Один из самых известных парадоксов физика Стивена Хокинга наконец-то может быть разрешен: черные дыры на самом деле могут зависеть от информации о массивных звездах, которые их создали.
Эта информация может скрываться в излучении вокруг черных дыр — в просторечии известном как «квантовые волосы» — и теоретически может быть извлечена, чтобы пересказать происхождение этих черных дыр, предполагает исследование. Его результаты, опубликованные в журнале Physics Letters B, могут, наконец, решить сложную проблему, над которой Хокинг работал в последние годы своей жизни.
Согласно работе ученого, излучение медленно «просачивается» из черных дыр в виде тепловой энергии, которая стала известна как «излучение Хокинга». Но из-за своей тепловой природы это излучение не может нести информацию. Это означает, что по мере испарения чёрные дыры методично уничтожают всю информацию о создавших их звёздах. Это противоречит законам квантовой механики, согласно которым информация не может быть уничтожена и что конечное состояние объекта может дать ключ к разгадке его начального состояния. Эта проблема беспокоила космологов на протяжении десятилетий и известна как «информационный парадокс Хокинга».
«[Это исследование] — последний гвоздь в крышку гроба парадокса, потому что теперь мы понимаем точное физическое явление, благодаря которому информация покидает распадающуюся черную дыру», — заявил ведущий автор исследования Ксавьер Калмет, профессор физики в Университете Сассекса. Он предлагает модификацию излучения Хокинга, которая делает его «нетепловым» и, таким образом, способным уносить с собой информацию от окончательной судьбы черной дыры.
Проблема черной дыры
Черные дыры — это объекты настолько массивные, что ничто не может избежать их притяжения, даже свет. Они образуются, когда у огромных звезд заканчивается топливо и они разрушаются сами по себе. В классической физике черные дыры — это «очень простые объекты», — отметил Кальме. — Настолько просто, что их можно охарактеризовать тремя числами: их массой, угловым моментом и электрическим зарядом».
Известный физик Джон Уилер описал это отсутствие отличительных характеристик, сказав, что «у черных дыр нет волос». Но, как объяснил Кальме, в то время как сама черная дыра очень проста, исходная звезда, породившая ее, представляет собой сложный астрофизический объект, состоящий из смеси протонов, электронов и нейтронов, союз которых формирует элементы, составляющие химический состав звезды.
Хотя черные дыры не несут «памяти» о звездах, которыми они когда-то были, правила квантовой физики гласят, что информацию нельзя просто стереть из Вселенной. В 1976 году Хокинг показал, что эта информация не может бесконечно пребывать в черных дырах, изолированных от внешней вселенной. Применяя правила квантовой механики к черным дырам, Хокинг предположил, что (как уже было сказано) они испускают тип особого теплового излучения. Однако через огромные промежутки времени утечка этого излучения приводит к тому, что черные дыры полностью испаряются, оставляя после себя только вакуум. Таким образом, информация безвозвратно теряется.
«Однако подобное утверждение не допускается квантовой физикой, утверждающей, что история "жизни" этой черной дыры может быть перемотана вспять. Начиная с излучения, мы должны быть в состоянии восстановить первоначальную черную дыру, а затем, в конечном итоге, и звезду», — отметил Кальме.
Найдены «волосы» черной дыры
Вместе со своим коллегой Стивом Сюй, профессором теоретической физики Мичиганского государственного университета, Кальме с 2021 года работает над раскрытием парадокса Хокинга. В предыдущем исследовании, опубликованном в марте 2022 года, команда утверждала, что у черных дыр действительно есть «квантовые волосы» в виде уникального квантового отпечатка в окружающих их гравитационных полях.
В новой работе ученые пересмотрели расчеты Хокинга 1976 года, но на этот раз учли эффекты «квантовой гравитации» — «описание гравитации в соответствии с принципами квантовой механики, чего Хокинг в свое время не сделал».
«Хотя эти квантовые гравитационные поправки ничтожны, они имеют решающее значение для испарения черной дыры. Мы смогли показать, что эти эффекты модифицируют излучение Хокинга таким образом, что это излучение становится нетепловым. Другими словами, с учетом квантовой гравитации излучение может содержать информацию», — заявил Кальме.
В то время как квантовый волос, предложенный в предыдущей работе Кальмета и Хсу, был абстрактной математической концепцией, теперь команда определила точное физическое явление, благодаря которому информация покидает черную дыру с помощью излучения Хокинга, и как ее может получить внешний наблюдатель. В настоящее время это невозможно, поскольку для этого потребуется инструмент, достаточно чувствительный для измерения излучения Хокинга, которое в настоящее время является чисто теоретическим.
Сейчас у астрофизиков нет реального способа измерить эффект, предлагаемый исследователями, поскольку он ничтожен, признал Кальме. Вместо этого ученый предполагает, что одним из способов развития этой теории будет изучение симуляций черных дыр в лабораториях на Земле. Математическое моделирование излучения Хокинга и черных дыр, проведенное командой, может оказаться неоценимым в этих симуляциях.
