Два исследователя заявили о своем намерении участвовать в гонке за решение информационного парадокса черных дыр, в которую уже многие годы вовлечена вся теоретическая физика, с новым инструментом – лазером.
Так что же такого лазеры могут сделать с черными дырами? Конечно, имеются в виду не те небольшие устройства, с помощью которых многие развлекают своих кошек, речь идет о лазерном излучении, как о лежащем в основе физики понятии, и о применении его к информации, исчезающей в черной дыре.
Слова «лазер (laser)», вообще, является аббревиатурой, расшифровывается она как «усиление свечения посредством вынужденного излучения» (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). В своей самой простой форме лазерное излучение формируется при взаимодействии фотона с возбужденным атомом, который копирует его и таким образом продуцирует усиление свечения. В таком процессе создаются лучи коллимированного когерентного света, широко применяемые в коммуникациях, промышленности и развлечениях.
Крис Адами (Chris Adami), работающий преподавателем физики в Мичиганском Универститете, сравнивает лазер с копировальным устройством, которое из чего угодно может сделать две идентичных копии. Если применить этот механизм к горизонту событий, по словам Адами, можно получить решение так называемого «парадокса стены огня» на границе черных дыр.
В выпуске журнала «Classical and Quantum Gravity» от 7 апреля опубликована совместная статья Криса Адами и Грега Вера Стига (Greg Ver Steeg) из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе, основанная на этом исследовании.
Стена огня (firewall) не стала общепризнанным решением в мире физики за десятилетия дебатов вокруг исчезающей в черных дырах информации.
Еще в семидесятых годах известный исследователь черных дыр Стивен Хокинг сделал предположение, что черные дыры не такие уж и черные. Согласно взгляду Хокинга на квантовую физику, пары виртуальных частиц внезапно появляются, сами уничтожают друг друга и затем быстро исчезают. А прямо на краю горизонта событий находится точка, в которой искажение пространства-времени настолько сильное, что даже излучение не может уйти из-под контроля черной дыры. Соответственно, виртуальная частица может быть как бы поймана в ловушку и избежать уничтожения своим «партнером», превратившись таким образом в реальную и забрав крошечную часть материала от черной дыры.
Это небольшое «испарение» массы было названо излучением Хокинга и коренным образом изменило наш взгляд на черные дыры – ведь получается, что они испаряются и рано или поздно (в зависимости от их массы) исчезнут. Оказалось, что черные дыры не столь постоянные, как мы когда-то думали.
Понятие «излучение Хокинга» ознаменовало собой появление насущного и больного теоретического вопроса, который сводился к тому, как черные дыры взаимодействуют с информацией. Ведь, в конечном счете, вся информация, попадающая в черную дыру, разрушается и исчезает, полностью испаряясь. А подобный сценарий нарушает наше понимание того, как физически работает вселенная. Так действительно ли информация разрушается, или она, каким-то пока не известным путем, все-таки сохраняется?
За несколько десятилетий споров ученых (включая Хокинга и других ключевых фигур) последнее продвижение в этом вопросе произошло в 2012 году, когда возглавляемые Джозефом Полчинским физики из Калифорнийского Университета в Санта-Барбаре провели свое исследование парадокса исчезновения информации. Если действительно черные дыры не разрушают информацию, значит, что-то происходит непосредственно на самом горизонте событий черной дыры, названном “стеной огня”.
Ранее в этом году Хокинг вступился в спор с утверждением, что стена огня – это ненужное понятие, и защищал свою «стену хаоса», которая беспорядочно перемешивает информацию (не нарушая, таким образом, квантовые правила) и изменяет местоположение горизонта событий в зависимости от поступающей информации. В сценарии, предложенном Хокингом, горизонта событий в классическом понимании не существует, он заменен «видимым горизонтом».
Очевидно, это не есть победа Хокинга или кого-либо еще, просто еще одна идея, некоторым образом создающая баланс между очевидно противоречащими друг другу теориями, касающимися попадающей в черную дыру информации.
Возможно все просто слишком усложнено, или самому механизму не было уделено должное внимание. И именно здесь появляется идея Адами о вынужденном излучении.
В выпуске новостей на телевидении Адами поведал о своем видении вопроса. По его мнению, физика не может быть последовательной без следования механизму копирования, обнаруженному А. Эйнштейном еще в 1917 году. Согласно ему, прежде чем черная дыра поглощает любую информацию, обязательно создается ее копия, которая остается снаружи.
Пол Дэвис, физик-теоретик из Аризонского Университета, оценил решение Криса Адами как правильное. Он добавил, что удивительно, как оно скрывалось в таком простом виде столько лет.
Поскольку дело касается горизонта событий черной дыры, Адами полагает, что радиация производится путем вынужденного излучения, сохраняя копию падающей в дыру информации. Это излучение отличается от излучения Хокинга, которое также имеет место быть.
Вынужденное излучение, согласно публикации Адами и Вера Стига, очень напоминает процесс копирования информации: одна частица входит, две выходят с точно тем же набором квантовых чисел.
Однако в квантовом мире информация не может быть скопирована идеально (понятие, известное как теорема о невозможности клонирования), и оказывается, что спонтанное излучение (излучение Хокинга) препятствует идеальному клонированию, создавая необходимое минимальное количество шума.
Ученые заявляют, что это исследование не касается непосредственно информации, находящейся вне горизонта событий черной дыры. Однако, поскольку в пределах этого горизонта вынужденное излучение все же может происходить, это решение может оказаться правильным для задачи информационного парадокса.
Адами считает, что теория Стивена Хокинга теперь дополнена. По его мнению, пустота в теории черных дыр теперь закрыта, что дало ему возможность спокойно спать по ночам.
Таким образом, следующий вопрос, который может возникнуть – каким образом обнаружить это вынужденное излучение, если оно действительно существует?