Преди ден разбрахме, че физиците теоретици Стивън Хокинг, Малкълм Пери и Андрю Строминджар са предложили решение на парадокса на загубата на информация в черните дупки. Този проблем от много учени се смята за един от най-важните във физиката, тъй като е свързан с детерминизма в света – как миналото, настоящето и бъдещето си влияят взаимно.
Същността на проблема с информационния парадокс на черните дупки се свежда до следното. Според простата версия за теоремата за липса на коса, незаредените и невъртящи се черни дупки, описани в пространство-времето на Шварцшилд, се характеризират само с един параметър – маса.
Думата „коса“ в този случай се използва като метафора за обозначаване на другите параметри и е предложена от физика Джон Уилър.
Парадоксът означава, че няма никакъв начин да се отличат една от друга черни дупки с еднакви маси. Материята, попадаща в черната дупка, впоследствие се изпарява благодарение на лъчението на Хокинг и не е ясно какво се случва с пренасяната от нея информация. В широк смисъл това може да означава, както отбелязва Строминжър пред Scientific American, недетерминираност на света – настоящето не определя бъдещето и не може да бъде използвано за пълна реконструкция на миналото.
Хокинг заявява за новото откритие на 25 август 2015 г. на конференция в Кралския технологичен институт в Стокхолм. Тогава той заинтригува научната общественост с подготвяна статия, посветена на решаването на парадокса на черните дупки.
„Информацията може да се съхранява не вътре, както може да се очаква, а на хоризонта на събитията на черната дупка“, казва тогава ученият. Той също споменава супертранслации, използвани от авторите в работата, чието изследване вдъхновило Хокинг да напише статията.
„Идеята е в това, че супертранслацията е холограма на падащи частици – казва Хокинг. – Те съдържат цялата информация, която иначе би могла да бъде загубена.“ Ученият разказва и за перспективите за използване на информацията от черните дупки. „За всички практически цели информацията се губи“, казва Хокинг. По думите му черните дупки връщат информацията в „хаотична и безполезна форма“.
В своя лекция ден по-рано Хокинг разказал за черните дупки като за тунели в други вселени. „Ако черната дупка е достатъчно голяма и се върти, то тя може да бъде мост към друга вселена. Но преминавайки по него, никога няма да се върнете в нашата“, казва физикът. Представените на конференцията съображения са изложени на 3 септември в статия arXiv.org. Самата работа на Хокинг в съавторство с Пери и Строминджър е публикувана там на 5 февруари 2016 г.
От средата на 70-те години Хокинг смяташе, че информацията не се съхранява в черна дупка. По този въпрос през 1997 година той и Кип Торн се обзаложили с американския физик теоретик Джон Прескил. Гледната точка на Хокинг за информационния парадокс на черните дупки се променила след прогреса на струнната теория.
През 1996 г., в рамките на теорията на струните, Строминджър и Кумрун Вафа демонстрирали извод за ентропията на черните дупки, за първи път получен по термодинамичен път от израелския физик Якоб Бекенщайн през 1973 г. Изводът сочи, че при изпарението на черните дупки се съхранява единство на квантовата механика, което по-рано Хокинг подлагал на съмнение.
В публикувана през 2005 година работа британският учен пробва качествено да обясни съхранението на информацията в черна дупка с техниката функционален интеграл, взета от пространство с тривиална топология. Тези резултати следват от предложените през 1998 г. от Хуан Малдасена идеи за AdS/CFT-съответствие в рамките на теорията на струните. Тя на свой ред е основана на холографския принцип, предложен през 1993 г. От нидерландския физик теоретик Герардус т’Хоофт.
В новата работа учените са се базирали на изследвания от 60-те години. Тогава физиците Стивън Уайнбърг и други предлагат концепция за супертранслации (не бива да се бъркат с едноименния термин, използван в суперматематиката). Освен това авторите са използвали резултатите на Строминджър и сие, от които следва наличието на така наречените меки коси на черната дупка.
Строминджър е използвал известните от квантовата електродинамика меки фотони – кванти електромагнитно излъчване с голяма дължина на вълната. Такива частици притежават малка енергия и при описание на вакуумното състояние (с най-малка енергия) водят до появата на ново квантово състояние, характеризиращо се с ъглов момент.
Строминджър се заинтересувал от въпроса, ще бъде ли различимо първоначалното квантово състояние на системата от следващото, в случай че дължината на вълната е безкрайна. Изчисленията показали, че квантовото състояние на системата в този случай ще се измени. Меките гравитони и фотони в предела на безкрайната дължина на вълната съществуват на границите на пространство-времето. В приложение към черните дупки се оказва, че меките частици се локализират на хоризонта на събитията – триизмерна холограма на четиримерни пространствено-времеви дупки.
Говорейки за супертранслациите, учените имат предвид преобразуването на идентични светлинни лъчи, съществуващи на хоризонта на събитията на черна дупка.
През 60-те години супертранслациите са използвани за описание на светлинните лъчи на безкрайността на пространство-времето, а не на хоризонта на събитията на черните дупки. Строминджър пояснил идеята за супертранслации с пример за съвкупност от безкрайно дълги и идентични помежду си сламки. Ако една от тях се премести нагоре или надолу спрямо другите, може ли да се смята такова преместване за реално? Изследванията на учените са дали положителен отговор на този въпрос.
„Ако сравните две черни дупки, които се отличават само с добавяне на мек фотон, който не изменя енергията, ще получите различни черни дупки. А след това им позволявате да се изпарят. В този случай те трябва да се изпарят различно една от друга. Ние даваме точна формула, явяваща се един от главните резултати на нашата работа, описваща разликите в квантовото състояние на черната дупка, в която е бил или не е бил добавен мек фотон“, разказва Строминджър.
Физикът отбелязал, че в хода на проведеното изследване е успял да формулира 35 перспективни задачи, чието решаване може да заеме до няколко месеца. „Ако имаме всички съставки за разбиране на квантовата динамика на черните дупки, това прави възможно изчисляването на количеството холографски пиксели“, казва той.
В бъдеще Строминджър и съавторите му се готвят да изучат не супертранслациите, а суперротациите. Използвайки аналогията с еднаквите безкрайно дълги сламки, може да се каже, че в този случай последните сменят местата си (едната сламка извършва въртене около другата).
„Суперротациите представляват още един вид симетрия на безкрайността, където вие не просто придвижвате светлинните лъчи нагоре и надолу, а им позволявате да се движат един спрямо друг“, казва Строминджър.
Учените са започнали да изучават такива преобразувания преди около десет години, а прогресът в тяхното разбиране е постигнат едва в последните две години.
Хокинг ще представи виждането си за новата работа в две лекции на 26 януари и 2 февруари по BBC Radio 4. Преди дни – на 8 януари – ученият навърши 74 години.
