Teoreettiset fyysikot Stephen Hawking, Malcolm Perry ja Andrew Strominger ovat ehdottaneet ratkaisua mustien reikien tiedon menetyksen paradoksiin. Monet tutkijat pitävät tätä ongelmaa yhtenä tärkeimmistä fysiikassa, koska se liittyy maailman determinismiin - miten menneisyys, nykyisyys ja tulevaisuus vaikuttavat toisiinsa. "Lenta.ru" kertoo tutkimuksen yksityiskohdat.
Mustajen reikien tietoparadoksin ongelman ydin on seuraava. Schwarzschild-avaruusajassa kuvatuille lataamattomille ja pyörimättömille mustille reikille on yksinkertaisimman hiuslauseen version mukaan karakterisoitu vain yksi parametri - massa. Sanaa "hiukset" käytetään tässä tapauksessa metaforana muille parametreille, ja sen ehdotti fyysikko John Wheeler.
Paradoksi tarkoittaa, että ei ole mitään keinoa kertoa yhtä suurien massojen mustia reikiä toisistaan. Mustaan reikään kulkeva aine haihtuu myöhemmin Hawkingin säteilyn vuoksi, ja on epäselvää, mitä tapahtuu aiemmin kuljettamalle tiedolle. Yleisesti ottaen tämä voi tarkoittaa, kuten Strominger huomautti Scientific Americanin toimittajan Seth Fletcherin haastattelussa, maailma on määrittelemätön: nykyhetki ei määrittele tulevaisuutta eikä sitä voida käyttää kokonaan rekonstruoimaan menneisyyttä.
Hawking ilmoitti uudesta löytöstään ensimmäisen kerran 25. elokuuta 2015 puhuessaan konferenssissa Tukholman kuninkaallisessa tekniikan instituutissa. Sitten hän kiehtoi tiedeyhteisöä tulevalla artikkelissa, joka oli omistettu mustan aukon paradoksin ratkaisemiseen. "Tietoja ei tallenneta sisällä, kuten voitaisiin odottaa, vaan mustan aukon tapahtumahorisontissa", tiedemies sanoi tuolloin. Hän mainitsi myös kirjoittajien käyttämissä superlähetyksissä (lisää niistä alla), joiden tutkimus inspiroi Hawkingia kirjoittamaan artikkelin. "Ajatuksena on, että superlähetykset ovat hologrammi putoavista hiukkasista", Hawking sanoi. "Ne sisältävät kaiken tiedon, joka muuten olisi voinut kadota." Tiedemies puhui myös mahdollisuuksista käyttää mustista aukoista saatua tietoa. "Kaikista käytännön tarkoituksista tiedot menetetään", Hawking sanoi. Hänen mukaansa,mustat aukot palauttavat tiedot "kaoottisessa ja turhassa muodossa".
Päivää aikaisemmin, 24. elokuuta, pitämässään luennossa Hawking puhui mustista reikistä tunneleina muihin maailmankaikkeuksiin.”Jos musta reikä on tarpeeksi suuri ja pyörii, se voi olla silta toiseen maailmankaikkeuteen. Mutta käytyäänsi sen läpi et enää palaa omamme”, fyysikko sanoi. Hawking esitteli ideansa konferenssissa 3. syyskuuta esitulostuksena arXiv.org-verkkosivustolla. Itse Hawkingin teos, yhdessä Perryn ja Stromingerin kanssa, julkaistiin siellä 5. tammikuuta 2016.
Malcolm Perry, Andrew Strominger ja Stephen Hawking (vasemmalta oikealle)
Kuva: Anna N. Zytkow / Scientificamerican.com
Aikaisemmin (1970-luvun puolivälistä lähtien) Hawking uskoi, että tietoja ei tallenneta mustiin reikiin. Vuonna 1997 hän ja Kip Thorne tekivät vetoa amerikkalaisen teoreettisen fyysikon John Preskillin kanssa. Hawkingin näkemys mustan aukon tietojen paradoksista on muuttunut kierteteorian edistyessä.
Mainosvideo:
Strominger ja Kumrun Wafa osoittivat vuonna 1996 joustoteorian puitteissa lausekkeen johdannon mustien reikien entroopialle, jonka israelilainen fyysikko Jacob Bekenstein sai termodynaamisesti ensimmäisen kerran vuonna 1973. Heidän päätelmänsä osoittaa, että mustien reikien haihtuminen säilyttää kvanttimekaniikan yhtenäisyyden (liittyy todennäköisyyden johdonmukaiseen tulkintaan), jota Hawking aiemmin kyseenalaisti.
Vuonna 2005 julkaistussa työssä brittiläinen tiedemies yritti selittää kvalitatiivisesti mustan aukon tietojen säilymistä funktionaalisen integraalitekniikan avulla, joka on otettu tilalle, jolla on triviaalia topologiaa. Samat tulokset seurasivat AdS / CFT-kirjeenvaihdon ajatusta, jonka Juan Maldacena ehdotti vuonna 1998 jousuteorian puitteissa. Se puolestaan perustuu holografiseen periaatteeseen, jonka hollantilainen teoreettinen fyysikko Gerard t'Hooft ehdotti vuonna 1993 (tämä tiedemies julkaisi 5. syyskuuta 2015 esipainan, jossa on vaihtoehtoinen tapa tallentaa tietoa mustalla aukolla).
Uudessa teoksessa tutkijat tukeutuvat 1960-luvun tutkimukseen. Sitten fyysikot Steven Weinberg ja muut ehdottivat superkääntämisten käsitettä (niitä ei pidä sekoittaa samannimiseen termiin, jota käytetään supermatematiikassa). Lisäksi kirjoittajat käyttivät Stromingerin ja muiden kirjoittajien tuloksia, joista käy ilmi, että mustalla aukolla on ns. Pehmeät hiukset. Strominger käytti kvantielektrodynamiikasta tunnettuja pehmeitä fotoneja - pitkien aallonpituuksien sähkömagneettisen säteilyn kvantteja, joita käytettiin renormalisaatioissa (menettelyt erojen poistamiseksi kvanttikenttäteoriassa). Tällaisilla hiukkasilla on vähän energiaa, ja kun ne kuvaavat tyhjiötilaa (pienimmällä energialla), ne johtavat uuden kvanttitilan esiintymiseen, jolle on ominaista kulmaliike (koska fotonilla on sellainen).
Strominger kiinnostui kysymyksestä, olisiko järjestelmän alkuperäinen kvanttitila erilainen kuin seuraava, jos asetamme fotonin aallonpituudeksi äärettömän (eli laskemme sen energian nollaksi). Laskelmat ovat osoittaneet, että järjestelmän kvanttitila muuttuu tässä tapauksessa. Pehmeät gravitonit ja fotonit, jotka ovat äärettömän aallonpituuden rajoissa, esiintyvät avaruus-ajan rajoilla. Sovellettuna mustiin reikiin käy ilmi, että pehmeät hiukkaset sijaitsevat tapahtumahorisontissa - kolmiulotteinen hologrammi nelidimensioisesta avaruus-aika-aukosta.
Kun puhutaan superlähetyksistä, tutkijat tarkoittavat identtisten valonsäteiden muunnoksia, jotka ovat mustan aukon tapahtumahorisontissa. 1960-luvulla super käännöksiä käytettiin kuvaamaan valonsäteitä äärettömyydessä avaruuden aikana mustien reikien tapahtumahorisontin sijaan. Strominger selitti superlähetyksen ajatuksen esimerkillä äärettömän pitkien ja identtisten olkien kokoelmasta. Jos yhtä niistä siirretään ylös tai alas suhteessa muihin, voidaanko tällaista liikettä pitää todellisena? Tutkijoiden tutkimus on antanut myönteisen vastauksen tähän kysymykseen.
Gerard t'Hooft ja Stephen Hawking
Kuva: Håkan Lindgren / kth.se
”Jos vertaat kahta mustaa reikää, jotka eroavat toisistaan vain pehmeän fotonin lisäämisen avulla, joka ei muuta energiaa, saat erilaisia mustia aukkoja. Ja sitten annat heidän haihtua. Tässä tapauksessa niiden on haihtuva toisiinsa erilaiseksi. Annamme tarkan kaavan, joka on yksi tärkeimmistä työmme tuloksista ja kuvaa kuvausta mustan aukon kvantitilassa, johon pehmeää fotonia lisättiin tai jota ei lisätty”, Strominger kertoi Scientific Americanille.
Fyysikko totesi, että hän pystyi tutkimuksen aikana muotoilemaan 35 lupaavaa ongelmaa, joiden ratkaiseminen voi kestää useita kuukausia. "Jos meillä on kaikki aineosat ymmärtääksesi mustien reikien kvantidynamiikkaa, se antaa mahdollisuuden laskea holografisten pikselien lukumäärä", hän sanoi. Jatkossa Strominger ja kirjoittajat eivät aio tutkia superkääntämisiä, vaan superkääntöjä. Käyttämällä analogiaa identtisillä äärettömän pitkillä oljilla voidaan sanoa, että tässä tapauksessa jälkimmäiset vaihtavat paikkoja keskenään (yksi olki pyörii toisen ympärillä).
"Ne (superkierrokset) ovat toisenlainen symmetria äärettömyydessä, jossa et vain siirrä valonsäteitä ylös ja alas, vaan annat niiden liikkua toisiinsa nähden", Strominger sanoi. Tutkijat alkoivat tutkia tällaisia muutoksia noin kymmenen vuotta sitten, ja niiden ymmärtämisessä on edistytty vasta kahden viime vuoden aikana. 74. syntymäpäivää 8. tammikuuta juhlinut Hawking esittelee näkemyksensä uudesta työstään luennoissa, jotka lähetetään BBC Radio 4: n 26. tammikuuta ja 2. helmikuuta.
Andrey Borisov