Teoretičtí fyzici Stephen Hawking, Malcolm Perry a Andrew Strominger navrhli řešení paradoxu ztráty informací v černých dírách. Mnoho vědců považuje tento problém za jeden z nejdůležitějších ve fyzice, protože je spojen s determinismem světa - jak se minulost, přítomnost a budoucnost vzájemně ovlivňují. "Lenta.ru" uvádí podrobnosti studie.
Podstata problému informačního paradoxu černých děr je následující. Podle nejjednodušší verze bezsrsté věty jsou nevybité a nerotující se černé díry popsané ve Schwarzschildově prostoru charakterizovány pouze jedním parametrem - hmotou. Slovo „vlasy“se v tomto případě používá jako metafora pro jiné parametry a bylo navrženo fyzikem Johnem Wheelerem.
Paradox znamená, že neexistuje způsob, jak rozeznat černé díry stejných hmot odděleně od sebe. Látka, která vstupuje do černé díry, se následně odpařuje kvůli Hawkingovu radiaci a není jasné, co se stane s informacemi, které předtím nesla. Obecně řečeno, může to znamenat, jak zdůraznil Strominger v rozhovoru s editorem Sethem Fletcherem pro Scientific American, svět je neurčitý: přítomnost nedefinuje budoucnost a nemůže být použita k úplnému rekonstrukci minulosti.
Hawking poprvé oznámil nový objev 25. srpna 2015, vystoupil na konferenci v Royal Institute of Technology ve Stockholmu. Poté zaujal vědeckou komunitu připravovaným článkem věnovaným řešení paradoxu černé díry. "Informace nejsou uloženy uvnitř, jak by se dalo očekávat, ale na horizontu událostí černé díry," řekl v té době vědec. Zmínil také super-vysílání, které autoři používají v práci (více o nich níže), jejichž výzkum Strominger inspiroval Hawking k napsání článku. "Myšlenka je taková, že super vysílání je hologram padajících částic," řekl Hawking. "Obsahují všechny informace, které by se jinak mohly ztratit." Vědec také hovořil o vyhlídkách na využití informací z černých děr. "Pro všechny praktické účely jsou informace ztraceny," řekl Hawking. Podle něj,černé díry vracejí informace v „chaotické a zbytečné formě“.
Ve své přednášce o den dříve, 24. srpna, Hawking hovořil o černých dírách jako tunely do jiných vesmírů. "Pokud je černá díra dostatečně velká a otáčí se, mohlo by to být mostem do jiného vesmíru." Ale po jejím průchodu se už k nám nevrátíte, “řekl fyzik. Hawking představil své nápady na konferenci 3. září v předtisku na webu arXiv.org. Samotná Hawkingova práce, spoluautorka s Perrym a Stromingerem, zde byla zveřejněna 5. ledna 2016.
Malcolm Perry, Andrew Strominger a Stephen Hawking (zleva doprava)
Foto: Anna N. Zytkow / scientificamerican.com
Dříve (od poloviny 70. let) Hawking věřil, že informace nejsou uloženy v černých dírách. V této záležitosti, v roce 1997, on a Kip Thorne uzavřeli sázku s americkým teoretickým fyzikem Johnem Preskillem. Hawkingův pohled na paradox informací o černé díře se změnil s pokroky v teorii strun.
Propagační video:
V roce 1996, v rámci teorie strun, demonstrovali Strominger a Kumrun Wafa odvození výrazu pro entropii černých děr, které termodynamicky poprvé získal izraelský fyzik Jacob Bekenstein v roce 1973. Jejich závěr ukazuje, že odpařování černých děr zachovává jednotnost kvantové mechaniky (spojená s důslednou interpretací pravděpodobnosti), kterou Hawking dříve zpochybňoval.
V práci publikované v roce 2005 se britský vědec pokusil kvalitativně vysvětlit uchovávání informací v černé díře pomocí funkční integrální techniky převzaté prostorem s triviální topologií. Stejné výsledky vyplynuly z myšlenky korespondence AdS / CFT, kterou v roce 1998 navrhl Juan Maldacena v rámci teorie strun. To je zase založeno na holografickém principu navrženém v roce 1993 nizozemským teoretickým fyzikem Gerardem t'Hooftem (tento vědec publikoval předtisk 5. září 2015 s alternativním způsobem ukládání informací černou dírou).
V nové práci vědci staví na výzkumu z 60. let. Poté fyzikové Steven Weinberg a další navrhli koncept super překladů (neměli by se zaměňovat s termínem stejného jména používaným v super matematice). Autoři dále použili výsledky Strominger et al., Z čehož vyplývá, že černá díra má tzv. Měkké vlasy. Strominger používal měkké fotony známé z kvantové elektrodynamiky - kvanta elektromagnetického záření velkých vlnových délek používaných při renormalizacích (postupy pro eliminaci divergencí v teorii kvantového pole). Takové částice mají nízkou energii a při popisu stavu vakua (s nejnižší energií) vedou ke vzniku nového kvantového stavu charakterizovaného úhlovou hybností (protože foton má jeden).
Strominger se začal zajímat o otázku, zda by se počáteční kvantový stav systému lišil od příštího, kdybychom nastavili vlnovou délku fotonu na nekonečnou (tj. Spočítali jeho energii jako nulu). Výpočty ukázaly, že kvantový stav systému se v tomto případě změní. Na hranici časoprostoru existují měkké gravitony a fotony v mezích nekonečné vlnové délky. Při použití na černé díry se ukazuje, že měkké částice jsou lokalizovány na horizontu události - trojrozměrný hologram čtyřdimenzionální časoprostorové díry.
Když mluví o super vysílání, vědci znamenají transformace identických světelných paprsků, které existují na horizontu události černé díry. V 60. letech byly super translace použity k popisu paprsků světla v nekonečnu v časoprostoru, spíše než v horizontu událostí černých děr. Strominger vysvětlil myšlenku super vysílání pomocí příkladu kolekce nekonečně dlouhých a identických brčka. Pokud se jeden z nich pohybuje vůči ostatním nahoru nebo dolů, lze takový pohyb považovat za skutečný? Na tuto otázku odpověděl výzkum vědců.
Gerard t'Hooft a Stephen Hawking
Fotografie: Håkan Lindgren / kth.se
"Pokud porovnáte dvě černé díry, které se liší pouze přidáním měkkého fotonu, který nemění energii, získáte různé černé díry." A pak je necháte vypařit. V tomto případě se musí vypařit do něčeho odlišného od sebe. Uvádíme přesný vzorec, který je jedním z hlavních výsledků naší práce a popisuje rozdíly v kvantovém stavu černé díry, do které byl nebo nebyl přidán měkký foton, “řekl Strominger pro Scientific American.
Fyzik poznamenal, že v průběhu výzkumu dokázal formulovat 35 slibných problémů, jejichž řešení může trvat až několik měsíců. "Pokud máme všechny ingredience, abychom pochopili kvantovou dynamiku černých děr, umožní se spočítat počet holografických pixelů," řekl. V budoucnu se Strominger a spoluautoři nebudou zabývat super-překlady, ale super-rotacemi. Použitím analogie se stejnými nekonečně dlouhými brčkami můžeme říci, že v tomto případě se vymění místa mezi sebou (jedna sláma se otáčí kolem druhé).
"Jsou to (super rotace) další druh symetrie v nekonečnu, kde nejen pohybujete paprsky světla nahoru a dolů, ale dovolujete jim pohybovat se vůči sobě navzájem," řekl Strominger. Vědci začali takové transformace studovat asi před deseti lety a pokrok v jejich porozumění byl dosažen teprve v posledních dvou letech. Hawking, který oslavil své 74. narozeniny 8. ledna, představí svou vizi své nové práce na přednáškách, které vysílá BBC Radio 4 26. a 2. února.
Andrey Borisov