Знаменитый парадокс черной дыры Стивена Хокинга решен после шокирующего открытия

Международный квартет физиков, в том числе профессор Университета Сассекса и студент-исследователь, написали в соавторстве две статьи, которые существенно изменяют наше понимание черных дыр и решают проблему, которая почти полвека ставила ученых в тупик.

В первой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, профессор Ксавье Кальмет из Школы математических и физических наук Сассексского университета, профессор Роберто Касадио (INFN, Болонский университет), профессор Стивен Хсу (Университет штата Мичиган) вместе с Аспирант Фолкерт Куйперс (Университет Сассекса) продемонстрировал, что черные дыры более сложны, чем предполагалось изначально, и имеют гравитационное поле, которое на квантовом уровне кодирует информацию о том, как они образовались.

В 1960-х годах выдающийся физик Джон Арчибальд Уилер выразил тот факт, что у черных дыр отсутствуют какие-либо наблюдаемые характеристики, кроме их общей массы, вращения и заряда, фразой «у черных дыр нет волос». Это известно как теорема об отсутствии волос. Продемонстрировав, что черные дыры на самом деле обладают этой дополнительной характеристикой, профессор Кальме и его сотрудники назвали свое открытие «квантовым волоском от гравитации», намекая на фразу Уилера.

Используя специальные математические методы, широко разработанные в Университете Сассекса за последние десять лет для выполнения вычислений в области квантовой гравитации, ученые ясно показали, что материя, которая коллапсирует в черную дыру, оставляет отпечаток в гравитационном поле черной дыры, когда квантовая гравитация учитываются поправки. Этот отпечаток ученые называют «квантовым волосом».

В частности, они сравнили гравитационные поля двух звезд с одинаковой общей массой и радиусом, но разным составом. На классическом уровне две звезды имеют одинаковый гравитационный потенциал, но на квантовом уровне потенциал зависит от состава звезды. Когда звезды коллапсируют в черные дыры, их гравитационные поля сохраняют память о том, из чего состоят звезды, и приводят к выводу, что у черных дыр все-таки есть волосы. агаларов эстейт

В последующей статье, опубликованной в отдельном журнале Physics Letters B, профессор Кальмет и профессор Хсу показывают, что их “квантовые волосы” разрешают информационный парадокс черной дыры Хокинга, который возник из предположения профессора Стивена Хокинга в 1976 году о том, что по мере испарения и излучают тепловое излучение, черные дыры уничтожают информацию о том, что их образовало. Это, казалось, нарушало фундаментальный закон квантовой механики, который гласит, что любой процесс в физике можно математически обратить вспять.

Однако «квантовые волосы» ученых обеспечивают механизм, с помощью которого информация сохраняется во время коллапса черной дыры, и, таким образом, разрешают одну из самых известных проблем современной науки.

Новаторские результаты являются результатом долгосрочного сотрудничества профессоров Кальмета, профессора Касадио и профессора Хсу. Они также основаны на предыдущих открытиях профессора Кальмета в отношении природы черных дыр и квантовой гравитации, включая исследование, опубликованное в 2021 году, которое впервые продемонстрировало, что черные дыры оказывают давление.

Размышляя о значении квантовых волос для физики, Ксавьер Калмет, профессор физики Университета Сассекса, сказал: «Черные дыры долгое время считались идеальной лабораторией для изучения того, как объединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. В научном сообществе обычно предполагалось, что разрешение этого парадокса потребует огромного сдвига парадигмы в физике, что заставит потенциально переформулировать либо квантовую механику, либо общую теорию относительности.

«Что мы обнаружили — и я думаю, что это особенно интересно — это то, что в этом нет необходимости. Наше решение не требует каких-либо спекулятивных идей, вместо этого наше исследование демонстрирует, что две теории можно использовать для последовательных расчетов черных дыр и объяснения того, как информация хранится, без необходимости в радикально новой физике.

«Оказывается, черные дыры на самом деле хорошие дети, хранящие память о звездах, которые их породили».

Объясняя открытие квантовых волос, Роберто Касадио, профессор теоретической физики из Болонского университета, сказал: «Ключевым аспектом является то, что черные дыры образуются в результате коллапса компактных объектов, а затем, согласно квантовой теории, происходит нет абсолютного разделения между внутренней и внешней частью черной дыры. В классической теории горизонт действует как совершенная односторонняя мембрана, которая ничего не пропускает наружу, и поэтому внешний вид одинаков для всех черных дыр данной массы.

Это классическая теорема об отсутствии волос.

Однако в квантовой теории состояние материи, которая коллапсирует и образует черную дыру, продолжает влиять на внешнее состояние, хотя и таким образом, что это совместимо с нынешними экспериментальными ограничениями.