Stephen Hawking, Malcolm Perry és Andrew Strominger elméleti fizikusok megoldást javasoltak a fekete lyukakban az információvesztés paradoxonjára. Ezt a problémát sok tudós tartja a fizika egyik legfontosabbnak, mivel összekapcsolódik a világ determinizmusával - hogy a múlt, a jelen és a jövő hogyan befolyásolja egymást. A "Lenta.ru" elmondja a tanulmány részleteit.
A fekete lyukak információs paradoxonjának lényege a következő. A haj nélküli tétel legegyszerűbb változata szerint a töltött és nem forgó fekete lyukakat, amelyeket a Schwarzschild téridőben leírtak, csak egy paraméter jellemzi - a tömeg. A "haj" szót ebben az esetben más paraméterek metaforaként használják, és John Wheeler fizikus javasolta.
A paradoxon azt jelenti, hogy nem lehet megkülönböztetni az azonos tömegű fekete lyukakat egymástól. A fekete lyukba belépő anyag később Hawking sugárzás következtében elpárolog, és nem világos, mi történik a korábban szállított információkkal. Tág értelemben ez jelentheti, amint arra Strominger rámutatott Seth Fletcherrel a Scientific American szerkesztőjével készített interjúban, a világ meghatározatlan: a jelen nem határozza meg a jövőt, és nem használható fel a múlt teljes rekonstruálására.
Hawking először 2015. augusztus 25-én jelentette be az új felfedezést, a stockholmi Királyi Technológiai Intézet konferenciáján beszélt. Aztán egy közelgő cikkel, a fekete lyuk paradoxonjának megoldására szentelte a tudományos közösséget. "Az információkat nem a belső belül tárolják, mint amire számíthatunk, hanem egy fekete lyuk eseményhorizontján" - mondta a tudós akkoriban. Megemlítette a szerzők által a munkában alkalmazott szuper-sugárzott műsorokat (róluk - lent), amelyek tanulmánya Strominger ihlette Hawking-t a cikk írására. "Az ötlet az, hogy a szuper adások a leeső részecskék hologramát képezik" - mondta Hawking. "Minden olyan információt tartalmaznak, amely egyébként elveszhetne." A tudós a fekete lyukakból származó információk felhasználásának lehetőségeiről is beszélt. "Minden gyakorlati célból elvesznek az információk" - mondta Hawking. Szerinte,a fekete lyukak "kaotikus és haszontalan formában" adják vissza az információkat.
Egy nappal korábban, augusztus 24-én az előadásában Hawking a fekete lyukakról beszélt, mint alagutakról más univerzumok felé. „Ha egy fekete lyuk elég nagy és forog, akkor híd lehet egy másik univerzumhoz. De miután áthaladt rajta, nem fogsz visszatérni a miénkhez”- mondta a fizikus. Hawking bemutatta ötleteit a szeptember 3-i konferencián egy előzetes nyomtatással az arXiv.org weboldalon. Maga Hawking, Perry-vel és Strominger-rel társszerző munkája itt jelenik meg 2016. január 5-én.
Malcolm Perry, Andrew Strominger és Stephen Hawking (balról jobbra)
Fotó: Anna N. Zytkow / Scientificamerican.com
Korábban (az 1970-es évek közepe óta) Hawking úgy gondolta, hogy az információkat nem tárolják fekete lyukakban. Ebben a kérdésben 1997-ben ő és Kip Thorne fogadást kötöttek John Preskill amerikai elméleti fizikussal. Hawking nézete a fekete lyuk információs paradoxonjáról megváltozott a húrelmélet fejlődésével.
Promóciós videó:
Strominger és Kumrun Wafa 1996-ban a húr-elmélet keretében kimutatták a fekete lyukak entrópiájának kifejezését, amelyet először termodinamikailag Jacob Bekenstein izraeli fizikus kapott 1973-ban. Következtetésük azt jelzi, hogy a fekete lyukak elpárologtatása megőrzi a kvantummechanika egységét (a valószínűség következetes értelmezéséhez társítva), amelyet Hawking korábban megkérdőjelezte.
A 2005-ben közzétett munkában a brit tudós kvalitatív módon megpróbálta megmagyarázni az információmegőrzést egy fekete lyukban egy funkcionális integrál módszerrel, amelyet egy triviális topológiával rendelkező helyre vettek át. Ugyanezek az eredmények következtek az 1998-ban Juan Maldacena által a húros elmélet keretében javasolt AdS / CFT levelezés ötletéből. Ez viszont a holland elméleti fizikus, Gerard t'Hooft által 1993-ban javasolt holografikus elven alapul (ez a tudós 2015. szeptember 5-én előzetes nyomtatványt tett közzé, alternatív módon tárolva az információkat egy fekete lyuk segítségével).
Az új munkában a tudósok az 1960-as évek kutatásaira épülnek. Akkor a fizikusok, Steven Weinberg és mások javasolták a szuper fordítások fogalmát (ezeket nem szabad összetéveszteni a szupermatematikában használt azonos nevű kifejezéssel). Ezenkívül a szerzők felhasználták Strominger és társszerzőinek eredményeit, amelyekből következik, hogy a fekete lyuk úgynevezett lágy hajú. Strominger a kvantum-elektrodinamikából ismert lágy fotonokat használt - a hosszú hullámhosszúságú elektromágneses sugárzás kvantumait, amelyeket renormalizációkban alkalmaztak (eljárások a divergenciák kiküszöbölésére a kvantummező-elméletben). Az ilyen részecskék alacsony energiájúak, és a vákuumállapot leírásakor (a legalacsonyabb energiával) új kvantumállapot kialakulásához vezetnek, amelyet a szögmozgás jellemez (mivel a fotonnak van ilyen).
Strominger felvette a kérdést, vajon a rendszer kezdeti kvantumállapota különbözik-e a következőtől, ha a foton hullámhosszát végtelenre állítjuk (vagyis úgy számoljuk, hogy az energiáját nullának számítják). A számítások azt mutatták, hogy ebben az esetben a rendszer kvantum állapota megváltozik. Lágy gravitonok és fotonok a végtelen hullámhossz határában léteznek a téridő határain. A fekete lyukakkal kiderül, hogy a lágy részecskék az eseményhorizonton vannak elhelyezve - egy négydimenziós tér-idő lyuk háromdimenziós hologramja.
A szuper adásokról beszélve a tudósok azonos fénynyalábok átalakulásait értik, amelyek a fekete lyuk eseményhorizontján léteznek. Az 1960-as években a szuper fordításokat használták a végtelen fény sugarainak leírására az űridőben, ahelyett, hogy a fekete lyukakat látnák. Strominger a szuper műsorszórás gondolatát végtelen hosszú és azonos szalmagyűjtemény példájával magyarázta. Ha az egyiket felfelé vagy lefelé mozgatják a többihez képest, lehet-e egy ilyen mozgás valósnak tekinteni? A tudósok kutatása pozitív választ adott erre a kérdésre.
Gerard t'Hooft és Stephen Hawking
Fotó: Håkan Lindgren / kth.se
„Ha összehasonlítunk két fekete lyukat, amelyek csak olyan lágy foton hozzáadása esetén különböznek egymástól, amely nem változtatja meg az energiát, akkor különböző fekete lyukakat kapunk. És akkor hagyja, hogy elpárologjanak. Ebben az esetben el kell párologniuk egymástól. Adunk egy pontos képletet, amely a munkánk egyik fő eredménye, leírva egy fekete lyuk kvantumállapotának különbségeit, amelyhez lágy fotont adtak hozzá vagy nem adtak hozzá”- mondta Strominger a Scientific American-nak.
A fizikus megjegyezte, hogy a kutatás során 35 ígéretes problémát fogalmazott meg, amelyek megoldása akár több hónapot is igénybe vehet. "Ha minden összetevő megvan a fekete lyukak kvantumdinamikájának megértéséhez, ez lehetővé teszi a holografikus képpontok számát" - mondta. A jövőben Strominger és a társszerzők nem szuper fordításokat, hanem szuper-forgásokat tanulmányoznak. Az analógiát használva azonos végtelen hosszú szalmával, azt mondhatjuk, hogy ebben az esetben az utóbbi helyet cserél egymással (az egyik szalma a másik körül forog).
"Ezek (szuperforgások) egy másik szimmetriafajta a végtelennél, ahol nem csak a fénysugarakat mozgatja fel és le, hanem lehetővé teszi számukra, hogy egymáshoz képest mozogjanak" - mondta Strominger. A tudósok körülbelül tíz évvel ezelőtt kezdték el tanulmányozni ezeket az átalakításokat, és az azok megértésében csak az elmúlt két évben sikerült előrelépést elérni. Hawking, aki január 8-án ünnepelte 74. születésnapját, új munkájáról alkotja az előadásait, amelyeket január 26-án és február 2-án sugároznak a BBC Radio 4.
Andrey Borisov