры, их гравитационные поля сохраняют память о составе звезды и позволяют сделать вывод, что у черных дыр есть волосы. Информация о материи, падающей в черную дыру, оставит след ее прохождения, теоретически давая нам доступ к составу черной дыры.
Профессор Ксавьер Кальмет из Университета Сассекса сказал BBC News: «Проблема решена! Наше решение не требует предположений; вместо этого наше исследование показывает, что обе теории можно использовать для последовательного расчета черных дыр и объяснения того, как хранится информация, без необходимости создания радикально новой физики. . »
Однако нет очевидного способа проверить теорию с помощью астрономических наблюдений, поскольку гравитационные флуктуации слишком малы, чтобы их можно было измерить. Как теория она интересна, основана на прочном фундаменте. Но это должно быть проанализировано научным сообществом.
В своем заявлении профессор Кальмет резюмирует свое открытие: «Людям требуется время, чтобы принять их. Одним из следствий парадокса Хокинга было то, что общая теория относительности и квантовая механика несовместимы. Мы обнаружили, что они вполне совместимы. людям принять тот факт, что для решения проблемы не нужны никакие радикальные решения. »
