МОСКВА, 18 янв - РИА Новости . Британский астрофизик Стивен Хокинг признал, что черные дыры не безвозвратно поглощают информацию - часть ее просачивается наружу в виде "мягких волос" — фотонов с почти нулевой энергией, говорится в статье, размещенной в электронной библиотеке Корнеллского университета.
Достаточно долгое время ученые считали, что материя, проглоченная черной дырой, не способна покинуть ее пределы. Одну из сторон этого феномена ученые с 60 годов прошлого века описывают короткой, но емкой фразой - "черная дыра не имеет волос", которая означает, что все черные дыры с одинаковой массой, зарядом и скоростью вращения будут выглядеть и описываться совершенно одинаково.
Ситуация стала гораздо сложнее и противоречивее в 1975 году, когда знаменитый астрофизик Стивен Хокинг показал, что черные дыры будут постепенно "испаряться" благодаря квантовым эффектам у их горизонта событий, испуская энергию в виде излучения Хокинга.
Это стало большой проблемой для теоретиков, так как испарение черных дыр и рождение подобного излучения подразумевает то, что почти вся информация о квантовом состоянии частиц, "съедаемых" черной дырой, за исключением их массы, заряда и скорости вращения, будет безвозвратно теряться, что не может происходить по законам квантовой физики.
Хокинг и его коллеги теперь предполагают, что на самом деле это не совсем так. В своей новой статье, пока не принятой к публикации в рецензируемом научном журнале, они утверждают, что часть информации будет вырываться наружу в виде фотонов почти с нулевой энергией, остающихся на месте испаряющейся черной дыры.
Добавив подобные частицы в уравнения, описывающие поведение черных дыр, Хокинг и его коллеги обнаружили, что эти фотоны будут выступать переносчиками информации, на которых будет записаны данные о некоторых свойствах частиц, "съеденных" черной дырой. Извлечь информацию из них, даже если ученым удастся найти способ взаимодействия с этими фотонами, будет крайне сложно - авторы статьи сравнивают это с задачей выяснения того, что сгорело в костре, смотря на дым и пламя.
Следствием существования этих фотонов будет то, что вместо четкой линии горизонта событий у черной дыры будет своеобразный набор из "волос" из "мягких фотонов", на которых, как на голограмме, будет записана часть информации о поглощенных частицах. Этот своеобразный "экран" будет обновлять свое содержимое каждый раз, когда черная дыра будет испускать очередную порцию излучения Хокинга, что еще больше затруднит его изучение. Тем не менее, Хокинг и его коллеги считают, что подобная идея позволяет разрешить информационный парадокс, не прибегая к фантастическим и маловероятным допущениям и отклонениям от современных физических теорий.
Знаменитый британский физик Стивен Хокинг пересмотрел свои прежние теории и дал правдоподобное объяснение природе черных дыр.
Неизвестно, смотрел ли Хокинг недавний блокбастер Кристофера Нолана Интерстеллар, и если смотрел, то что он думает о возможности попавшего в черную дыру отца оправлять своей дочери сообщения через пространство и время.
Однако, новая теория Хокинга о черных дырах также затрагивает способность черных дыр необычным образом обращаться с информацией, которая в них… проваливается.
В январе 2016 года Хокинг в очередной раз попал в заголовки ведущих СМИ планеты. Тогда он заявил, что нашел возможное решение парадокса черных дыр, т.е. смог объяснить, как черные дыры могут одновременно стирать информацию и сохранять ее.
Работа Хокинга была опубликована на сайте ArXiv.org, что позволило другим физикам ознакомиться с ней и высказать критические замечания. И вот шесть месяцев спустя, не встретив серьезного сопротивления мировой научной элиты, теория Хокинга была опубликована в авторитетном журнале Physical Review Letters.
Мы попробовало проследить за ходом мысли Хокинга и разобраться, почему его новая теория считается событием в мире физики.
Вечная память?
Нынешние представления о черных дырах сформированы на базе общей теории относительности Эйнштейна.
Согласно устоявшимся представлениям, все, что пересекает горизонт событий на краю черной дыры, бесследно исчезает.
Даже свет не может избежать такой участи. Собственно, поэтому черные дыры и получили свое название. Ведь они поглощают свет, и мы их не способны увидеть.
Однако, в 1970-х британский физик Стивен Хокинг предположил, что есть нечто, способное “убежать” от черной дыры благодаря законам квантовой механики. Это нечто – радиация.
Если постараться пересказать эту теорию Хокинга простым языком, то получается примерно следующее. Когда черная дыра “заглатывает” одну половину пары частица-античастица, то другая половина возвращается обратно в космос в виде радиационной частицы, унося с собой небольшую частицу энергии черной дыры.
Вода камень точит, как говорится
Поэтому и даже ничтожный отток энергии рано или поздно может привести к исчезновению черной дыры. И ее единственным следом останется электромагнитная радиация, которую излучала эта дыра. Это явление получило названия “излучение Хокинга”.
Проблема заключается в том, что согласно подсчетам Хокинга, радиация не может содержать никакой ценной информации о том, что “заглатывала” черная дыра за время своего существования. Иными словами, вся информация теряется навсегда.
А это утверждение вступает в противоречие с представлениями современной физики о том, что время всегда можно повернуть вспять.
По крайней мере, в теории все процессы во Вселенной должны выглядеть одинаково вне зависимости от того, движется ли время вперед или назад.
На первый взгляд, это звучит странно. Но если сравнить этот принцип с принципом работы современного компьютера, то все становится предельно ясно, поясняет астрофизик Деннис Овербай.
“Вселенная представляет собой нечто наподобие суперкомпьютера, – говорит он. – И предполагается, что она способна вести учет всего, что происходило в ее пределах”.
В качестве примера он приводит логи камер дорожного наблюдения. В них содержатся записи о том, что одна из проехавших машин была зеленым пикапом, а другая – красным Porsche. И эта информация сохраняется спустя длительное время после того, как обе машины разъехались.
Точно так же и Вселенная помнит о том, что одна из частиц состояла из материи, а вторая – из антиматерии. “Частицы могут быть разрушены, но информация о них – об их основных физических атрибутах – должна существовать всегда”, – поясняет Овербай.
Черные дыры вступают в противоречие с этой основополагающей теорией квантовой механики, ведь принято считать, что они начисто уничтожают любую информацию.
Это противоречие является проблемой не только для астрофизики, но и для физики в целом.
И вот теперь, Хокинг утверждает, что нашел решение проблемы.
Волосы памяти
Вокруг черной дыры может существовать некое гало – свечение из мягких “волос”, которые способны хранить информацию, предполагает Хокинг.
На самом деле, “волосы” – это метафора. Она описывает квантовые возбуждения, которые несут данные обо всем, что проходило через черную дыру. И эти возбуждения существуют даже после того, как исчезает сама черная дыра.
По словам Овербая, эти возбуждения проще всего описать как некий космический аналог дорожек на поверхности виниловых пластинок. На этих “дорожках” записана информация о том, что проходило сквозь горизонт событий, а затем исчезало.
Выдвинув эту гипотезу в январе 2016 года, Хокинг признал ошибочность своих прежних расчетов, основываясь на которых, в свое время предполагал, что черные дыры поглощают информацию навсегда.
Новая гипотеза Хокинга о “волосах” за полгода с момента первой публикации так и не приобрела серьезных критиков. Исследователи отмечают, что это изящное объяснение информационного парадокса выглядит вполне правдоподобно.
Хотя и не до конца исчерпывающе.
“Сама по себе гипотеза не дает полноценного решения проблемы сохранения информации черными дырами, – поясняет Гари Горовиц, физик из Калифорнийского университета. – Расчеты также должны быть сделаны для гравитационных полей, а не только для электромагнитных”.
Горовиц также не уверен, что этих “волос” достаточно для хранения всей информации о том, что падает в черную дыру.
Однако, Горовиц считает, что сам ход мысли Хокинга может привести к открытию новых видов хранения информации во Вселенной. И таким образом, проблема информационного парадокса черных дыр в конце концов будет решена, предполагает он.
Другая Вселенная
“Черные дыры не являются вечной тюрьмой, как ранее думали, - говорил Хокинг, представляя свою теорию в январе. - Если вам кажется, что вы попали в черную дыру, не сдавайтесь. Есть выход”.
В этой цитате есть доля шутки, однако в целом она наводит на главную мысль, которую Хокинг припрятал в своей работе.
Если уничтожение информации возможно в принципе, рассуждает Хокинг, то можно предположить, что возможно стереть информацию о прошлом.
Таким образом, если бы черные дыры могли и вправду без следа уничтожать любую попадающую в них информацию, это означало бы, что, опять таки, чисто теоретически, могут удалять частички прошлого.
А ведь именно прошлое говорит нам о том, кто мы есть. “Без прошлого мы потеряем свою индивидуальность”, – констатирует Хокинг.
Поэтому следствием допущения о “волосах” черных дыр является гипотеза об альтернативной Вселенной. Либо же их множестве.
Хокинг считает, что все, что падает в черную дыру, оказывается в другом пространстве. При этом, Хокинг убежден, что черные дыры представляют собой билет в один конец. Вернуться в нашу Вселенную через черную дыру не получится.
Проще говоря, по теории Хокинга, показанные в Интерстелларе события не могли бы произойти. Угодив в черную дыру, главный герой не смог бы отправлять послания дочке в прошлое.
“Я с азартом отношусь к космическим полетам, но лететь в черную дыру не собираюсь”, – шутит Хокинг насчет безжалостности черных дыр.
Величайший космолог и физик-теоретик нашего времени. Родившийся в 1942 году, будущий ученый уже в 20 лет начал испытывать проблемы со здоровьем. Боковой амиотрофический склероз сильно затруднял обучение на факультете теоретической физики Оксфорда, однако не мешал Стивену вести весьма активный, наполненный событиями образ жизни. Он женился в 1965, стал членом Лондонского Королевского общества в 1974. К этому времени у него уже родились дочь и два сына. В 1985 году ученый перестал говорить. Сегодня в его организме подвижность сохранила только одна на щеке. Казалось, что полностью неподвижный и приговорен. Однако в 1995 он снова женится, а в 2007… совершает полет в невесомости.
На Земле нет человека, лишенного подвижности, который жил бы настолько наполненной, полезной и интересной жизнью.
Но и это еще не все. Величайшей разработкой Хокинга стала теория Черных дыр. «Теория Хокинга», как ее теперь называют, кардинально изменила многолетние представления ученых о Черных дырах Вселенной.
В начале работы над теорией ученый, как и многие его коллеги, утверждал, навсегда уничтожается все, что попадает в них. Этот информационный парадокс не давал покоя военным и ученым всего мира. Считалось, что никаких свойств этих космических объектов, за исключением массы, установить невозможно.
Занявшись изучением Черных дыр в 1975 году, Хокинг установил, что они постоянно излучают в космос поток фотонов и некоторых других элементарных частиц. Однако даже сам ученый был уверен, что «излучение Хокинга» носит случайный, непредсказуемый характер. Ученый британец сначала думал, что это излучение не несет никакой информации.
Однако свойство гениального ума - умение постоянно сомневаться. Хокинг продолжил исследования и обнаружил, что испарение Черной Дыры (т.е. излучение Хокинга) носит квантовый характер. Это позволило ему сделать вывод, что информация, попавшая в Черную дыру, не разрушается, а изменяется. Теория о том, что состояние дыры постоянно, верно, если рассматривать его с точки зрения неквантовой физики.
С учетом квантовой теории, вакуум наполнен «виртуальными» частицами, которые излучают разные физические поля. Сила излучения меняется постоянно. Когда она становится очень сильной, непосредственно из вакуума на горизонте событий (границе) Черной дыры могут родиться пары частица-античастица. Если полная энергия одной частицы оказывается положительной, а второй - отрицательной, если при этом частицы упали в Черную дыру, то они начинают вести себя по-разному. Отрицательная античастица начинает уменьшать энергию покоя Черной дыры, а положительная частица стремится в бесконечность.
Со стороны этот процесс выглядит как испарение, идущее из Черной дыры. Именно и носит название «излучение Хокинга». Ученый установил, что это «испарение» искаженной информации имеет собственный тепловой, видимый приборами, спектр, определенную температуру.
Излучение Хокинга, по мнению самого ученого, свидетельствует о том, что не вся информация теряется и навсегда исчезает в Черной дыре. Он уверен, что квантовая физика доказывает невозможность полного уничтожения или потери информации. А это значит, что такую информацию, пусть в измененном виде, содержит излучение Хокинга.
Если ученый прав, то прошлое и будущее Черных дыр можно исследовать так же, как историю других планет.
К сожалению, мнение о возможности путешествия через время или в другие вселенные при помощи Черных дыр. Наличие излучения Хокинга доказывает, что любой объект, упавший в дыру, вернется в нашу Вселенную в виде измененной информации.
Не все ученые разделяют убеждения британского физика. Однако оспаривать их они тоже не решаются. Сегодня весь мир ждет новых публикаций Хокинга, в которых он обещал подробно и доказательно подтвердить объективность своей перевернувшей научный мир теории.
Тем более что ученым удалось получить излучение Хокинга в лабораторных условиях. Это произошло в 2010 г.
Это все сводится к известному нам парадоксу огненной стены черных дыр. Главной особенностью черной дыры является ее горизонт событий. Горизонт событий черной дыры - точка невозврата при приближении к ней. В общей теории относительности Эйнштейна, горизонт событий представляет собой пространство и время, которые настолько деформированы под воздействием силы тяжести, что их невозможно покинуть. Пересечете горизонт событий - и вы навсегда в ловушке.
Это односторонняя природа горизонта событий уже давняя проблема для понимания гравитационной физики. Например, горизонт событий черной дыры, казалось бы, нарушает законы термодинамики. Один из принципов термодинамики гласит о том, что ничто не должно иметь температуру абсолютного нуля. Даже очень холодные вещи излучают немного тепла, но если черная дыра поглощает свет, то она не выделяет никакого тепла. Таким образом, температура черной дыры равна нулю, что не возможно.
Тогда в 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают свет благодаря квантовой механике. В квантовой теории есть пределы тому, что может быть известно об объекте. Например, вы не можете знать точно энергию объекта. Из-за этой неопределенности, энергия системы может колебаться спонтанно, до тех пор, пока ее средняя величина остается постоянной. Хокинг продемонстрировал, что вблизи горизонта событий черной дыры пары частиц могут появиться, когда одна частица оказывается в ловушке внутри горизонта событий (немного снижая массу черной дыры), а другая может избежать этого, в виде излучения (унося немного энергии черной дыры).
В то время как излучение Хокинга решило одну проблему с черными дырами, оно создало еще одну, известную как парадокс огненной стены. Когда квантовые частицы появляются парами, они спутаны, то есть, они связаны в квантовом смысле. Если одна частица захватывается черной дырой, а другая вырывается, тогда спутанность пары нарушается. В квантовой механике можно было бы сказать, что пара частиц появляется в чистом, первоначальном, виде, и горизонт событий, казалось бы, сломал это состояние.
В прошлом году было показано, что если излучение Хокинга в чистом виде, тогда либо оно не может излучать в направлении, требуемом термодинамикой, или это создаст огненную стену частиц высокой энергии вблизи поверхности горизонта событий. Это часто называют парадокс огненной стены, потому что согласно общей теории относительности, если оказаться вблизи горизонта событий черной дыры, ничего необычного не удастся заметить. Основная идея общей теории относительности (принцип эквивалентности) требует, чтобы, если вы свободно падаете к горизонту событий, не должно быть сильной огненной стены частиц высокой энергии. В своей работе Хокинг предложил решение этого парадокса, предположив, что черные дыры не имеют горизонты событий. Вместо этого они имеют кажущиеся горизонты, которые не требуют соответствия огненной стены и термодинамики. Поэтому заявление "черных дыр нет" популярно в прессе.
Но парадокс огненной стены возникает только при излучении Хокинга в чистом виде, и исследование Сабины Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder) показывает, что излучение Хокинга не в чистом виде. В своей статье, Хоссенфельдер показывает, что вместо пары спутанных частиц, излучение Хокинга связано с двумя такими парами. Одна спутанная пара попадает в ловушку черной дыры, в то время как другая убегает. Процесс похож на первоначальное предложение Хокинга, но частицы Хокинга не в чистом виде.
Таким образом, нет никакого парадокса. Черные дыры могут излучать свет таким образом, который согласуется с термодинамикой, и область вблизи горизонта событий не имеет огненной стены, как требует общая теория относительности. В итоге, предложение Хокинга является решением проблемы, которой не существует.