Fizicienii teoretici Stephen Hawking, Malcolm Perry și Andrew Strominger au propus o soluție la paradoxul pierderii de informații în găurile negre. Această problemă este considerată de mulți oameni de știință ca fiind una dintre cele mai importante în fizică, deoarece este asociată cu determinismul lumii - modul în care trecutul, prezentul și viitorul se influențează reciproc. „Lenta.ru” spune detaliile studiului.
Esența problemei paradoxului informațional al găurilor negre este următoarea. Conform celei mai simple versiuni a teoremei fără păr, găurile negre neîncărcate și non-rotative descrise în spațiul-timp Schwarzschild sunt caracterizate de un singur parametru - masa. Cuvântul „păr” în acest caz este folosit ca metaforă pentru alți parametri și a fost propus de fizicianul John Wheeler.
Paradoxul înseamnă că nu există nici o modalitate de a spune găuri negre de mase egale una de cealaltă. Materia care intră în gaura neagră se evaporă ulterior din cauza radiației Hawking și nu este clar ce se întâmplă cu informațiile pe care le-a transportat anterior. În linii mari, acest lucru ar putea însemna, după cum a subliniat Strominger într-un interviu cu editorul Seth Fletcher pentru Scientific American, lumea este nedeterminată: prezentul nu definește viitorul și nu poate fi folosit pentru a reconstrui complet trecutul.
Hawking a anunțat pentru prima dată noua descoperire pe 25 august 2015, vorbind în cadrul unei conferințe la Institutul Regal de Tehnologie din Stockholm. Apoi a intrigat comunitatea științifică cu un articol viitor dedicat rezolvării paradoxului găurii negre. „Informațiile nu sunt stocate în interior, așa cum s-ar putea aștepta, ci la orizontul evenimentului unei găuri negre”, a spus atunci savantul. El a menționat, de asemenea, super-emisiile folosite de autori în lucrare (mai multe despre ele mai jos), cercetarea căreia Strominger l-a inspirat pe Hawking să scrie articolul. "Ideea este că super-emisiuni sunt o hologramă a particulelor care se încadrează", a spus Hawking. "Conțin toate informațiile care altfel s-ar fi putut pierde." De asemenea, savantul a vorbit despre perspectivele utilizării informațiilor din găurile negre. „Pentru toate scopurile practice, informațiile sunt pierdute”, a spus Hawking. Conform lui,găurile negre returnează informațiile într-o „formă haotică și inutilă”.
În prelegerea sa cu o zi mai devreme, pe 24 august, Hawking a vorbit despre găurile negre ca tuneluri către alte universuri. „Dacă o gaură neagră este suficient de mare și se rotește, ar putea fi o punte către un alt univers. Dar după ce treci prin ea, nu te vei mai întoarce la ai noștri , a spus fizicianul. Hawking și-a prezentat ideile în cadrul conferinței din 3 septembrie într-o amprentă pre-imprimată pe site-ul arXiv.org. Opera lui Hawking în sine, co-autoră cu Perry și Strominger, a fost publicată acolo pe 5 ianuarie 2016.
Malcolm Perry, Andrew Strominger și Stephen Hawking (de la stânga la dreapta)
Foto: Anna N. Zytkow / scientificamerican.com
Mai devreme (de la mijlocul anilor ’70), Hawking credea că informațiile nu sunt stocate în găurile negre. În această problemă, în 1997, el și Kip Thorne au făcut un pariu cu fizicianul teoretic american John Preskill. Opinia lui Hawking asupra paradoxului informațional al găurii negre s-a schimbat odată cu progresele din teoria șirurilor.
Video promotional:
În 1996, în cadrul teoriei de coarde, Strominger și Kumrun Wafa au demonstrat derivarea unei expresii pentru entropia găurilor negre, obținută prima dată termodinamic de către fizicianul israelian Jacob Bekenstein în 1973. Concluzia lor indică faptul că evaporarea găurilor negre păstrează unitatea mecanicii cuantice (asociată cu o interpretare consistentă a probabilității), pe care Hawking a pus-o anterior în discuție.
Într-o lucrare publicată în 2005, savantul britanic a încercat să explice calitativ conservarea informațiilor într-o gaură neagră folosind tehnica integrală funcțională preluată într-un spațiu cu o topologie banală. Aceleași rezultate au urmat de la ideea corespondenței AdS / CFT propusă în 1998 de Juan Maldacena în cadrul teoriei de coarde. La rândul său, se bazează pe principiul holografic propus în 1993 de fizicianul teoretic olandez Gerard t’Hooft (acest om de știință a publicat o amprentă la 5 septembrie 2015 cu o modalitate alternativă de stocare a informațiilor printr-o gaură neagră).
În noua lucrare, oamenii de știință se bazează pe cercetări din anii '60. Apoi fizicienii Steven Weinberg și alții au propus conceptul de super traduceri (nu trebuie confundați cu termenul cu același nume folosit în super matematica). În plus, autorii au folosit rezultatele lui Strominger și coautori, din care a rezultat că gaura neagră are așa-numitele păr moale. Strominger a folosit fotoni moi cunoscuți din electrodinamica cuantică - cantitatea radiației electromagnetice de lungimi de undă mari utilizate în renormalizări (proceduri pentru eliminarea divergențelor în teoria câmpului cuantic). Astfel de particule au energie redusă și, atunci când descriu starea de vid (cu cea mai mică energie), conduc la apariția unei noi stări cuantice caracterizate prin moment unghiular (deoarece un foton are una).
Strominger s-a arătat interesat de întrebarea dacă starea cuantică inițială a sistemului ar fi diferită de următoarea dacă am seta lungimea de undă a fotonului ca fiind infinită (adică să-i numărăm energia ca zero). Calculele au arătat că starea cuantică a sistemului se va schimba în acest caz. Gravitații moi și fotoni în limita lungimii de undă infinită există la limitele spațiului-timp. Aplicat la găurile negre, se dovedește că particulele moi sunt localizate pe orizontul evenimentului - o hologramă tridimensională a unei găuri spațiale în timp de patru dimensiuni.
Când vorbesc despre super emisiuni, oamenii de știință înseamnă transformări ale unor fascicule de lumină identice care există pe orizontul evenimentului găurii negre. În anii 1960, super traduceri au fost folosite pentru a descrie raze de lumină la infinit în spațiu, mai degrabă decât orizontul de eveniment al găurilor negre. Strominger a explicat ideea de super-difuzare folosind exemplul unei colecții de paie infinit de lungi și identice. Dacă una dintre ele este deplasată în sus sau în jos în raport cu celelalte, o astfel de mișcare poate fi considerată reală? Cercetarea oamenilor de știință a dat un răspuns pozitiv la această întrebare.
Gerard t’Hooft și Stephen Hawking
Foto: Håkan Lindgren / kth.se
„Dacă comparați două găuri negre care diferă doar prin adăugarea unui foton moale care nu schimbă energia, veți obține diferite găuri negre. Și atunci îi lași să se evapore. În acest caz, trebuie să se evapore în ceva diferit unul de celălalt. Dăm formula exactă, care este unul dintre rezultatele principale ale lucrării noastre, care descrie diferențele în starea cuantică a unei găuri negre, la care un foton moale a fost sau nu a fost adăugat”, a declarat Strominger pentru Scientific American.
Fizicianul a menționat că în cursul cercetării a fost capabil să formuleze 35 de probleme promițătoare, a căror soluție poate dura până la câteva luni. „Dacă avem toate ingredientele pentru a înțelege dinamica cuantică a găurilor negre, este posibil să numărăm numărul de pixeli holografici”, a spus el. În viitor, Strominger și coautorii vor studia nu super-traduceri, ci super-rotații. Folosind analogia cu paiele identice infinit de lungi, putem spune că în acest caz ultimele schimburi de locuri între ele (o paie se rotește în jurul celeilalte).
„Ele (super-rotații) sunt un alt tip de simetrie la infinit, unde nu doar mișcați razele de lumină în sus și în jos, ci le permiteți să se deplaseze unul față de celălalt”, a spus Strominger. Oamenii de știință au început să studieze astfel de transformări în urmă cu aproximativ zece ani, iar progresele în înțelegerea lor s-au realizat abia în ultimii doi ani. Hawking, care a sărbătorit 74 de ani de naștere pe 8 ianuarie, își va prezenta viziunea despre noua sa lucrare în prelegeri care vor fi difuzate pe 26 ianuarie și 2 februarie de BBC Radio 4.
Andrey Borisov
