Teoretickí fyzici Stephen Hawking, Malcolm Perry a Andrew Strominger navrhli riešenie paradoxu straty informácií v čiernych dierach. Tento problém považujú mnohí vedci za jeden z najdôležitejších vo fyzike, pretože je spojený s determinizmom sveta - ako sa minulosť, prítomnosť a budúcnosť navzájom ovplyvňujú. "Lenta.ru" hovorí o podrobnostiach štúdie.
Podstata problému informačného paradoxu čiernych dier je nasledovná. Podľa najjednoduchšej verzie teórie bez vlasov sú nevybité a nerotujúce sa čierne diery opísané vo Schwarzschildovom časopise charakterizované iba jedným parametrom - hmotnosťou. Slovo „vlasy“sa v tomto prípade používa ako metafora pre ďalšie parametre a navrhol ho fyzik John Wheeler.
Paradox znamená, že neexistuje spôsob, ako rozoznať čierne diery rovnakej hmotnosti od seba. Látka, ktorá vstupuje do čiernej diery sa následne odparí v dôsledku Hawkingovho žiarenia a nie je jasné, čo sa stane s informáciami, ktoré predtým prenášala. Vo všeobecnosti to môže znamenať, ako zdôraznil Strominger v rozhovore s editorom Sethom Fletcherom pre Scientific American, svet je neurčitý: súčasnosť nedefinuje budúcnosť a nedá sa použiť na úplnú rekonštrukciu minulosti.
Hawking prvýkrát ohlásil nový objav 25. augusta 2015 a vystúpil na konferencii v Kráľovskom technologickom inštitúte v Štokholme. Potom zaujal vedeckú komunitu pripravovaným článkom venovaným riešeniu paradoxu čiernej diery. "Informácie nie sú uložené vnútri, ako by sa dalo očakávať, ale na horizont udalostí čiernej diery," uviedol vedec. Spomenul tiež super-vysielania, ktoré autori použili v práci (viac o nich nižšie), ktorých výskum Strominger inšpiroval Hawkinga k napísaniu článku. "Ide o to, že super vysielania sú hologramom padajúcich častíc," uviedol Hawking. „Obsahujú všetky informácie, ktoré by sa inak mohli stratiť.“Vedec hovoril aj o vyhliadkach na využitie informácií z čiernych dier. "Na všetky praktické účely sa informácie strácajú," uviedol Hawking. Podľa neho,čierne diery vracajú informácie v „chaotickej a zbytočnej podobe“.
Vo svojej prednáške o deň skôr, 24. augusta, Hawking hovoril o čiernych dierach ako tuneloch do iných vesmírov. „Ak je čierna diera dosť veľká a rotuje, mohlo by to byť mostom do iného vesmíru. Ale po tom, čo to prejdete, už sa nevrátite k našim, “povedal fyzik. Hawking predstavil svoje nápady na konferencii 3. septembra ako predtlač na webovej stránke arXiv.org. Samotná práca Hawkinga, spoluautorka s Perrym a Stromingerom, bola publikovaná 5. januára 2016.
Malcolm Perry, Andrew Strominger a Stephen Hawking (zľava doprava)
Foto: Anna N. Zytkow / scientificamerican.com
Skôr (od polovice 70. rokov) Hawking veril, že informácie sa neukladajú v čiernych dierach. V tejto otázke v roku 1997 uzavreli spolu s Kip Thornom stávku s americkým teoretickým fyzikom Johnom Preskillom. Hawkingov pohľad na paradox informácií o čiernych dierach sa zmenil s pokrokom v teórii strún.
Propagačné video:
V roku 1996, v rámci teórie strún, Strominger a Kumrun Wafa preukázali odvodenie výrazu pre entropiu čiernych dier, ktoré termodynamicky prvýkrát získal izraelský fyzik Jacob Bekenstein v roku 1973. Ich záver naznačuje, že odparovanie čiernych dier zachováva jednotnosť kvantovej mechaniky (spojená s konzistentnou interpretáciou pravdepodobnosti), ktorú Hawking predtým spochybňoval.
V práci publikovanej v roku 2005 sa britský vedec snažil kvalitatívne vysvetliť uchovávanie informácií v čiernej diere pomocou funkčnej integrálnej techniky prevzatej priestorom s triviálnou topológiou. Rovnaké výsledky vyplynuli z myšlienky korešpondencie AdS / CFT, ktorú v roku 1998 navrhol Juan Maldacena v rámci teórie strún. Na druhej strane je založený na holografickom princípe, ktorý navrhol v roku 1993 holandský teoretický fyzik Gerard t'Hooft (tento vedec uverejnil predtlač 5. septembra 2015 s alternatívnym spôsobom ukladania informácií čiernou dierou).
V novej práci vedci stavajú na výskume zo šesťdesiatych rokov. Potom fyzici Steven Weinberg a ďalší navrhli pojem super prekladov (nemali by sa zamieňať s termínom rovnakého mena používaného v super matematike). Ďalej autori využili výsledky Stromingera a spoluautorov, z čoho vyplýva, že čierna diera má tzv. Mäkké vlasy. Strominger používal mäkké fotóny známe z kvantovej elektrodynamiky - kvanta elektromagnetického žiarenia veľkých vlnových dĺžok používaných pri renormalizáciách (postupy na elimináciu divergencií v teórii kvantového poľa). Takéto častice majú nízku energiu a pri opise stavu vákua (s najnižšou energiou) vedú k vzniku nového kvantového stavu charakterizovaného uhlovou hybnosťou (pretože fotón má jeden).
Strominger sa začal zaujímať o otázku, či by sa počiatočný kvantový stav systému líšil od nasledujúceho, ak by sme nastavili vlnovú dĺžku fotónu na nekonečnú (to znamená spočítať svoju energiu ako nulu). Výpočty ukázali, že kvantový stav systému sa v tomto prípade zmení. Na hranici časopriestoru existujú mäkké gravitóny a fotóny na hranici nekonečnej vlnovej dĺžky. Pri čiernych dierach sa ukázalo, že mäkké častice sú lokalizované na horizonte udalostí - trojrozmerný hologram štvordimenzionálnej časopriestorovej diery.
Keď hovoria o super vysielaní, vedci znamenajú transformácie identických svetelných lúčov, ktoré existujú na horizonte udalostí čiernej diery. V 60. rokoch sa super translácie používali na opis lúčov svetla v nekonečne v časopriestore, a nie v horizonte udalostí čiernych dier. Strominger vysvetlil myšlienku super vysielania na príklade zbierky nekonečne dlhých a identických slamiek. Ak sa jeden z nich pohybuje v porovnaní s ostatnými pohybom nahor alebo nadol, možno takýto pohyb považovať za skutočný? Výskum vedcov dal na túto otázku pozitívnu odpoveď.
Gerard t'Hooft a Stephen Hawking
Foto: Håkan Lindgren / kth.se
„Ak porovnáte dve čierne diery, ktoré sa líšia iba pridaním mäkkého fotónu, ktorý nemení energiu, získate rôzne čierne diery. A potom ich necháte odpariť. V takom prípade sa musia odpariť na niečo iné. Uvádzame presný vzorec, ktorý je jedným z hlavných výsledkov našej práce a opisuje rozdiely v kvantovom stave čiernej diery, ku ktorej bol alebo nebol pridaný mäkký fotón, “povedal Strominger pre Scientific American.
Fyzik poznamenal, že v priebehu výskumu dokázal formulovať 35 sľubných problémov, ktorých riešenie môže trvať až niekoľko mesiacov. „Ak máme všetky ingrediencie na pochopenie kvantovej dynamiky čiernych dier, je možné spočítať počet holografických pixelov,“uviedol. V budúcnosti sa Strominger a spoluautori neučia super-preklady, ale super-rotácie. Použitím analógie s rovnakými nekonečne dlhými slamkami môžeme povedať, že v tomto prípade sa tieto miesta vymieňajú medzi sebou (jedna slama sa otáča okolo druhej).
"Sú to (super rotácie) ďalší druh symetrie v nekonečne, kde nielen pohybujete svetelnými lúčmi nahor a nadol, ale dovolíte im pohybovať sa navzájom voči sebe," povedal Strominger. Vedci začali takéto transformácie študovať asi pred desiatimi rokmi a pokrok v ich porozumení sa dosiahol iba v posledných dvoch rokoch. Hawking, ktorý oslávil svoje 74. narodeniny 8. januára, predstaví svoju víziu svojej novej práce na prednáškach, ktoré bude vysielať 26. januára a 2. februára BBC Radio 4.
Andrey Borisov