Czarne dziury zawsze pozostawały proste w naszej wyobraźni.
Był czas, kiedy stosując reguły ogólnej teorii względności, można było sobie wyobrazić gęstą nieskończoną osobliwość. Otoczony był strefą grawitacyjną, z której nie można było uciec i został nazwany „horyzontem zdarzeń”. Składniki te wraz z kilkoma dodatkowymi szczegółami stanowiły podstawowy opis anatomii czarnej dziury.
O tym podręczniku napisano bardzo wyraźnie: nic, nawet promień światła nie może przebić się przez grawitacyjne występki horyzontu zdarzeń obiektu. To tylko bilet w jedną stronę. Jeśli astronauta jest zbyt blisko horyzontu zdarzeń, zostanie wciągnięty do środka. I będzie musiał spaść na śmierć, spodziewając się strasznych konsekwencji ze spaghettification.
Chociaż jest to forma uproszczona, służyła jako dość przyzwoite wyjaśnienie tego, co dzieje się w czarnej dziurze. Ale w latach siedemdziesiątych brytyjski guru fizyki teoretycznej, Stephen Hawking, przedstawił swoją główną teorię parowania czarnych dziur. W dzisiejszych czasach Hawking uważa, że podręczniki były błędne, co doprowadziło nas do przekonania, że czarni wyglądają jak ulice jednokierunkowe.
Problem promieniowania Hawkinga
Złożoność faktu, że czarne dziury mogą wyparować, jest konsekwencją dziwności niezbadanego świata kwantowego. Teoretycy kwantowi sugerują, że w przestrzeni próżniowej para „wirtualnych cząstek” ciągle wyskakuje z przestrzeni i wraca do niej. Okazuje się więc, że „prawdziwa próżnia” nigdy nie jest pusta. W rzeczywistości jest on wypełniony parami cząstek kwantowych, które rodzą się na świecie, a następnie anihilują w małym odstępie czasu. Zwykle taki proces odbywa się bez przeszkód i zaczepów - cząstki powstają z próżni, a następnie unicestwiają się ze swoim partnerem, a Wszechświat prowadzi własną działalność. Ale jeśli dodasz czarną dziurę do miksu, wszystko wokół ciebie nabiera cech szaleństwa.
Jak wspomnieliśmy powyżej, horyzont zdarzeń w czarnej dziurze staje się punktem, z którego nie ma powrotu. Więc co się stanie, gdy para wirtualnych cząstek wzbije się w ogólnym istnieniu na horyzoncie i tylko jedna wpadnie do środka? Cóż, druga „wirtualna cząstka”, która straciła partnera anihilacji, jest dosłownie wypędzana z czarnej dziury i staje się kategorią „rzeczywistości”. W procesie stawania się „rzeczywistością” cząstka ta zabiera część masy z czarnej dziury (mechanika kwantowa nigdy nie twierdziła, że ma logiczne znaczenie). Z powodu tego procesu, nieustannie szalejącego w horyzoncie zdarzeń, czarna dziura zaczyna tracić masę fizyczną. To właśnie jest parowanie promieniowania Hawkinga.
Do tej pory tylko rozgrzewałem twój apetyt na osobliwości kwantowej teorii pola, a wtedy będzie to tylko dziwniejsze. Ale najpierw musimy dotknąć dodatkowych informacji.
Ogólna teoria względności i kwantowa teoria pola grają między sobą według reguł. Obie dziedziny fizyki zajmują się podstawowymi opisami przestrzeni, czasu i materii na poziomie mikro (kwantowym) i makro (kosmologicznym). Znajdują się po przeciwnych stronach wagi. Po niedawnym odkryciu bozonu Higgsa kwantowa „książka receptur”, zwana modelem standardowym, po raz kolejny pomogła udowodnić, że jest to dokładny opis działania naszego Wszechświata.
Model standardowy wydaje się mieć podstawowy problem z grawitacją. Do tej pory fizycy nie byli w stanie znaleźć cząstki pośredniczącej w sile grawitacji (hipotetyczna nazwa to „grawiton”). I mimo wszystkich wysiłków wydaje się, że nadal nie ma sposobu na rozwiązanie tej zagadki. W ostatnich latach czarne dziury stały się kolejnym polem bitwy między ogólną teorią względności a kwantową teorią pola.
Antyteza „Bez dramatu”
Kiedy materia (a więc „informacja”) wchodzi w przestrzeń czarnej dziury, jest usuwana ze znanych granic Wszechświata i jest skutecznie niszczona. To jest problem. Ogólna teoria względności niewiele dba o informacje, które posiada materia. Z drugiej strony teoria kwantowa jest zbyt zainteresowana tą informacją i uważa, że nie można jej „wyczyścić”.
W 2004 roku wydarzyło się słynne wydarzenie, kiedy Hawking przyznał się do porażki w sporze z fizykiem teoretycznym Johnem Presquilem. Potwierdził, że informacja „zagubiona” w czarnej dziurze jest zakodowana w promieniowaniu Hawkinga (początkowo twierdził, że czarne dziury niszczą informacje, a informacja w promieniowaniu jest nowym kodem, który nie odnosi się do obiektu wchodzącego do dziury).
Ale ta szybka poprawka stworzyła kolejny problem. W 2012 r. Grupa fizyków pod przewodnictwem Josepha Polchinskiego z University of California w Santa Barbara zdała sobie sprawę, że przechowywanie informacji w promieniowaniu Hawkinga wymagałoby „zapory ogniowej” silnej energii kwantowej, która wycisnąłaby wszystko poza horyzont zdarzeń.
Przypominając naszego nieszczęsnego kosmonautę, który wszedł w horyzont zdarzenia czarnej dziury, z ogólną teorią względności, nie doświadczy niczego podczas dryfowania przez ten obszar (oczywiście, gdyby nie Matthew McConaughey, który widziałby jasne światła). W końcu astronauta rozpadnie się na małe kawałki, ale zostanie spalony. Taki eksperyment myślowy jest znany jako postulat bez dramatu.
Ale wszystko zmienia impas z firewalla. Po prostu narusza prawa dramatu i tworzy dokładnie odwrotnie. Oznacza to, że całkowicie narusza ogólną teorię względności i teorię, która kontroluje czarną dziurę, z którą zaczęliśmy.
Więc teraz fizycy muszą walczyć z równaniami i próbować rozwiązać „paradoks informacyjny”. To właśnie robią największe umysły w ostatnich dziesięcioleciach. Sam Stephen Hawking nawet nie opuszcza tej debaty. Na przykład w ubiegłym roku omówił możliwość zastąpienia jego teorii konstrukcją teoretyczną znaną jako „pozorny horyzont”, a nie pewne granice. Być może ta koncepcja musi zostać ulepszona iw rzeczywistości horyzont ten zmienia swój kształt w odpowiedzi na fluktuacje kwantowe wewnątrz czarnej dziury. Stwarza to chaotyczne zaburzenie informacji poza pozornym horyzontem, które ani nie narusza praw dynamiki kwantowej, ani ogólnej teorii względności.
„Tak więc, jak przewiduje prognoza pogody na Ziemi, informacje zostaną skutecznie utracone, jeśli nie nastąpi utrata jedności”, napisał Hawking w artykule. Oznacza to, że chociaż informacja może zostać uwolniona z czarnej dziury, jej losowości nie można interpretować bez rozwiązania problemu z zaporą.
Nie trzeba dodawać, że to nie koniec debaty między rówieśnikami Hawkinga.
A teraz Hawking, pojawiając się w wiadomościach w Królewskim Instytucie Technologii w Sztokholmie 24 sierpnia, przedstawił swoje znakomite wyjaśnienie w publicznym wykładzie. Powiedział mi, że myśli o przetwarzaniu drutu w czarnych dziurach.
„Wierzę, że informacje nie są przechowywane w środku czarnej dziury, jak można by pomyśleć, ale na jej granicy, w horyzoncie zdarzeń”, powiedział na wykładzie.
Naukowiec wyjaśnił szczegółowo, że informacje są przechowywane na przedmiotach, które wpadają w czarną dziurę, i są przekształcane w 2-wymiarowe hologramy, po czym są wychwytywane w promieniowaniu Hawkinga i usuwane z czarnej dziury. Ale nie ma w nim romansu, ponieważ nie wygląda na super zaawansowany komputerowy dysk twardy. Zamiast tego to prawdziwy chaotyczny bałagan.
„Myślę, że czarne dziury wcale nie są tego samego koloru, co opisane” - wyjaśnił. - „Nie stanowią wiecznego więzienia, jak wcześniej sądzono. Rzeczy mogą przejść od dziury do zewnętrznego lub do innych wszechświatów. ” Czekamy na dokumenty, które Hawking i jego pracownicy zamierzają opublikować w ciągu kilku tygodni, aby zrozumieć, co rozumiał przez słowo „inne” wszechświaty. Istnieją jednak założenia, które jasno pokazują, że dziury mogą służyć jako drzwi do równoległych światów, a nawet pełnych wszechświatów.
Event Horizon Telescope
Obecnie Hawking mógł sformułować „wyjście awaryjne”, aby uzyskać informacje z obiektu, który wszedł do czarnej dziury. Ale nie będziemy w stanie dokładnie znać procesu, dopóki w pełni nie poznamy natury tych obiektów.
Astronomowie z teleskopu Event Horizon są bliscy zobaczenia głębokiego jądra naszej Galaktyki. Mogą zobaczyć rzutowany dysk światła, który otacza supermasywną czarną dziurę Drogi Mlecznej, Strzelec A, znajdującą się w odległości 20 tysięcy lat świetlnych.
„Przez wiele lat Hawking starał się znaleźć rozwiązania paradoksu informacyjnego: albo dostroić go tak, aby kwantowa teoria pola łączyła się z ogólną teorią względności, albo zmienić sposób widzenia czarnej dziury” - pisze Dimitrios Psaltis, profesor astronomii i fizyki z University of Arizona . „Jeśli wszystko zadziała z drugą opcją, teleskop Event Horizon będzie mógł zobaczyć wyjątkowy widok”.
Praca Hawkinga może zaproponować nowe, przełomowe pomysły i stanowić okazję do rozważenia niektórych aspektów paradoksu informacyjnego.
