Новое исследование предполагает, что информацию, заключенную внутри черных дыр, можно обнаружить, пощупав их «волосы».
Черные дыры - небесные объекты с такой массивной гравитацией, что даже свет не может вырваться из их когтей, как только он пересекает горизонт событий или точку невозврата. Горизонты событий черных дыр скрывают в себе секреты - секреты, которые могут полностью изменить наше понимание физики.
К сожалению, на протяжении десятилетий многие ученые думали, что любая информация, попадающая в черную дыру, может быть потеряна навсегда. Но новое исследование предполагает, что рябь в пространстве-времени или гравитационные волны могут нести слабый шепот этой скрытой информации, обнаруживая присутствие тонких «волосков» на поверхности черной дыры.
Насколько мы знаем (что, надо признать, не очень много) черные дыры - подозрительно простые объекты. Независимо от того, что падает, будь то звезды, облака газа и пыли или ваши злейшие враги, черные дыры можно описать тремя простыми числами: заряд, масса и вращение.
Это означает, что если бы у вас были две черные дыры одинакового размера, с одним и тем же электрическим зарядом и с одинаковой скоростью вращения, вы не смогли бы отличить их друг от друга.
Причина такого казуса в том, что должно быть что-то, что случиться со всей этой информацией, которая попала в эти две черные дыры. Она была уничтожена? Заблудилась за горизонтом событий? Застряла в какой-то недоступной части Вселенной?
Самым простым решением является теорема, впервые предложенная американским физиком Джоном Уилером о том, что «у черных дыр нет волос» - в них не закодирована дополнительная информация. Есть только масса, электрический заряд и вращение. Все остальное просто (каким-то образом) уничтожается за горизонтом событий и навсегда запирается от Вселенной.
Но в 1974 году Стивен Хокинг выдвинул революционную идею: черные дыры - не неизбежные космические пылесосы. Скорее, субатомные частицы могут покинуть черные дыры посредством экзотического квантового процесса, который приведет к высвобождению излучения с их поверхностей. Со временем это так называемое излучение Хокинга заставит черные дыры медленно терять энергию (и, следовательно, массу). В конце концов, после постепенной потери энергии, черные дыры полностью испарятся.
Все это прекрасно и здорово, за исключением надоедливой идеи. Если черные дыры могут испаряться, что происходит со всей информацией, которая в них попадает?
Насколько нам известно, излучение Хокинга не уносит с собой никакой информации. И мы действительно не думаем, что информация может быть создана или уничтожена в этой Вселенной (это, конечно, возможно, но сделало бы ряд исследований известных физиков довольно нестабильными, что нарушило бы наблюдения и эксперименты).
Отсюда и парадокс информации о черной дыре. Информация попадает в черную дыру, черная дыра исчезает, и мы не знаем, что происходит с информацией.
Чтобы исправить этот парадокс, нам нужно либо исправить то, что мы знаем о черных дырах, либо исправить то, что мы знаем об излучении Хокинга. Либо исправить и то, и то.
Возможно, информация заперта глубоко внутри черной дыры, около сингулярности, и испарение прекращается прямо перед этой точкой, оставляя после себя крошечный шарик, битком набитый информацией.
Или, может быть, черные дыры не совсем безволосые. Может быть, они сохраняют информацию обо всем, что упало на их поверхности, содержащееся в чем-то, называемом «растянутый горизонт», поверхность прямо над горизонтом событий, содержащая квантово-механическую информацию. Когда черные дыры растворяются, излучение Хокинга уносит информацию, содержащуюся в растянутом горизонте, разрешая парадокс и сохраняя нашу реальность такой, какой мы ее знаем.
Отличная идея, но как ее проверить?
Рябь в пространстве-времени
Новое исследование (еще не прошедшее проверку), опубликованное 22 июня предлагает один способ найти шелковистые нити: обнаружить гравитационные волны.
Когда черные дыры сливаются, они излучают яркость гравитационных волн, которые колеблются по всему космосу. Несмотря на невероятную энергию таких столкновений, гравитационные волны от них исключительно слабые. К тому времени, когда эти волны дойдут до Земли, они едва ли способны подтолкнуть отдельные атомы.
Но у нас есть LIGO - гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром, охватывающая весь земной шар, - которая может обнаруживать такие тонкие движения посредством крошечных изменений в том, сколько времени требуется свету, чтобы пройти от удаленных детекторов. LIGO наблюдала последствия десятков потенциальных столкновений черных дыр по всей Вселенной, которые даже привели к присуждению Нобелевской премии в 2017 году. Пока что наблюдения согласуются с «теоремой об отсутствии волос», предполагающей, что дополнительная информация не закодирована на поверхности черных дыр.
Но шанс есть. На черных дырах могут быть «мягкие волосы» - всего лишь немного информации, структурированной таким образом, что ее сложно обнаружить.
Конечно, физики хотят проверить эту идею. Если бы мы могли продемонстрировать, что у черных дыр есть волосы, мы не только решили бы главную загадку современной физики, но, вероятно, проложили бы путь к лучшему пониманию квантовой гравитации или теории, которая может согласовать общую теорию относительности с квантовой механикой и описать реальность в мельчайших масштабах. Теперь наступает настоящая тяжелая работа для науки: соединение четких идей с реальными наблюдениями.
Авторы нового исследования: Лоуренс Кроуэлл из Альфа-института перспективных исследований в Будапеште, Венгрии, и Кристиан Корда, физик из Стамбульского университета в Турции, обнаружили, что во время процесса слияния обычно тихие волосы могут, так сказать, возбуждаться. В этом возбужденном состоянии волосы будут переплетаться с исходящим гравитационным излучением, незаметно изменяя эти волны.
Изменения гравитационных волн пока нельзя обнаружить, но будущие версии LIGO, возможно, смогут поймать такую чувствительность.И тогда мы сможем, наконец, определить, являются ли черные дыры информативными или нет.