Teoretski fizičari Stephen Hawking, Malcolm Perry i Andrew Strominger predložili su rješenje paradoksa gubitka informacija u crnim rupama. Mnogi znanstvenici ovaj problem smatraju jednim od najvažnijih u fizici, jer je povezan s determinizmom svijeta - kako prošlost, sadašnjost i budućnost utječu jedni na druge. "Lenta.ru" govori o detaljima studije.
Suština problema informacijskog paradoksa crnih rupa je sljedeća. Prema najjednostavnijoj verziji teorema o ne-kosi, neispunjene i nerotirajuće crne rupe opisane u Schwarzschildu prostorno vrijeme karakterizira samo jedan parametar - masa. Riječ "kosa" u ovom se slučaju koristi kao metafora za druge parametre, a predložio ih je fizičar John Wheeler.
Paradoks znači da ne postoji način da se crne rupe jednake mase razdvoje jedna od druge. Materija koja ulazi u crnu rupu nakon toga isparava zbog Hawkingova zračenja, a nejasno je što se događa s informacijama koje je ranije nosio. Općenito govoreći, to može značiti, kao što je Strominger istaknuo u intervjuu s urednikom Sethom Fletcherom za Scientific American, svijet je neodređen: sadašnjost ne definira budućnost i ne može se koristiti za potpuno rekonstruiranje prošlosti.
Novo otkriće Hawking prvi je objavio 25. kolovoza 2015., govoreći na konferenciji u Kraljevskom tehnološkom institutu u Stockholmu. Potom je zaintrigirao znanstvenu zajednicu nadolazećim člankom posvećenim rješavanju paradoksa crne rupe. "Informacije se ne pohranjuju iznutra, kao što bi se moglo očekivati, već na horizontu događaja crne rupe", rekao je tada znanstvenik. Spomenuo je i super emisije koje su autori koristili u radu (više o njima u nastavku), čije je istraživanje Strominger nadahnulo Hawkinga na pisanje članka. "Ideja je da su super emisije hologram padajućih čestica", rekao je Hawking. "Sadrže sve informacije koje bi se inače mogle izgubiti." Znanstvenik je također govorio o izgledima za korištenje informacija iz crnih rupa. "U sve praktične svrhe, podaci se gube", rekao je Hawking. Prema njemu,crne rupe vraćaju informacije u "kaotičnom i beskorisnom obliku".
U svom predavanju dan ranije, 24. kolovoza, Hawking je govorio o crnim rupama kao tunelima do drugih svemira. Ako je crna rupa dovoljno velika i rotira se, to bi mogao biti most u drugom svemiru. Ali nakon što ga prođete, nećete se vratiti našem”, rekao je fizičar. Hawking je svoje ideje predstavio na konferenciji 3. rujna u preprintu na web stranici arXiv.org. Sam Hawkingov rad u koautorstvu s Perryjem i Stromingerom objavljen je tamo 5. siječnja 2016.
Malcolm Perry, Andrew Strominger i Stephen Hawking (slijeva udesno)
Foto: Anna N. Zytkow / scienceamerican.com
Ranije (od sredine 1970-ih) Hawking je vjerovao da se informacije ne pohranjuju u crne rupe. Po tom pitanju, 1997. godine, on i Kip Thorne sklopili su se ulog s američkim teorijskim fizikom Johnom Preskillom. Hawkingov paradoks informacija o crnoj rupi promijenio se napretkom teorije struna.
Promotivni video:
Godine 1996., u okviru teorije struna, Strominger i Kumrun Wafa demonstrirali su izvedbu izraza za entropiju crnih rupa, prvi izrađen termodinamički od izraelskog fizičara Jacoba Bekensteina 1973. godine. Njihov zaključak ukazuje da isparavanje crnih rupa čuva jedinstvo kvantne mehanike (povezano s dosljednom interpretacijom vjerojatnosti), što je Hawking prethodno doveo u pitanje.
U radu objavljenom 2005. godine, britanski znanstvenik pokušao je kvalitativno objasniti očuvanje informacija u crnoj rupi koristeći funkcionalnu integralnu tehniku koja je preuzela prostor s trivijalnom topologijom. Isti rezultati proizišli su iz ideje korespondencije AdS / CFT koju je 1998. godine predložio Juan Maldacena u okviru teorije struna. Ona se pak temelji na holografskom principu koji je 1993. godine predložio nizozemski teorijski fizičar Gerard t'Hooft (ovaj je znanstvenik 5. rujna 2015. objavio pretispis s alternativnim načinom pohrane podataka crnom rupom).
U novom djelu znanstvenici se nadovezuju na istraživanja iz 1960-ih. Tada su fizičari Steven Weinberg i drugi predložili koncept super prijevoda (ne smiju se brkati s istim nazivom koji se koristi u super matematici). Osim toga, autori su koristili rezultate Stromingera i koautora, iz čega je proizišlo da crna rupa ima takozvanu meku kosu. Strominger je koristio meke fotone poznate iz kvantne elektrodinamike - kvanta elektromagnetskog zračenja velikih valnih duljina korištenih u renormalizacijama (postupci za uklanjanje odstupanja u teoriji kvantnog polja). Takve čestice imaju malu energiju i, kada opisuju stanje vakuuma (s najnižom energijom), dovode do pojave novog kvantnog stanja koje karakterizira kutni zamah (budući da ga foton ima).
Strominger se zainteresirao za pitanje razlikuje li se početno kvantno stanje sustava od sljedećeg ako postavimo da je valna duljina fotona beskonačna (to jest, da se njena energija računa kao nula). Proračuni su pokazali da će se kvantno stanje sustava u ovom slučaju promijeniti. Mekani gravitoni i fotoni u granici beskonačne valne duljine postoje na granicama prostora-vremena. Primijenjeno na crne rupe, ispada da su meke čestice lokalizirane na horizontu događaja - trodimenzionalni hologram četverodimenzionalne rupe u prostoru i vremenu.
Kada govore o super emisijama, znanstvenici misle na transformacije identičnih svjetlosnih zraka koji postoje na horizontu događaja crne rupe. Šezdesetih su se super prijevodima koristili za opis zrake svjetlosti u beskonačnosti u prostornom vremenu, a ne za horizont događaja crnih rupa. Strominger je objasnio ideju super emitiranja na primjeru kolekcije beskonačno dugih i identičnih slamki. Ako se jedan od njih pomiče gore ili dolje u odnosu na ostale, može li se takav pokret smatrati stvarnim? Istraživanja znanstvenika dala su pozitivan odgovor na ovo pitanje.
Gerard t'Hooft i Stephen Hawking
Foto: Håkan Lindgren / kth.se
“Ako usporedite dvije crne rupe koje se razlikuju samo po dodavanju mekog fotona koji ne mijenja energiju, dobivate različite crne rupe. A onda im dopustite da isparaju. U ovom slučaju moraju ispariti u nešto drugačije jedni od drugih. Dajemo točnu formulu, koja je jedan od glavnih rezultata našeg rada, opisujući razlike u kvantnom stanju crne rupe, kojoj je mekan foton bio ili nije dodan , rekao je Strominger za Scientific American.
Fizičar je napomenuo da je tijekom istraživanja uspio formulirati 35 obećavajućih problema, čije rješenje za svaki može potrajati i do nekoliko mjeseci. "Ako imamo sve sastojke da razumijemo kvantnu dinamiku crnih rupa, to omogućava da se broji broj holografskih piksela", rekao je. Ubuduće Strominger i koautori će studirati ne super prijevode, već super rotacije. Koristeći analogiju s identičnim beskonačno dugim slamkama, možemo reći da se u ovom slučaju potonje izmjenjuju međusobno (jedna slama se okreće oko druge).
"Oni (super-rotacije) su druga vrsta simetrije u beskonačnosti, gdje ne samo da svjetlosne zrake pomičete gore-dolje, već im dopuštate da se pomiču jedan prema drugom", rekao je Strominger. Znanstvenici su počeli proučavati takve transformacije prije desetak godina, a napredak u njihovom razumijevanju postignut je tek u posljednje dvije godine. Hawking, koji je 8. siječnja proslavio 74. rođendan, predstavit će svoju viziju svog novog rada na predavanjima koja će 26. i 2. veljače emitirati BBC Radio 4.
Andrey Borisov