Конец теории Хокинга? Физики предположили, что черные дыры не исчезают

Новое теоретическое исследование показывает, что черные дыры, возможно, никогда не испаряются полностью, что противоречит известной теории Стивена Хокинга, которая, как считается, нарушает фундаментальные законы квантовой механики. Согласно исследованию, черные дыры могут оставлять после себя крошечные стабильные остатки, которые хранят всю информацию, когда-либо ими поглощенную.

Но здесь есть поворот — в буквальном смысле. Чтобы эта теория работала, Вселенная должна иметь три дополнительных скрытых измерения, которые человек не может воспринимать, что делает пространство-время семимерным. Когда эти скрытые измерения сворачиваются и скручиваются, они создают отталкивающую силу, которая не позволяет черным дырам испаряться полностью.

Эту работу, хотя ее трудно проверить напрямую, связывает черные дыры с геометрией дополнительных измерений, предлагая новый подход к одной из самых глубоких загадок физики.

Парадокс, бросающий вызов основам физики

Черные дыры часто рассматривают как космические ловушки, из которых ничто не может вырваться. Однако с 1970-х годов физики знают, что эти космические гиганты не совсем черные. Знаменитый физик-теоретик Стивен Хокинг предположил, что черные дыры излучают и медленно испаряются со временем, что приводит к тревожному противоречию, известному как парадокс потери информации.

«Представьте, что вы бросаете книгу в огонь», — рассказал Live Science по электронной почте соавтор исследования Ричард Пинчак, старший научный сотрудник Института экспериментальной физики Словацкой академии наук. «Книга уничтожена, но в принципе вы могли бы восстановить каждое слово из дыма, пепла и тепла — информация перемешана, но не утеряна».

Но когда черная дыра испаряется полностью, информация обо всем, что в нее упало, по-видимому, исчезает, нарушая фундаментальный принцип квантовой механики.

Десятилетиями физики пытались разрешить этот парадокс. Теперь новое исследование, опубликованное 19 марта в журнале General Relativity and Gravitation, предполагает, что ответ может лежать в скрытой структуре самого пространства-времени.

Дополнительные измерения и скрытая структура пространства-времени

Новое исследование исследует Вселенную с бо́льшим количеством измерений, чем привычные четыре. В этой системе космос содержит семь измерений, три из которых компактны и невидимы в повседневных масштабах.

«Мы воспринимаем три измерения пространства и одно измерение времени — всего четыре измерения», — сказал Пинчак. «Наша модель предполагает, что Вселенная на самом деле имеет семь измерений: четыре известных нам плюс три крошечных дополнительных измерения, свернутых так плотно, что мы не можем воспринимать их напрямую».

Эти дополнительные измерения организованы в высокосимметричную структуру, известную как G₂-геометрия. Эта математическая структура, часто исследуемая в продвинутых теориях, таких как версия теории струн, известная как M-теория, определяет, как «складываются» скрытые измерения.

«Представьте себе оригами», — сказал Пинчак. «То, как вы складываете бумагу, определяет, что может делать конечная форма».

В новой модели эта геометрическая структура производит физический эффект, называемый кручением, которое можно представить как искривление пространства-времени. Это поле кручения играет решающую роль в физике черных дыр.

Кручение и рождение стабильных остатков черных дыр

Исследование показывает, что кручение порождает отталкивающую силу, которая становится важной на чрезвычайно малых масштабах, ближе к концу жизни черной дыры. Когда черная дыра сжимается за счет излучения Хокинга, эта сила в конечном итоге противодействует дальнейшему коллапсу.

«Эта отталкивающая сила действует как тормоз, останавливая испарение до того, как черная дыра исчезнет полностью», — сказал Пинчак.

Вместо того чтобы исчезнуть, черная дыра стабилизируется в крошечный остаток. Согласно модели, этот оставшийся объект имеет массу около 9 × 10⁻⁴¹ килограмма — примерно в 10 миллиардов раз меньше массы электрона.

Что важнее всего, этот остаток может хранить информацию, упавшую в черную дыру, избегая любого нарушения квантовой механики. Информация закодирована в тонких колебаниях, известных как квазинормальные моды, которые действуют как носители утерянных данных.

Модель также обнаруживает неожиданную связь с физикой элементарных частиц: существование трех скрытых измерений вместе с наличием кручения создает картину взаимодействий частиц, ответственную за механизм Хиггса — явление, которое придает массу элементарным частицам, таким как электроны и кварки.

«То же самое поле кручения создает ландшафт потенциальной энергии, идентичный по форме тому, который отвечает за придание массы W- и Z-бозонам — переносчикам слабого ядерного взаимодействия», — сказал Пинчак.

Эта связь объединяет поведение черных дыр с электрослабой шкалой — хорошо известной шкалой энергий в физике элементарных частиц.

Где новая теория достигает своих пределов

Несмотря на свою привлекательность, модель сталкивается с серьезными проблемами. Стандартное описание испарения черных дыр опирается на полуклассическое приближение, которое, как ожидается, перестает работать на чрезвычайно малых масштабах, близких к планковской массе — примерно 10⁻⁵ грамма. Это шкала масс, на которой квантово-гравитационные эффекты становятся сильными и их невозможно игнорировать.

«Когда черная дыра сжимается до планковского масштаба, все существующие модели — включая нашу — в конечном итоге должны столкнуться с переходом в область глубокого квантово-гравитационного режима», — отметил Пинчак.

В этом режиме требуется полная теория квантовой гравитации, но такая теория остается неполной. Новая работа не претендует на полное решение этой проблемы. Вместо этого она предлагает конкретный механизм того, как новая физика может возникнуть на финальной стадии испарения.

«Что отличает наш подход, так это то, что мы не утверждаем, что полуклассическое испарение действует вплоть до массы остатка, — сказал Пинчак. — В этот момент вступает в силу новый физический эффект и стабилизирует конфигурацию».

Непосредственная проверка теории будет чрезвычайно сложной: соответствующие энергетические шкалы далеко выходят за пределы возможностей современных ускорителей частиц. Однако модель дает четкие предсказания, которые в принципе можно проверить.

Например, она предсказывает, что гипотетические частицы Калуцы — Клейна, связанные с дополнительными измерениями, должны иметь массу около 10¹⁶ гигаэлектронвольт — примерно на 14 порядков тяжелее топ-кварка, самой массивной из известных элементарных частиц. Обнаружение более легких версий этих частиц с помощью существующих или будущих ускорителей опровергло бы модель.

Другая возможность включает наблюдение финальных стадий испарения черных дыр, особенно первичных черных дыр. Будущие гамма-телескопы или детекторы гравитационных волн могут предоставить косвенные доказательства существования стабильных остатков.

«Важно то, что предсказания конкретны — модель может быть ошибочной, что и делает ее научной», — подчеркнул Пинчак.

Заглядывая вперед, исследователи стремятся более непосредственно связать свою концепцию с фундаментальными теориями, такими как M-теория, и лучше понять, как информация хранится в остатках. Особый интерес вызывает вопрос о том, могут ли эти микроскопические остатки черных дыр составлять значительную часть темной материи — невидимой субстанции, которая, как считается, составляет около 85% материи во Вселенной.

Тем временем в научном сообществе разгораются жаркие дискуссии. Сторонники традиционной теории Хокинга указывают на то, что семимерная модель требует экспериментального подтверждения существования дополнительных измерений, чего до сих пор не произошло. Критики также отмечают, что предложенный механизм кручения пока не удается согласовать с Общей теорией относительности Эйнштейна в полном объеме.

Тем не менее, если идея о том, что черные дыры оставляют после себя крошечные, богатые информацией остатки, подтвердится, это может коренным образом изменить наше понимание гравитации, квантовой механики и фундаментальной структуры Вселенной. Как заметил сам Пинчак: «Мы стоим на пороге нового понимания реальности. Возможно, ответ на один из самых сложных парадоксов физики всегда был скрыт в измерениях, которые мы просто не могли увидеть».