De teoretiska fysikerna Stephen Hawking, Malcolm Perry och Andrew Strominger har föreslagit en lösning på paradoxen för informationsförlust i svarta hål. Detta problem anses av många forskare vara ett av de viktigaste inom fysiken, eftersom det är förknippat med världens determinism - hur förflutna, nutid och framtid påverkar varandra. "Lenta.ru" berättar detaljerna i studien.
Kärnan i problemet med informationsparadoxen med svarta hål är följande. Enligt den enklaste versionen av teoremet utan hår kännetecknas oladdade och icke-roterande svarta hål som beskrivs i Schwarzschilds rymdtid av endast en parameter - massa. Ordet "hår" i detta fall används som metafor för andra parametrar och föreslogs av fysikern John Wheeler.
Paradoxen innebär att det inte finns något sätt att berätta svarta hål med lika massor bortsett från varandra. Materia som kommer in i det svarta hålet förångas därefter på grund av Hawking-strålning, och det är oklart vad som händer med den information som den tidigare hade. I stort sett kan detta betyda, som Strominger påpekade i en intervju med redaktören Seth Fletcher för Scientific American, världen är obestämd: nutiden definierar inte framtiden och kan inte användas för att helt rekonstruera förflutna.
Hawking tillkännagav den första upptäckten den 25 augusti 2015 och talade vid en konferens vid Royal Institute of Technology i Stockholm. Sedan fascinerade han det vetenskapliga samhället med en kommande artikel som ägnas åt att lösa black hole-paradoxen. "Information lagras inte inuti, som man kan förvänta sig, utan i händelseformen för ett svart hål," sa forskaren vid den tiden. Han nämnde också supersändningarna som användes av författarna i arbetet (mer om dem nedan), där Strominger inspirerade Hawking att skriva artikeln. "Tanken är att supersändningar är ett hologram av fallande partiklar," sade Hawking. "De innehåller all information som annars kan ha gått förlorad." Forskaren talade också om möjligheterna att använda information från svarta hål. "För alla praktiska ändamål går information förlorad," sade Hawking. Enligt honom,svarta hål returnerar information i en "kaotisk och värdelös form."
I sin föreläsning en dag tidigare, den 24 augusti, talade Hawking om svarta hål som tunnlar till andra universum.”Om ett svart hål är tillräckligt stort och roterar, kan det vara en bro till ett annat universum. Men efter att ha gått igenom det kommer du inte att återvända till vårt,”sade fysikern. Hawking presenterade sina idéer vid konferensen den 3 september i en förtryck på webbplatsen arXiv.org. Hawkings verk själv, tillsammans med Perry och Strominger, publicerades där den 5 januari 2016.
Malcolm Perry, Andrew Strominger och Stephen Hawking (vänster till höger)
Foto: Anna N. Zytkow / scientameramerican.com
Tidigare (sedan mitten av 1970-talet) trodde Hawking att information inte lagras i svarta hål. Om denna fråga, 1997, gick han och Kip Thorne med en amerikansk teoretisk fysiker John Preskill. Hawkings syn på informationsparadoxen om svarthålet har förändrats med framstegen inom strängteorin.
Kampanjvideo:
1996 visade Strominger och Kumrun Wafa inom ramen för strängteorin härledningen av ett uttryck för entropin av svarta hål, som först erhölls termodynamiskt av den israeliska fysikern Jacob Bekenstein 1973. Deras slutsats indikerar att förångningen av svarta hål bevarar kvantmekanikens unitaritet (förknippad med en konsekvent tolkning av sannolikheten), som Hawking ifrågasatte tidigare.
I ett arbete som publicerades 2005 försökte den brittiska forskaren att kvalitativt förklara bevarande av information i ett svart hål med den funktionella integrerade tekniken som tagits över ett utrymme med en trivial topologi. Samma resultat följde av idén om AdS / CFT-korrespondensen som föreslogs 1998 av Juan Maldacena inom ramen för strängteori. Det är i sin tur baserat på den holografiska princip som föreslogs 1993 av den nederländska teoretiska fysikern Gerard t'Hooft (denna forskare publicerade en förtryck den 5 september 2015 med ett alternativt sätt att lagra information genom ett svart hål).
I det nya arbetet bygger forskarna på forskning från 1960-talet. Då föreslog fysiker Steven Weinberg och andra begreppet superöversättningar (de borde inte förväxlas med termen med samma namn som används i supermatematik). Dessutom använde författarna resultaten från Strominger och medförfattare, varifrån det följde att det svarta hålet har så kallade mjukt hår. Strominger använde mjuka fotoner kända från kvantelektrodynamik - kvanta av elektromagnetisk strålning med långa våglängder som använts vid renormaliseringar (procedurer för att eliminera avvikelser i kvantfältteorin). Sådana partiklar har låg energi och, när de beskriver vakuumtillståndet (med den lägsta energin), leder det till uppkomsten av ett nytt kvanttillstånd kännetecknat av vinkelmoment (eftersom fotonen har ett).
Strominger blev intresserad av frågan om systemets initiala kvanttillstånd skulle skilja sig från det nästa om vi ställer in fotonvåglängden till oändlig (det vill säga att räkna dess energi som noll). Beräkningar har visat att systemets kvanttillstånd kommer att förändras i detta fall. Mjuka gravitationer och fotoner i gränsen för oändlig våglängd finns vid gränserna för rymdtid. Tillämpat på svarta hål visar det sig att mjuka partiklar är lokaliserade på händelsevisinen - ett tredimensionellt hologram av ett fyrdimensionellt rymd-tidshål
När de pratar om supersändningar menar forskare transformationer av identiska ljusstrålar som finns på det svarta hålets händelseshorisont. Under 1960-talet användes superöversättningar för att beskriva ljusstrålar i oändligheten i rymden, snarare än händelshorisonten för svarta hål. Strominger förklarade idén om supersändning med hjälp av exemplet med en samling oändligt långa och identiska sugrör. Om en av dem flyttas upp eller ner relativt de andra, kan en sådan rörelse betraktas som verklig? Forskare har gett ett positivt svar på denna fråga.
Gerard t'Hooft och Stephen Hawking
Foto: Håkan Lindgren / kth.se
”Om du jämför två svarta hål som bara skiljer sig åt i tillägg av en mjuk foton som inte förändrar energi, får du olika svarta hål. Och sedan låter du dem avdunsta. I detta fall måste de avdunsta till något som skiljer sig från varandra. Vi ger en exakt formel, som är ett av huvudresultaten i vårt arbete, som beskriver skillnaderna i kvanttillståndet för ett svart hål, till vilket en mjuk foton tillfördes eller inte lades till,”berättade Strominger till Scientific American.
Fysikern noterade att han under forskningen kunde formulera 35 lovande problem, varvid lösningen på var och en kan ta upp till flera månader. "Om vi har alla ingredienser för att förstå kvantdynamiken i svarta hål, gör det möjligt att räkna antalet holografiska pixlar," sade han. I framtiden kommer Strominger och medförfattare att studera inte superöversättningar, utan superrotationer. Med hjälp av analogin med identiska oändligt långa sugrör kan vi säga att i det här fallet det sistnämnda utbytet placerar med varandra (ett strå roterar runt det andra).
"De (superrotations) är en annan typ av symmetri i oändligheten, där du inte bara flyttar ljusstrålarna upp och ner, utan du tillåter dem att röra sig relativt varandra," sade Strominger. Forskare började studera sådana förändringar för ungefär tio år sedan, och framsteg med att förstå dem har uppnåtts först under de senaste två åren. Hawking, som firade sin 74-årsdag den 8 januari, kommer att presentera sin vision om sitt nya verk i föreläsningar som sänds den 26 januari och 2 februari av BBC Radio 4.
Andrey Borisov