Teoretični fiziki Stephen Hawking, Malcolm Perry in Andrew Strominger so predlagali rešitev paradoksa izgube informacij v črnih luknjah. Ta problem mnogi znanstveniki ocenjujejo kot enega najpomembnejših v fiziki, saj je povezan z determinizmom sveta - kako se preteklost, sedanjost in prihodnost med seboj vplivajo. "Lenta.ru" pove podrobnosti študije.
Bistvo problema informativnega paradoksa črnih lukenj je naslednje. Po najpreprostejši različici teorema o brez dlake je za nepopolne in ne vrteče se črne luknje, opisane v Schwarzschildu vesolje, značilen le en parameter - masa. Beseda "lasje" se v tem primeru uporablja kot metafora za druge parametre in jo je predlagal fizik John Wheeler.
Paradoks pomeni, da ni možnosti, da bi črne luknje enakovredno odmerile drug od drugega. Snov, ki vstopi v črno luknjo, nato izzveni zaradi Hawkingovega sevanja in ni jasno, kaj se zgodi z informacijami, ki jih je prej nosil. V splošnem lahko to pomeni, kot je poudaril Strominger v intervjuju z urednikom Sethom Fletcherjem za Scientific American, svet je nedoločen: sedanjost ne določa prihodnosti in je ni mogoče uporabiti za popolno rekonstrukcijo preteklosti.
Novo odkritje je Hawking prvič objavil 25. avgusta 2015, ko je govoril na konferenci na Royal Institute of Technology v Stockholmu. Nato je znanstveno skupnost zaintrigiral s prihajajočim člankom, namenjenim reševanju paradoksa črne luknje. "Informacije niso shranjene v notranjosti, kot bi lahko pričakovali, ampak na obzorju dogodkov črne luknje," je takrat dejal znanstvenik. Omenil je tudi super oddaje, ki so jih avtorji uporabili v delu (več o njih spodaj), katerega raziskava je Stromingerja navdihnila Hawkinga za pisanje članka. "Ideja je, da so super oddaje hologram padlih delcev," je dejal Hawking. "Vsebujejo vse informacije, ki bi se sicer lahko izgubile." Znanstvenik je spregovoril tudi o možnostih uporabe informacij iz črnih lukenj. "Iz vseh praktičnih namenov so informacije izgubljene," je dejal Hawking. Po njegovem oz.črne luknje informacije vračajo v "kaotični in neuporabni obliki."
V svojem predavanju dan prej, 24. avgusta, je Hawking govoril o črnih luknjah kot predorih v druge vesolje. "Če je črna luknja dovolj velika in se vrti, bi to lahko bil most v drugo vesolje. Toda po prehodu skozi to se ne boste vrnili k našemu, "je dejal fizik. Hawking je svoje ideje na konferenci 3. septembra predstavil v prednatisku na spletni strani arXiv.org. Sama Hawkingova dela, v soavtorstvu s Perryjem in Stromingerjem, so bila tam objavljena 5. januarja 2016.
Malcolm Perry, Andrew Strominger in Stephen Hawking (od leve proti desni)
Foto: Anna N. Zytkow / scienceamerican.com
Pred časom (od sredine sedemdesetih let prejšnjega stoletja) je Hawking verjel, da informacije niso shranjene v črnih luknjah. V zvezi s tem vprašanjem sta leta 1997 in Kip Thorne sklenila stavo z ameriškim teoretičnim fizikom Johnom Preskillom. Hawkingov pogled na paradoks informacij o črni luknji se je z napredkom teorije strun spremenil.
Promocijski video:
Leta 1996 sta v okviru teorije strun Strominger in Kumrun Wafa prikazala izpeljavo izraza za entropijo črnih lukenj, ki ga je izraelski fizik Jacob Bekenstein leta 1973 najprej termodinamično pridobil. Njihov zaključek kaže, da izhlapevanje črnih lukenj ohranja enotnost kvantne mehanike (povezano z dosledno razlago verjetnosti), ki jo je Hawking prej podvomil.
V delu, objavljenem leta 2005, je britanski znanstvenik poskušal kakovostno razložiti ohranjanje informacij v črni luknji s pomočjo funkcionalne celostne tehnike, prevzete s prostorom s trivialno topologijo. Isti rezultati so sledili ideji o korespondenci AdS / CFT, ki jo je leta 1998 predlagal Juan Maldacena v okviru teorije strun. Ta temelji na holografskem načelu, ki ga je leta 1993 predlagal nizozemski teoretični fizik Gerard t'Hooft (ta znanstvenik je 5. septembra 2015 objavil predokvir z alternativnim načinom shranjevanja informacij s črno luknjo).
V novem delu znanstveniki gradijo na raziskavah iz šestdesetih let prejšnjega stoletja. Potem so fiziki Steven Weinberg in drugi predlagali koncept super prevodov (ne smemo jih mešati z istoimenskim izrazom, ki se uporablja v super matematiki). Poleg tega so avtorji uporabili rezultate Stromingerja in soavtorjev, iz katerih je sledilo, da ima črna luknja tako imenovane mehke lase. Strominger je uporabil mehke fotone, znane iz kvantne elektrodinamike - kvant elektromagnetnega sevanja dolgih valovnih dolžin, ki se uporablja pri renormalizaciji (postopki za odpravo razlik v kvantni teoriji polja). Takšni delci imajo majhno energijo in pri opisu stanja vakuuma (z najnižjo energijo) vodijo do pojava novega kvantnega stanja, za katerega je značilen kotni zagon (ker ga ima foton).
Stromingerja se je zanimalo vprašanje, ali se bo začetno kvantno stanje sistema razlikovalo od naslednjega, če nastavimo valovno dolžino fotona na neskončno (to je, da njegovo energijo štejemo kot nič). Izračuni so pokazali, da se bo kvantno stanje sistema v tem primeru spremenilo. Mehki gravitoni in fotoni v meji neskončne valovne dolžine obstajajo na mejah prostora-časa. Na črne luknje se izkaže, da so mehki delci lokalizirani na obzorju dogodkov - tridimenzionalni hologram štiridimenzionalne vesoljsko-časovne luknje.
Ko govorijo o super oddajah, znanstveniki mislijo na transformacije enakih svetlobnih žarkov, ki obstajajo na obzorju dogodkov črne luknje. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja so bili uporabljeni super prevodi za opisovanje žarkov svetlobe v neskončnosti v vesolju, namesto obzorja črnih lukenj. Strominger je idejo o super oddajanju razložil na primeru zbirke neskončno dolgih in enakih slamic. Če se eden od njih premakne navzgor ali navzdol glede na druge, ali se lahko takšno gibanje šteje za resnično? Raziskave znanstvenikov so na to vprašanje dale pozitiven odgovor.
Gerard t'Hooft in Stephen Hawking
Foto: Håkan Lindgren / kth.se
»Če primerjate dve črni luknji, ki se razlikujeta le po dodajanju mehkega fotona, ki ne spreminja energije, dobite različne črne luknje. In potem jih pustiš, da izparijo. V tem primeru morajo izhlapeti v nekaj drugačnega drug od drugega. Podali smo natančno formulo, ki je eden glavnih rezultatov našega dela in opisuje razlike v kvantnem stanju črne luknje, ki jim je bil ali ni bil dodan mehak foton, je Strominger povedal za American American.
Fizik je ugotovil, da je v okviru raziskav lahko formuliral 35 obetavnih težav, katerih reševanje lahko traja do nekaj mesecev. "Če imamo vse sestavine, da razumemo kvantno dinamiko črnih lukenj, je mogoče šteti število holografskih pik," je dejal. V prihodnosti bodo Strominger in soavtorji študirali ne super prevode, temveč super rotacije. S pomočjo analogije z enakimi neskončno dolgimi slamicami lahko rečemo, da se v tem primeru slednji izmenjujejo med seboj (ena slama se vrti okoli druge).
"Oni (super rotacije) so druga vrsta simetrije v neskončnosti, kjer svetlobnih žarkov ne premikate samo navzgor in navzdol, ampak jim dovolite, da se premikajo relativno drug proti drugemu," je dejal Strominger. Znanstveniki so začeli preučevati takšne transformacije pred približno desetimi leti, napredek pri njihovem razumevanju pa je bil dosežen šele v zadnjih dveh letih. Hawking, ki je 8. januarja praznoval 74. rojstni dan, bo svojo vizijo svojega novega dela predstavil na predavanjih, ki jih bo 26. in 2. februarja predvajal BBC Radio 4.
Andrey Borisov