Інформаційний феномен. Як чорні діри допоможуть ученим визначити межі Всесвіту

Випромінювання Гокінґа

Майже 50 років тому Гокінґ припустив, що чорні діри не лише поглинають усе навколо, а й випускають певні частки завдяки квантовим флуктуаціям.

Англійський астрофізик уважав, що у фізичному вакуумі поблизу горизонту подій чорних дір виникають так звані квантові поля або «віртуальні частинки».

Згідно з квантовою теорією поля, віртуальні частинки в областях простору-часу із сильним зовнішнім полем (власне, чорної діри) можуть просто з вакууму перетворюватися на реальні частинки й античастинки.

Згідно з Гокінґом, одна з цих частинок падає всередину чорної дірки, а інша віддаляється від неї і стає доступною для нашого спостереження. Видима нам частинка, яка і представляє випромінювання Гокінґа, повинна мати позитивну енергію, а її античастинка, яку поглинула чорна діра, має негативну енергію.

Випромінювання Гокінґа означає, що енергія та маса чорної діри поступово зменшуються до повного її зникнення. Крім цього, існування такого випромінювання суперечить основним принципам квантової механіки: «звільнені» частинки повинні містити інформацію про свої античастинки, які поглинула чорна діра.

Але сам Гокінґ заявив, що випромінювання чорних дір — це термальний ефект, який не має нічого спільного зі збереженням інформації про поглинуту матерію.

За аргументи вчений надав розрахунки, згідно з якими температура випромінювання чорної діри безпосередньо залежала від маси чорної діри; частинки випромінювання однієї чорної дірки неможливо відрізнити від аналогічного випромінювання іншої; античастинки зникають назавжди, не залишаючи по собі жодної інформації. Це й назвали парадоксом зникнення інформації.

Попри це, деякі сучасні вчені вважають, що інформацію з чорної діри все ж таки можна «витягнути назад».

Космологічний горизонт подій

Як і будь-яка чорна діра, наш Всесвіт також має власний горизонт подій. Сьогодні астрофізики вважають, що прискорене розширення простору завдяки темній енергії захоплює світло так само, як це роблять чорні діри.

Таким чином, увесь Всесвіт повинен оточувати «сферичний космологічний горизонт подій», який міститься на відстані близько 16 мільярдів світлових років і залишає все за цією межею у темряві.

Головна відмінність полягає в тому, що за горизонтом подій чорної діри простір-час постійно стискається, а за горизонтом подій Всесвіту воно, навпаки, постійно і поступово розширюється.

Для вирішення парадоксу зникнення інформації у 1990-х учені представили так званий «голографічний принцип», згідно з яким теорія квантової гравітації (за допомогою якої описують чорні діри) повинна бути сформульована не у трьох вимірах, а у двох, подібно до будь-якого плоского об'єкта.

Це пов’язано з тим, що ентропія чорної діри (міра того, скільки речовини можна помістити всередину неї) пропорційна двовимірній площі горизонту подій цієї чорної дірки.

«У розрахунках 2019 року спосіб кодування інформації всередині чорної діри у випромінюванні Гокінґа математично аналогічний тому, як гравітаційна система кодується у низькорозмірній негравітаційній системі відповідно до голографічного принципу. І ці методи можна використовувати в ситуаціях, подібних до нашого Всесвіту, що дає потенційну можливість для розуміння голографічного принципу в реальному світі», — пише фізик-теоретик із Каліфорнійського університету Санта-Круз Едгар Шагулян.

За його словами, застосування методів аналізу чорних дір до космологічного горизонту подій дасть змогу дізнатися, скільки всієї речовини може бути у нашому Всесвіті.

Нова теорія

«Якщо ми хочемо застосувати наші нові інструменти з вивчення чорних дір до проблем космології, ми маємо знайти спосіб поглянути на космологічний обрій іззовні. Існують різні способи побудови погляду з боку. Один із найпростіших — розглянути гіпотетичний допоміжний усесвіт, який квантово-механічно заплутаний із нашим власним, і з’ясувати, чи може спостерігач у допоміжному всесвіті отримати доступ до інформації в нашому космосі, який перебуває за горизонтом спостерігача», — пояснює Шагулян свій новий дослідницький метод.

Разом із Томасом Гартманом та Ікуном Цзяном із Корнеллського університету фізики-теоретики побудували моделі «допоміжних усесвітів», які підтвердили, що спостерігач може отримати доступ до інформації за космологічним горизонтом так само, як ми можемо отримати доступ до інформації за горизонтом подій чорної діри.

Проблема з цими моделі полягала в тому, що в них використовували гіпотетичні всесвіти, які стискаються, а не розширюються, оскільки їх набагато простіше описати з погляду квантової космології.

«Попри неймовірний прогрес, досі ми не могли безпосередньо застосувати те, що дізналися про горизонти чорних дір, до космологічного горизонту нашого Всесвіту через різницю між цими двома типами горизонтів. Остаточна мета? Жодного погляду з боку, жодного стискуваного Всесвіту, жодних обхідних шляхів: нам потрібна повна квантова теорія нашого Всесвіту, що розширюється, описана з нашого погляду», — каже фізик-теоретик.

На цьому етапі вчені планують використовувати інструменти теорії струн для голографічного опису горизонтів чорних дір і космологічного горизонту. У цій теорії елементарні частки розглядають як «вібруючі струни», які можуть бути основою розширюваного Всесвіту.

«Існує довга історія фізиків, які завжди зверталися до космології після того, як дізнавалися щось нове про чорні діри. Історія часто була однією і тією самою: ми були переможені й принижені, але, зализавши наші рани, ми поверталися, щоб дізнатися більше про те, чого нас повинні навчити чорні діри. У цьому випадку глибина наших знань про чорні діри та широта інтересу вчених усього світу до квантової космології можуть розповісти нову історію», — резюмує Шагулян.