Det berømte paradoks for sorte hull ser ut til å ha blitt løst. Men alt er veldig komplisert

Innholdsfortegnelse:

Det berømte paradoks for sorte hull ser ut til å ha blitt løst. Men alt er veldig komplisert
Det berømte paradoks for sorte hull ser ut til å ha blitt løst. Men alt er veldig komplisert
Anonim

I 50 år har teoretiske fysikere prøvd å løse det berømte paradiset for sorte hull, som spår at disse kosmiske monstrene er mye mer komplekse enn generell relativitet antyder. Faktum er at ifølge Einsteins teori er sorte hull overraskende enkle. Hvis du kjenner massen, ladningen og rotasjonen av et svart hull, så vet du alt du trenger å vite om det. Det viser seg at sorte hull er en av de enkleste og mest forståelige karakterene i hele universet. Men denne tilsynelatende enkelheten skaper et urovekkende paradoks. På 1970 -tallet innså den berømte astrofysikeren Stephen Hawking at sorte hull ikke er helt svarte. I stedet sender de ut lys gjennom en subtil kvantemekanisk prosess ved hendelseshorisonter eller kantene på sorte hull, som ingenting, ikke engang lys, kan slippe unna. Fordi sorte hull er så enkle og bare kan beskrives med tre tall, er all informasjon om materialet som kommer inn i sorte hull tilsynelatende låst for alltid. Det spiller ingen rolle om du lager et svart hull fra døde stjerner og interstellært støv eller et svart hull fra katter; så lenge disse to sorte hullene har samme spinn, masse og ladning, vil de være identiske. Men hva skjer til slutt med informasjon?

Informasjonsparadoks

Universet er fantastisk. Og det er synd at moderne byer er så sterkt forurenset av belysning, fordi stjernene på nattehimmelen er praktisk talt usynlige. I mellomtiden, hvis vi hver kveld så Melkeveien ut av vinduet, og hver august så vi på Perseid -bekken fra hjemmet vårt, ville vi sannsynligvis tenkt på universet oftere. Til slutt kan de sprøeste fysiske teoriene, for eksempel om mangfoldet av verdener eller at det ved hjelp av sorte hull er mulig å reise til akkurat dette Multiverset, vise seg å være virkeligheten, hvem vet.

I mellomtiden antyder Andrei Linde og andre forskere at Big Bang ikke var den eneste, andres innsats er rettet mot å studere sorte hull, hvis eksistens ble påvist for flere år siden.

Stephen Hawking, som viet mye vitenskapelig arbeid til disse rommonstrene, mente at ettersom det sorte hullet avgir stråling, fordamper det og til slutt forsvinner helt - derav det såkalte informasjonsparadokset for sorte hull. Hvis en haug med informasjon faller ned i et svart hull og informasjonen ikke kan ødelegges, når forsvinner det sorte hullet og hvor går all informasjon?

Image
Image

Et øyeblikksbilde av et svart hull tatt med et teleskopnettverk spredt over åtte kontinenter. Det vi ser på bildet er større enn hele vårt solsystem. Massen til dette sorte hullet overstiger solmassen med 6,5 milliarder ganger.

I en rekke banebrytende arbeider har teoretiske fysikere kommet smertefullt i nærheten av å løse informasjonsparadokset for sorte hull som har fascinert og plaget dem i nesten 50 år. Informasjon, sier de nå med sikkerhet, glir faktisk ut av det sorte hullet.

Hvis du hopper inn i et svart hull, vil du ikke gå tapt for alltid. Del for del vil informasjonen du trenger for å reparere kroppen din dukke opp igjen. De fleste fysikere har lenge antatt at dette ville være tilfellet; dette var resultatet av strengteori, den ledende kandidaten for en enhetlig teori om alt. Men de nye beregningene, mens de er inspirert av strengteori, innebærer ikke i seg selv at de eksisterer.

Informasjon kommer ut takket være selve tyngdekraften - bare vanlig tyngdekraft med ett lag med kvanteeffekter, sier forskerne. Dette er en slags endring i tyngdekraftens rolle.

Endre tyngdekraftens rolle

I følge Einsteins teori om generell relativitet er tyngdekraften til et svart hull så sterk at ingenting kan unnslippe det. Den mer sofistikerte forståelsen av sorte hull, utviklet av Stephen Hawking og hans kolleger på 1970 -tallet, satte ikke spørsmålstegn ved dette prinsippet. Hawking og andre prøvde å beskrive materie i og rundt sorte hull ved hjelp av kvanteteori, men de fortsatte å beskrive tyngdekraften ved hjelp av Einsteins klassiske teori - en hybrid tilnærming som fysikere kaller "semiklassisk".

Selv om tilnærmingen spådde nye effekter rundt hullets omkrets, forble interiøret strengt isolert. Fysikere konkluderte med at Hawking hadde gjort den riktige semiklassiske beregningen - eventuelle videre fremskritt måtte også behandle tyngdekraften som kvantum.

Image
Image

Et slikt svart hull ble sett av filmskaperne til "Interstellar"

Imidlertid er dette nettopp det forfatterne av nye studier bestrider. I følge Wired oppdaget de flere semiklassiske effekter - nye gravitasjonskonfigurasjoner som Einsteins teori tillater, men som Hawking ikke inkluderte.

Først dempet begynner disse effektene å dominere når det sorte hullet blir veldig gammelt. Hullet forvandler seg fra et eremittrike til et kraftig åpent system. Ikke bare siver informasjon ut, alt nytt som kommer inn i det bryter ut nesten umiddelbart. Den reviderte semiklassiske teorien har ennå ikke forklart nøyaktig hvordan informasjon kommer ut, men de siste to årene har oppdagelsestempoet vært slik at forskere har antydninger til en løsning på paradokset.

På en eller annen måte er det fortsatt mye arbeid for teoretikere - romtiden i seg selv ser ut til å gå i oppløsning i et svart hull, noe som antyder at romtiden ikke er rotnivået i virkeligheten, men en ny struktur fra noe dypere. Og selv om Einstein forsto tyngdekraften som romtidens geometri, innebærer hans teori også romtidens forfall, og det er derfor informasjon til slutt kan rømme fra gravitasjonsfengselet.

Svarte hull, kvantemaskiner og ikke -lokalitet

I mange forsøk på å løse informasjonsparadokset om sorte hull har forskere ty til datasimuleringer, som i seg selv er et fysisk system; Spesielt kvantemodellering er ikke helt forskjellig fra det den modellerer. Så fysikere forestilte seg at de samlet all strålingen, injiserte den i en massiv kvantecomputer og kjørte en komplett simulering av et svart hull.

Og dette har ført til bemerkelsesverdige resultater. Siden strålingen er assosiert med det sorte hullet den kom fra, er kvantecomputeren også sterkt forbundet med det sorte hullet. Som en del av simuleringen transformeres kvanteforvikling til et geometrisk forhold mellom det simulerte sorte hullet og originalen. Enkelt sagt, de er forbundet med et ormhull.

Det er et fysisk svart hull og deretter simulert i en kvantemaskin, og det kan være en eksakt kopi av et ormhull i mellom, sier Douglas Stanford, en teoretisk fysiker ved Stanford University og medforfatter av den nye studien. Denne ideen er et eksempel på 2013 -antydningen om at kvanteforvikling kan sees på som et ormhull. Ormhullet gir på sin side en hemmelig tunnel hvor informasjon kan komme inn.

Image
Image

Kvantemaskiner for simulering av sorte hull er nærmere enn de ser ut til.

Ytterligere diskusjon gjaldt uunngåelig hvordan man bokstavelig talt skulle forstå alle disse ormhullene. Ormhull er så dypt nedsenket i ligninger at deres forbindelse til virkeligheten virker svak, men de har fortsatt håndgripelige konsekvenser. Ved å koble til to fjerne steder, lar ormhull hendelser på ett sted direkte påvirke det fjerne stedet, bortsett fra at en partikkel, kraft eller annen påvirkning ikke krysser den mellomliggende avstanden. Denne effekten av fysikk kalles ikke -lokalitet.

Vi har alltid visst at det må være noen ikke-lokale effekter involvert i tyngdekraften, og dette er en av dem, bemerker forskerne. Ting du trodde var uavhengige, er egentlig ikke uavhengige.

Ved første øyekast er dette fantastisk. Einstein bygde generell relativitet med det eksplisitte målet om å eliminere ikke -lokalitet fra fysikken. Tyngdekraften beveger seg ikke umiddelbart gjennom rommet. Den må forplante seg fra et sted til et annet med en endelig hastighet, som enhver annen interaksjon i naturen.

Men i løpet av de siste tiårene har det blitt klart for fysikere at symmetriene som relativitet er basert på, skaper en ny generasjon ikke -lokale effekter.

Så, i februar 2020, oppdaget et team av fysikere at symmetriene i relativitetsteorien har enda mer omfattende effekter enn vanligvis antas, noe som kan gi rom-tid kvaliteten til en speilhall sett ved analyse av sorte hull.

Image
Image

Slik bøyer et svart hull rom-tid.

Alt dette forsterker mange fysikers formodning om at romtid ikke er et rotnivå i naturen, men stammer fra en underliggende mekanisme som ikke er romlig eller tidsmessig. De nye beregningene sier omtrent det samme, men uten referanse til dualitet eller strengteori. Ormhull oppstår fordi de er det eneste språket som stien integral kan bruke for å formidle at rommet kollapser. Dette er geometri sin måte å si at universet til syvende og sist er ikke-geometrisk.

Og selv om fysikere vil ta seg tid til å bekrefte eller benekte resultatene av studien, til slutt, selv ikke forfatterne av arbeidet forventet å løse informasjonsparadokset om sorte hull på denne måten og uten en fullstendig kvanteteori om tyngdekraften. Men hvis vi antar at beregningene deres er riktige, inneholder ikke teorien om sorte hull ikke lenger den logiske motsetningen som gjør den paradoksal. Kort sagt, Viva fysikk og menneskesinnet.

Anbefalt: