Źródło zdjęcia: NASA
Stephen Hawking i Kip Thorne mogą być winni Johnowi Preskillowi zestaw encyklopedii.
W 1997 r. Trzej kosmolodzy postawili słynny zakład, czy informacja, która wchodzi do czarnej dziury, przestaje istnieć - to znaczy, czy wnętrze czarnej dziury jest w ogóle zmienione przez właściwości cząstek, które do niej wchodzą.
Badania Hawkinga sugerują, że cząsteczki nie mają żadnego wpływu. Ale jego teoria naruszyła prawa mechaniki kwantowej i stworzyła sprzeczność znaną jako „paradoks informacyjny”.
Teraz fizycy z Ohio State University zaproponowali rozwiązanie z wykorzystaniem teorii strun, teorii, która utrzymuje, że wszystkie cząstki we wszechświecie są zbudowane z maleńkich wibrujących strun.
Samir Mathur i jego koledzy wyprowadzili obszerny zestaw równań, które zdecydowanie sugerują, że informacja nadal istnieje - związana w gigantycznej plątaninie strun, która wypełnia czarną dziurę od rdzenia do jej powierzchni.
Odkrycie sugeruje, że czarne dziury nie są gładkimi, pozbawionymi cech bytem, jak długo sądzili naukowcy.
Zamiast tego są sznurkowymi fuzzballami.
Mathur, profesor fizyki w Ohio State, podejrzewa, że Hawking i Thorne nie będą szczególnie zaskoczeni wynikami badań, które ukazały się w czasopiśmie Nuclear Physics B. z 1 marca.
W swoim zakładzie Hawking, profesor matematyki na Uniwersytecie Cambridge i Thorne, profesor fizyki teoretycznej w Caltech, zakładają się, że informacje, które wchodzą do czarnej dziury, są niszczone, podczas gdy Preskill - także profesor fizyki teoretycznej w Caltech - podjął przeciwny widok. Stawką było zestaw encyklopedii.
„Myślę, że większość ludzi zrezygnowała z idei, że informacja została zniszczona, gdy idea teorii strun zyskała na znaczeniu w 1995 r.” Mathur powiedział. „Po prostu nikt nie był w stanie udowodnić, że informacja przetrwała do tej pory.”
W klasycznym modelu powstawania czarnych dziur supermasywny obiekt, taki jak gigantyczna gwiazda, zapada się, tworząc bardzo mały punkt nieskończonej grawitacji, zwany osobliwością. Specjalny region w kosmosie otacza osobliwość, a każdy obiekt przekraczający granicę regionu, znany jako horyzont zdarzeń, jest wciągany do czarnej dziury, aby nigdy nie wracać.
Teoretycznie nawet światło nie może uciec z czarnej dziury.
Średnica horyzontu zdarzeń zależy od masy obiektu, który go utworzył. Na przykład, jeśli Słońce zapadnie się w osobliwość, jego horyzont zdarzeń wyniesie około 3 km (1,9 mil). Gdyby Ziemia poszła w jego ślady, jej horyzont zdarzeń wynosiłby tylko 1 centymetr (0,4 cala).
Co do tego, co leży w regionie między osobliwością a horyzontem wydarzeń, fizycy zawsze dosłownie rzucali puste miejsce. Bez względu na to, jaki rodzaj materiału stanowił osobliwość, obszar wewnątrz horyzontu zdarzeń miał być pozbawiony jakiejkolwiek struktury lub mierzalnych cech.
I na tym polega problem.
Problem z klasyczną teorią polega na tym, że można użyć dowolnej kombinacji cząstek do stworzenia czarnej dziury - protonów, elektronów, gwiazd, planet, cokolwiek - i to nie miałoby znaczenia. Muszą istnieć miliardy sposobów na wykonanie czarnej dziury, ale w klasycznym modelu końcowy stan systemu jest zawsze taki sam? Mathur powiedział.
Ten rodzaj jednolitości narusza kwantowo-mechaniczne prawo odwracalności, wyjaśnił. Fizycy muszą mieć możliwość śledzenia produktu końcowego dowolnego procesu, w tym procesu, który tworzy czarną dziurę, z powrotem do warunków, które go stworzyły.
Jeśli wszystkie czarne dziury są takie same, nie można przypisać żadnej czarnej dziury do jej unikalnego początku, a wszelkie informacje o cząsteczkach, które ją utworzyły, są tracone na zawsze w momencie, gdy powstaje dziura.
„Nikt teraz tak naprawdę w to nie wierzy, ale nikt nie mógł znaleźć niczego złego w klasycznej argumentacji,” Mathur powiedział. „Możemy teraz zaproponować, co poszło nie tak”.
W 2000 r. Teoretycy strun wymienili paradoks informacyjny na ósmy na liście dziesięciu problemów fizyki, które należy rozwiązać w następnym tysiącleciu. Ta lista zawierała pytania takie jak? Jaki jest czas życia protonu? oraz? w jaki sposób grawitacja kwantowa może pomóc wyjaśnić pochodzenie wszechświata?
Mathur rozpoczął pracę nad paradoksem informacyjnym, gdy był adiunktem w Massachusetts Institute of Technology, i zaatakował problem w pełnym wymiarze czasu po dołączeniu do wydziału stanu Ohio w 2000 roku.
Wraz z doktorem habilitowanym Olegiem Luninem Mathur obliczył strukturę obiektów leżących pomiędzy prostymi stanami strun a dużymi klasycznymi czarnymi dziurami. Zamiast być drobnymi przedmiotami, okazały się duże. Ostatnio on i dwoje doktorantów - Ashish Saxena i Yogesh Srivastava - odkryli, że to samo zdjęcie? Fuzzballa? nadal dotyczyło obiektów bardziej przypominających klasyczną czarną dziurę. Te nowe wyniki pojawiają się w Nuclear Physics B.
Zgodnie z teorią strun wszystkie podstawowe cząstki wszechświata - protony, neutrony i elektrony - są zbudowane z różnych kombinacji łańcuchów. Ale tak małe jak struny, Mathur wierzy, że mogą tworzyć duże czarne dziury poprzez zjawisko zwane napięciem ułamkowym.
Struny są rozciągliwe, powiedział, ale każdy niesie ze sobą pewne napięcie, podobnie jak struna gitarowa. Przy napięciu częściowym napięcie zmniejsza się, gdy struna staje się dłuższa.
Mathur powiedział, że podobnie jak długie struny gitarowe są łatwiejsze do zerwania niż krótkie struny gitarowe, tak długie połączone struny kwantowo-mechaniczne są łatwiejsze do rozciągnięcia niż pojedyncze struny.
Kiedy więc łączy się ze sobą wiele strun, tak jakby tworzyły wiele cząstek niezbędnych do stworzenia bardzo masywnego obiektu, takiego jak czarna dziura, połączona kula sznurka jest bardzo rozciągliwa i rozszerza się do szerokiej średnicy.
Kiedy fizycy z Ohio State wyprowadzili wzór na średnicę rozmytej czarnej dziury wykonanej ze sznurków, odkryli, że odpowiada ona średnicy horyzontu zdarzeń czarnej dziury sugerowanej przez model klasyczny.
Ponieważ przypuszczenie Mathura sugeruje, że struny nadal istnieją wewnątrz czarnej dziury, a ich charakter zależy od cząstek, które stanowiły pierwotny materiał źródłowy, więc każda czarna dziura jest tak wyjątkowa, jak gwiazdy, planety lub galaktyka które to uformowało. Ciągi z dowolnego kolejnego materiału, który wejdzie do czarnej dziury, również pozostaną identyfikowalne.
Oznacza to, że czarną dziurę można prześledzić do pierwotnych warunków, a informacja przetrwa.
Badanie zostało częściowo wsparte przez Departament Energii USA.
Oryginalne źródło: Ohio State University News Release
