|
Материя оставляет отпечаток, когда падает в черную дыру
|
|
|
|
Ученые решили 50-летний «парадокс черной дыры», впервые предложенный профессором Стивеном Хокингом, который когда-то угрожал разрушить наше понимание Вселенной. Информационный парадокс черной дыры противопоставляет квантовую механику общей теории относительности, где, с одной стороны, ничто не может покинуть черную дыру из-за силы ее гравитации; с другой стороны, согласно квантовой механике, что-то излучается. Он основан на теории Хокинга о том, что черная дыра на самом деле не черная, а пары частиц и античастиц образуются на ее горизонте событий. Один уходит в черную дыру, другой убегает, но эти два состояния противоречивы. Новое исследование, проведенное группой из Университета Сассекса в Англии, показало, что очень тонкий отпечаток материи, который она оставляет на входе в черную дыру, известный как «квантовый волос», обеспечивает механизм, который связывает воедино квантовую и релятивистскую проблемы, сообщает Daily Mail.
|
|
|
|
Их решение позволяет сохранить информацию в соответствии с квантовой механикой в отпечатке, а также гарантирует, что «ничто не ускользнет» от гравитации в соответствии с теорией относительности. Опубликована пара статей, в которых изложено элегантное решение проблемы, которая вот уже полвека ставит ученых в тупик. В первой статье команда продемонстрировала, что черные дыры более сложны, чем предполагалось изначально, и имеют гравитационное поле, которое на квантовом уровне кодирует информацию о том, как они образовались. Открытие, сделанное профессором Ксавьером Кальметом и его коллегами, было названо теорией «квантовых волос из гравитации». Название было данью идее физика Джона Арчибальда Уиллера в 1960-х годах о том, что у черных дыр отсутствуют какие-либо наблюдаемые особенности, кроме их общей массы, вращения и заряда. В то время Уилер говорил, что «у черных дыр нет волос».
|
|
|
Это стало известно как «теорема об отсутствии волос», но профессор Кальмет и его коллеги продемонстрировали, что у черных дыр действительно есть «волосы» той или иной формы, образованные гравитацией. Ученые ясно показали, что материя, которая коллапсирует в черную дыру, оставляет отпечаток в гравитационном поле черной дыры, если принять во внимание квантовые гравитационные поправки. Этот отпечаток ученые называют «квантовым волосом». В частности, они сравнили гравитационные поля двух звезд с одинаковой общей массой и радиусом, но разным составом. На классическом уровне 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 том, из чего состоят звезды, и приводят к выводу, что у черных дыр все-таки есть волосы», - пояснили авторы.
|
|
|
|
В последующей статье профессор Калмет и соавтор профессор Стивен Хсу из Мичиганского государственного университета продемонстрировали, что их «квантовые волосы» разрешают информационный парадокс черной дыры Хокинга. Опубликованная в 1976 году книга Хокинга предположила, что по мере того, как они испаряются и излучают тепловое излучение, черные дыры уничтожают информацию о том, что их сформировало. Это, казалось, нарушало фундаментальный закон квантовой механики, который гласит, что любой процесс в физике можно математически обратить вспять. Однако «квантовые волосы» ученых обеспечивают механизм, с помощью которого информация сохраняется во время коллапса черной дыры, и, таким образом, решает одну из самых известных проблем современной науки. Работа основана на предыдущих исследованиях природы черных дыр и квантовой гравитации, включая исследование 2021 года, показывающее, что черные дыры «оказывают давление».
|
|
|
|
Профессор Кальмет сказал: «Черные дыры долгое время считались идеальной лабораторией для изучения того, как объединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой», двумя основными теориями, объясняющими вселенную и все, что в ней есть. «В научном сообществе обычно предполагалось, что разрешение этого парадокса потребует огромного сдвига парадигмы в физике, вынуждая потенциальную переформулировку либо квантовой механики, либо общей теории относительности», - пояснил ученый. «Что мы обнаружили - и я думаю, это особенно интересно - так это то, что в этом нет необходимости. Наше решение не требует никакой спекулятивной идеи, вместо этого наше исследование демонстрирует, что две теории можно использовать для последовательных расчетов черных дыр и объяснения того, как информация хранится без необходимости в новой физике.
|
|
|
|
«Оказывается, черные дыры на самом деле хорошие дети, хранящие память о звездах, которые их породили». Объясняя открытие квантовых волос, соавтор Роберто Касадио, профессор теоретической физики из Болонского университета, сказал, что решающим аспектом исследования является то, как образуются черные дыры. «Черные дыры образуются в результате коллапса компактных объектов, и тогда, согласно квантовой теории, нет абсолютного разделения между внутренней и внешней частью черной дыры», - пояснил он. «В классической теории горизонт действует как идеальная односторонняя мембрана, которая ничего не пропускает наружу, и поэтому внешний вид одинаков для всех черных дыр данной массы. Это классическая теорема об отсутствии волос. В квантовой теории состояние материи, которая коллапсирует и образует черную дыру, продолжает влиять на внешнее состояние, хотя и таким образом, что это совместимо с нынешними экспериментальными границами. Это так называемые квантовые волосы».
|
|
|
|
Профессор Хсу сказал, что концепция причинного горизонта является центральной в понятии черной дыры, где то, что находится за горизонтом, не может, согласно классической физике, влиять на внешний вид черной дыры. «Мы показали, что существуют сложные связи между квантовым состоянием материи за горизонтом (внутри дыры) и состоянием гравитонов снаружи. Эта запутанность позволяет кодировать квантовую информацию о внутренней части черной дыры в излучении Хокинга, уходящем в бесконечность». Первоначальная статья была опубликована в журнале Physical Review Letters.
|
|
|
|
Источник
|
