Ученые нашли неожиданный способ изучения парадокса исчезновения информации в черных дырах
Физики, возможно, нашли новый подход к решению парадокса информации в черной дыре, впервые использовав математику физики элементарных частиц для воссоздания излучения Хокинга без наблюдения реальной черной дыры.
У черных дыр есть проблема, которую физики до сих пор не могут объяснить. Согласно знаменитому предсказанию Стивена Хокинга, черные дыры не являются полностью темными. Они должны медленно испускать чрезвычайно слабый поток частиц, известный как излучение Хокинга. Со временем это излучение приведет к тому, что черная дыра будет сжиматься и в конечном итоге полностью исчезнет. Однако это создает серьезное противоречие в физике. Если черная дыра исчезает, что происходит со всей информацией, запертой внутри нее? Квантовая физика утверждает, что информация не может быть уничтожена, но испарение черной дыры, похоже, предполагает обратное.
На протяжении десятилетий ученые боролись с этой головоломкой, потому что излучение Хокинга слишком слабо для прямого наблюдения, а математика, связывающая гравитацию с квантовой физикой, общеизвестно сложна. Теперь международная группа исследователей нашла неожиданный новый способ изучения проблемы. Вместо того чтобы напрямую работать с чёрными дырами, они перевели излучение Хокинга на язык физики элементарных частиц, используя математическую структуру, называемую двойным копированием. Как отметил Крис Уайт, один из исследователей и физик из Лондонского университета королевы Марии, этот подход позволяет вычислять то, что раньше было невозможно вычислить, просто искусно перерабатывая уже известные результаты.
Двойное копирование — это идея, которая за последнее десятилетие изменила некоторые области теоретической физики. В своей основе концепция предполагает, что определенные уравнения, описывающие гравитацию, могут быть математически переписаны с использованием уравнений из физики элементарных частиц. Это важно, потому что современная физика разделена на две отдельные области. Общая теория относительности Эйнштейна объясняет гравитацию, черные дыры и движение массивных объектов во Вселенной. В то же время Стандартная модель объясняет крошечные частицы и силы, управляющие квантовым миром. Обе теории отлично работают сами по себе, но их становится трудно согласовать в экстремальных условиях, таких как черные дыры. Двойное копирование действует как инструмент перевода между этими двумя мирами. Упрощенно говоря, физики могут иногда преобразовать сложное гравитационное вычисление в более управляемое вычисление из физики частиц. Этот метод уже использовался для лучшего понимания нескольких гравитационных явлений, но излучение Хокинга оставалось одним из недостающих элементов. Ученые никогда раньше не находили подходящего аналога излучения Хокинга в рамках Стандартной модели. Этот пробел ограничивал полезность двойного копирования для изучения черных дыр.
В своем новом исследовании ученые наконец идентифицировали математический аналог излучения Хокинга. Вместо описания частиц, вырывающихся из черной дыры, переведенная версия включает в себя заряженную частицу, взаимодействующую с коллапсирующей сферической оболочкой, состоящей из заряженного вещества. Исследователи описали эту установку из физики частиц, используемую для математической имитации излучения Хокинга, как рассеяние безмассовой скалярной частицы через коллапсирующий электромагнитный фон. Удивительно, но математика, описывающая этот процесс рассеяния, соответствует уравнениям, управляющим излучением Хокинга. Две другие исследовательские группы независимо пришли к тесно связанным выводам в отдельных исследованиях, что укрепило уверенность в том, что связь является подлинной, а не случайной. В совокупности эти статьи предполагают, что важные особенности физики черных дыр могут уже быть закодированы внутри обычных уравнений физики элементарных частиц.
Этот результат особенно значим, потому что излучение Хокинга находится на пересечении двух кардинально разных масштабов. Чёрные дыры принадлежат к области огромных космических объектов, управляемых гравитацией, в то время как испускаемые частицы принадлежат микроскопическому квантовому миру. Тот факт, что двойное копирование может связать оба масштаба, предполагает, что взаимосвязь между гравитацией и физикой частиц может быть глубже, чем учёные предполагали ранее. Новая структура также может предоставить физикам обходной путь для решения серьёзной экспериментальной проблемы. Поскольку излучение Хокинга от реальных чёрных дыр слишком слабо для прямого обнаружения, исследователи могут вместо этого математически изучать его аналог из физики частиц. Это могло бы позволить им исследовать аспекты поведения чёрных дыр, которые ранее были недоступны.
Эта работа не решает парадокс информации о чёрной дыре, но она даёт учёным новый способ подступиться к этой задаче. Исследователи теперь надеются продвинуть структуру двойного копирования еще дальше, ища эквиваленты из физики частиц для других особенностей черных дыр, включая сам горизонт событий — границу, за которой ничто не может вырваться. Если эти связи также могут быть успешно отображены, физики, возможно, смогут изучать некоторые аспекты черных дыр, используя методы, изначально разработанные для столкновений частиц. Это будет означать серьезный сдвиг в том, как исследователи подходят к квантовой гравитации — одной из самых больших нерешенных проблем современной науки. Однако пока что исследование остается полностью теоретическим, и текущие математические отображения применимы только к тщательно контролируемым ситуациям, а не к реалистичным астрофизическим черным дырам.
Исследование в журнале arXiv.