Знаменитий парадокс чорної діри Гокінга, можливо, нарешті має рішення

Один з найвідоміших парадоксів фізика Стівена Гокінга нарешті може бути вирішений: нові дослідження показують, що чорні діри насправді можуть зберігати інформацію про масивні зірки, які їх створили. Ця інформація може ховатися у випромінюванні навколо чорних дір – розмовно відомому як “квантове волосся” – і теоретично може бути вилучена, щоб дізнатися про походження цих чорних дір, припускають автори дослідження.

Ці знахідки можуть нарешті розв’язати складну проблему, над якою Гокінг працював в останні роки свого життя.

Згідно з роботою Стівена Гокінга, випромінювання повільно “витікає” з чорних дір у вигляді теплової енергії, яка стала відома як “випромінювання Гокінга”. Але через свою теплову природу це випромінювання не може нести інформацію. Це означає, що, випаровуючись, чорні діри методично знищують всю інформацію про зірки, які їх створили. Це суперечить законам квантової механіки, які стверджують, що інформація не може бути знищена і що кінцевий стан об’єкта може дати підказки про його початковий стан. Ця проблема турбує космологів протягом десятиліть і відома як “інформаційний парадокс Гокінга”.

“[Це дослідження] є останнім цвяхом у труну парадокса, тому що ми тепер розуміємо точне фізичне явище, за допомогою якого інформація витікає з чорної діри, що розпадається”, – сказав Ксав’єр Кальмет, професор фізики в Університеті Сассекса і провідний автор дослідження, в електронному листі дочірньому виданню Space.com Live Science. Він пропонує модифікацію випромінювання Гокінга, яка робить його “нетепловим” і, таким чином, здатним переносити інформацію подалі від остаточної долі чорної діри.

Чорні діри – це настільки масивні об’єкти, що ніщо не може втекти від їхньої гравітації, навіть світло. Вони утворюються, коли у величезних зірок закінчується паливо і вони колапсують самі на себе. У класичній фізиці чорні діри є “дуже простими об’єктами”, – каже Кальмет. “Настільки прості, що їх можна охарактеризувати трьома числами: масою, кутовим моментом і електричним зарядом”.

Відомий фізик Джон Уілер описав цю відсутність відмінних характеристик, сказавши, що “чорні діри не мають волосся”. Але, як пояснив Кальмет, в той час, як кінцева чорна діра дуже проста, початкова зірка, яка її породила, є складним астрофізичним об’єктом, що складається зі складної амальгами протонів, електронів і нейтронів, які об’єднуються разом, утворюючи елементи, що формують хімічний склад цієї зірки.

Хоча чорні діри не несуть ніякої “пам’яті” про зірки, якими вони колись були, правила квантової фізики кажуть, що інформація не може бути просто стерта з Всесвіту. У 1976 році Гокінг вніс ложку дьогтю в цю космічну бочку меду, показавши, що інформація також не може залишатися нескінченно довго в чорних дірах, запечатаних від зовнішнього всесвіту. Застосувавши правила квантової механіки до чорних дір, Гокінг припустив, що вони випромінюють різновид теплового випромінювання, пізніше названий випромінюванням Гокінга. За величезні проміжки часу витік цього випромінювання призводить до того, що чорні діри повністю випаровуються, залишаючи по собі лише вакуум. Таким чином, інформація безповоротно втрачається.

“Однак цього не дозволяє квантова фізика, яка стверджує, що фільм “життя” цієї чорної діри можна перемотати назад, – каже Кальмет. – Починаючи з випромінювання, ми зможемо відновити початкову чорну діру, а потім, врешті-решт, і зірку”.

Разом зі своїм колегою Стівом Хсу, професором теоретичної фізики Мічиганського державного університету, Кальмет з 2021 року працює над розгадкою парадоксу Гокінга. У попередньому дослідженні, опублікованому в березні 2022 року, команда стверджувала, що чорні діри дійсно мають “квантове волосся” у вигляді унікального квантового відбитка в гравітаційних полях, які їх оточують.

У своєму новому дослідженні команда переоцінила розрахунки Гокінга 1976 року, але цього разу врахувала ефекти “квантової гравітації” – опису гравітації згідно з принципами квантової механіки – чого Гокінг не зробив.

“Хоча ці квантові гравітаційні поправки мізерно малі, вони мають вирішальне значення для випаровування чорних дір, – каже Кальмет. – Ми змогли показати, що ці ефекти модифікують випромінювання Гокінга таким чином, що це випромінювання стає нетепловим. Іншими словами, враховуючи квантову гравітацію, випромінювання може містити інформацію”.

Хоча квантова волосина, запропонована в попередній роботі Кальмета і Хсу, була абстрактною математичною концепцією, команда тепер визначила точне фізичне явище, за допомогою якого інформація покидає чорну діру через випромінювання Гокінга, і як її може отримати зовнішній спостерігач. Наразі це неможливо, оскільки для цього потрібен інструмент, достатньо чутливий для вимірювання випромінювання Гокінга, яке наразі існує лише в теорії.

Наразі астрофізики не мають реальної можливості виміряти ефект, який пропонують дослідники, оскільки він мізерно малий, визнає Кальмет. Натомість він пропонує один із способів розвинути цю теорію – вивчати симуляції чорних дір у лабораторіях на Землі. Математичне моделювання випромінювання Гокінга і чорних дір може виявитися неоціненним у цих симуляціях.

Теж цікаво:

• Астрофізики випадково побачили вибух наднової та підтвердили давню теорію
• 10 відкриттів, що доводять правоту Ейнштейна щодо Всесвіту. І 1, яке заперечує