Det berømte paradoks for sorte huller ser ud til at være løst. Men alt er meget kompliceret

Indholdsfortegnelse:

Det berømte paradoks for sorte huller ser ud til at være løst. Men alt er meget kompliceret
Det berømte paradoks for sorte huller ser ud til at være løst. Men alt er meget kompliceret
Anonim

I 50 år har teoretiske fysikere forsøgt at løse det berømte paradoks for sorte huller, der forudsiger, at disse kosmiske monstre er meget mere komplekse end generel relativitet antyder. Faktum er, at ifølge Einsteins teori er sorte huller overraskende enkle. Hvis du kender massen, ladningen og rotationen af et sort hul, så ved du alt, hvad du behøver at vide om det. Det viser sig, at sorte huller er en af de enkleste og mest forståelige karakterer i hele universet. Men denne tilsyneladende enkelhed skaber et foruroligende paradoks. I 1970'erne indså den berømte astrofysiker Stephen Hawking, at sorte huller ikke er helt sorte. I stedet udsender de lys gennem en subtil kvantemekanisk proces ved deres begivenhedshorisonter eller kanterne af sorte huller, hvorfra intet, ikke engang lys, kan slippe ud. Fordi sorte huller er så enkle og kun kan beskrives med tre tal, er alle oplysninger om det materiale, der kommer ind i sorte huller, tilsyneladende låst væk for altid. Det er ligegyldigt, om du skaber et sort hul fra døde stjerner og interstellært støv eller et sort hul fra katte; så længe disse to sorte huller har samme spin, masse og ladning, vil de være identiske. Men hvad sker der i sidste ende med information?

Informationsparadoks

Universet er fantastisk. Og det er ærgerligt, at moderne byer er så stærkt forurenet af belysning, fordi stjernerne på nattehimlen er praktisk talt usynlige. I mellemtiden, hvis vi hver nat så Mælkevejen ud af vinduet, og hver august så vi Perseidstrømmen fra vores hjem, ville vi sandsynligvis tænke på universet oftere. I sidste ende kan de skøreste fysiske teorier, for eksempel om mangfoldigheden af verdener, eller at det ved hjælp af sorte huller er muligt at rejse til netop dette Multivers, vise sig at være virkelighed, hvem ved.

I mellemtiden antyder Andrei Linde og andre forskere, at vores Big Bang ikke var den eneste, andres bestræbelser er rettet mod at studere sorte huller, hvis eksistens blev bevist for flere år siden.

Stephen Hawking, der dedikerede meget videnskabeligt arbejde til disse rummonstre, mente, at efterhånden som det sorte hul udsender stråling, fordamper det og til sidst forsvinder helt - deraf det såkaldte informationsparadoks for sorte huller. Hvis en flok information falder ned i et sort hul, og oplysningerne ikke kan ødelægges, hvornår forsvinder det sorte hul, og hvor går alle oplysninger hen?

Image
Image

Et øjebliksbillede af et sort hul taget med et netværk af teleskoper spredt over otte kontinenter. Det, vi ser på billedet, er større end hele vores solsystem. Massen af dette sorte hul overstiger solmassen med 6,5 milliarder gange.

I en række banebrydende værker er teoretiske fysikere kommet smertefuldt tæt på at løse det sorte huls informationsparadoks, der har fascineret og plaget dem i næsten 50 år. Information, siger de nu med sikkerhed, glider faktisk ud af det sorte hul.

Hvis du hopper ind i et sort hul, går du ikke tabt for evigt. Del for del vil de oplysninger, du har brug for for at reparere din krop, dukke op igen. De fleste fysikere har længe antaget, at dette ville være tilfældet; dette var resultatet af strengteori, den førende kandidat til en samlet teori om alt. Men de nye beregninger, mens de er inspireret af strengteori, indebærer ikke af sig selv deres eksistens.

Information kommer ud takket være selve tyngdekraften - bare almindelig tyngdekraft med et lag kvanteeffekter, siger forskerne. Dette er en slags ændring i tyngdekraftens rolle.

Ændring af tyngdekraftens rolle

Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori er tyngdekraften i et sort hul så stærkt, at intet kan undslippe det. Den mere sofistikerede forståelse af sorte huller, udviklet af Stephen Hawking og hans kolleger i 1970'erne, satte ikke spørgsmålstegn ved dette princip. Hawking og andre forsøgte at beskrive materie i og omkring sorte huller ved hjælp af kvanteteori, men de fortsatte med at beskrive tyngdekraften ved hjælp af Einsteins klassiske teori - en hybrid tilgang, som fysikere kalder "semiklassisk".

Selvom tilgangen forudsagde nye effekter omkring hullets omkreds, forblev interiøret strengt isoleret. Fysikere konkluderede, at Hawking havde foretaget den korrekte semiklassiske beregning - eventuelle yderligere fremskridt skulle også behandle tyngdekraften som kvante.

Image
Image

Sådan et sort hul blev set af filmskaberne af "Interstellar"

Det er imidlertid netop, hvad forfatterne til nye undersøgelser bestrider. Ifølge Wired opdagede de yderligere semiklassiske effekter - nye gravitationskonfigurationer, som Einsteins teori tillader, men som Hawking ikke inkluderede.

Ved først dæmpet begynder disse effekter at dominere, når det sorte hul bliver meget gammelt. Hullet omdannes fra en eremits rige til et kraftigt åbent system. Ikke alene siver information ud, alt det nye, der kommer ind i det, bryder næsten ud med det samme. Den reviderede semiklassiske teori har endnu ikke forklaret præcist, hvordan information kommer ud, men i løbet af de sidste to år har opdagelsestempoet været sådan, at forskere har antydninger af en løsning på paradokset.

På den ene eller anden måde er der stadig meget arbejde for teoretikere - selve rumtiden ser ud til at gå i opløsning i et sort hul, hvilket indebærer, at rumtiden ikke er virkelighedens rodniveau, men en ny struktur fra noget dybere. Og selvom Einstein forstod tyngdekraften som rumtidens geometri, medfører hans teori også rumtidens forfald, og derfor kan information i sidste ende slippe ud af sit gravitationsfængsel.

Sorte huller, kvantecomputere og ikke -lokalitet

I talrige forsøg på at løse informationsparadokset om sorte huller har forskere tyet til computersimuleringer, der i sig selv er et fysisk system; især kvantemodellering er ikke helt anderledes end det modellerer. Så fysikere forestillede sig, at de indsamlede al strålingen, injicerede den i en massiv kvantecomputer og kørte en komplet simulering af et sort hul.

Og dette har ført til bemærkelsesværdige resultater. Da strålingen er forbundet med det sorte hul, hvorfra den kom, er kvantecomputeren også stærkt forbundet med det sorte hul. Som en del af simuleringen omdannes kvanteindvikling til et geometrisk forhold mellem det simulerede sorte hul og originalen. Kort sagt, de er forbundet med et ormhul.

Der er et fysisk sort hul og derefter simuleret i en kvantecomputer, og der kan være en nøjagtig kopi af et ormehul imellem,”sagde Douglas Stanford, en teoretisk fysiker ved Stanford University og medforfatter af det nye studie. Denne idé er et eksempel på 2013 -forslaget om, at kvanteforvikling kan ses som et ormehul. Ormhullet giver til gengæld en hemmelig tunnel, hvorigennem information kan komme ind.

Image
Image

Kvantecomputere til simulering af sorte huller er tættere på, end de ser ud til.

Yderligere diskussion vedrørte uundgåeligt, hvordan man bogstaveligt talt forstår alle disse ormhuller. Ormehuller er så dybt nedsænket i ligninger, at deres forbindelse til virkeligheden virker svag, men de har stadig håndgribelige konsekvenser. Ved at forbinde to fjerne steder tillader ormehuller, at hændelser på et sted direkte påvirker det fjerne sted, bortset fra at en partikel, kraft eller anden indflydelse ikke krydser den mellemliggende afstand. Denne virkning af fysik kaldes ikke -lokalitet.

Vi har altid vidst, at der må være nogle ikke-lokale effekter involveret i tyngdekraften, og dette er en af dem, bemærker forskerne. Ting, du troede var uafhængige, er ikke rigtig uafhængige.

Umiddelbart er dette fantastisk. Einstein byggede generel relativitet med det eksplicitte mål at fjerne ikke -lokalitet fra fysikken. Tyngdekraften bevæger sig ikke øjeblikkeligt gennem rummet. Det skal forplante sig fra et sted til et andet med en begrænset hastighed, ligesom enhver anden interaktion i naturen.

Men i løbet af de sidste årtier er det blevet klart for fysikere, at de symmetrier, som relativitet er baseret på, skaber en ny generation af ikke -lokale effekter.

Så i februar 2020 opdagede et team af fysikere, at symmetrierne i relativitetsteorien har endnu mere omfattende virkninger end normalt antages, hvilket kan give rum-tid kvaliteten af en spejlsal, der ses ved analyse af sorte huller.

Image
Image

Sådan bøjer et sort hul rum-tid.

Alt dette forstærker mange fysikers formodning om, at rumtid ikke er et rodniveau i naturen, men stammer fra en underliggende mekanisme, der ikke er rumlig eller tidsmæssig. De nye beregninger siger stort set det samme, men uden henvisning til dualitet eller strengteori. Ormhuller opstår, fordi de er det eneste sprog, stien integreret kan bruge til at formidle, at rummet kollapser. Dette er geometri's måde at sige, at universet i sidste ende er ikke-geometrisk.

Og selvom fysikere vil tage sig tid til at bekræfte eller benægte undersøgelsens resultater, forventede selv forfatterne til værket i sidste ende ikke at løse informationsparadokset om sorte huller på denne måde og uden en komplet kvanteteori om tyngdekraften. Men hvis vi antager, at deres beregninger er korrekte, så indeholder teorien om sorte huller ikke længere den logiske modsætning, der gør det paradoksalt. Kort sagt, Viva fysik og det menneskelige sind.

Anbefalede: