В това, което може би е най-значимият му принос към науката, Стивън Хокинг предположи, че черните дупки могат да изпускат форма на радиация, която ги кара постепенно да изчезнат и в крайна сметка да завършат живота си в масивно експлозивно събитие.
Това лъчение, по-късно наречено „лъчение на Хокинг“, по невнимание причинява проблем в пресечната точка на общата теория на относителността и квантовата физика – първото е най-доброто описание, което имаме за гравитацията и вселената в космически масивни мащаби, докато второто е най-стабилният модел на физиката, която управлява много малкото.
Двете теории са потвърждавани многократно от тяхното различно начало в началото на 20-ти век. И все пак те остават разочароващо несъвместими.
Тази несъвместимост, която възниква главно от липсата на теория за „квантовата гравитация“, се задълбочи в средата на 70-те години, когато Хокинг взе принципите на квантовата физика и ги приложи към ръба на черните дупки. Роди се парадокс, за разрешаването на който физиците работят 50 години.
Може най-накрая да сме на прага на решение благодарение на рецензията, публикувана в списанието Europhysics Letters миналия месец. В него изследователите по физика от Университета на Съсекс Ксавие Калмет и Стивън Д. Х. Хсу описват подробно проблема с парадокса на Хокинг и потенциалните решения на този космологичен проблем.
Какъв е проблемът с радиацията на Хокинг?
В писмо от 1974 г., озаглавено Експлозии в черни дупки? публикувано в списанието Nature, младият Хокинг предполага, че квантовите ефекти, обикновено игнорирани във физиката на черните дупки, могат да станат значителни при влошаването на масата на черна дупка за период от приблизително 10¹⁷ (10 последвано от 16 нули) секунди.
Черните дупки се създават, когато масивни звезди достигнат края на живота си и горивото, което използват за ядрен синтез, е изчерпано. Спирането на ядрения синтез слага край на външния натиск, който поддържа звездата срещу насочената навътре сила на собствената й гравитация.
Това води до колапс на ядрото, което създава точка, в която пространство-времето е безкрайно извито – централна сингулярност, която физиката в момента не може да обясни. На външния ръб на тази екстремна кривина е „хоризонтът на събитията“ на черната дупка или точката, в която дори светлината не е достатъчно бърза, за да избегне гравитационното привличане на черната дупка.
„Хокинг изследва квантовите ефекти близо до хоризонта на черните дупки, осъзнавайки, че тук спонтанно ще се генерират двойки частици“, казва Калмет пред Popular Mechanics. „Разглеждайки конкретна двойка частици, той може да покаже, че една от двете, когато се произведе на хоризонта на събитията, ще падне в черната дупка, за да не бъде видяна никога повече. Другата ще избяга и по принцип ще бъде видима за външен наблюдател. Това е известната радиация на Хокинг.
Когато се появят тези така наречени виртуални частици, те го правят с равни и противоположни заряди, за да избегнат нарушаването на закона за запазване на енергията, който гласи, че енергията не може нито да бъде създадена, нито унищожена. Подобно на банка, вакуумът на космоса има възможност за овърдрафт, но този дълг обикновено се изплаща бързо от частиците, които се унищожават една друга.
Ако една частица избяга като радиация на Хокинг и избегне анихилация, енергийният дълг, който остава, трябва да бъде платен от масата на черната дупка. Това я кара постепенно да се изпарява, докато се появяват повече частици и се излъчва повече радиация на Хокинг, отнемайки повече маса. Радиацията на Хокинг е топлинна, а топлинната радиация е почти безхарактерна. Това означава, че не може да носи информация за обекта, който я е излъчил“, казва Калмет. „Това би било сериозен проблем за черните дупки.“
Той посочва, че изчислението на Хокинг предполага, че информацията за това, което е влязло в черната дупка, ще бъде унищожена, когато черната дупка се изпари.
„Ако е вярно, това би било проблем за физиката, тъй като едно от ключовите свойства на квантовата механика, наречено „унитарност“, предполага, че винаги е възможно да гледате филма назад. С други думи, от наблюдението на радиацията, излъчвана от черна дупка, квантовата механика ни казва, че трябва да можем да реконструираме цялата история на черната дупка, какво е влязло в нея“, казва Калмет. „Ако Хокинг е прав, ще трябва да приемем, че една от добре установените теории на физиката е грешна. Или трябва да модифицираме квантовата механика, или може би общата теория на относителността на Айнщайн.
За щастие, точно тази година физиците предложиха идея, която може да премахне парадокса на Хокинг, като използва съществуващите механизми. Въпреки че са мощен и мистериозен феномен на пространство-времето, черните дупки са доста лесни за описание. Това е така, защото те могат да имат само три свойства, за които сме сигурни: маса, ъглов момент и електрически заряд. Теоретичният физик Джон Уилър обобщи това с фразата „черните дупки нямат коса“.
Калмет и Хсу предполагат, че информацията, пренасяна от погълната материя, може да е кодирана в гравитационното поле на черна дупка. Чрез изчисляване на корекциите на гравитацията на квантово ниво те показаха, че потенциалът на звездата е чувствителен към нейните вътрешни условия. Това означава, че черните дупки притежават, поради липса на по-добър термин, „квантова коса“, израснала от състава на звездата-предшественик.
Дуото последва това, като предположи, че радиацията на Хокинг не е изцяло топлинна по природа. Вместо това те вярват, че в нея е кодирана информационна квантова коса.
„Много малките отклонения от топлинността са достатъчни, за да обяснят как информацията, която е в черната дупка, остава достъпна за външен наблюдател“, твърди Калмет. „Това е достатъчно, за да се запази унитарността и следователно няма парадокс.“
Красотата на теорията на Калмет и Хсу е, че не изисква корекции в квантовата механика или общата теория на относителността, или допълнителни механизми, които още не са предложени от физиката.
„В крайна сметка всички съставки за решаване на проблема съществуват от доста време, в известен смисъл Хокинг би могъл да го реши сам, ако беше потърсил просто обяснение“, казва Калмет. „За мен е поразително, че разрешаването на информационния парадокс може да се направи, без да се поставя нова физика, въпреки това, в което повечето хора са вярвали в продължение на почти пет десетилетия.“
Други идеи за разрешаване на парадокса на Хокинг не са толкова консервативни. Наистина, някои биха могли да променят нашата основна концепция за вселената – или това трябва да бъдат „вселени?“
Черни дупки и детски вселени
Концепцията за „мултивселената“ е идеята, че съществуват множество вселени в допълнение към нашата собствена, но са разделени и не могат да си взаимодействат. Едно ново повторение на тази идея предполага, че сингулярността в сърцето на черна дупка – безкрайно извитата точка, в която се разпадат всички закони на физиката – всъщност е отделна и отделна детска вселена.
„В моята теория всяка черна дупка всъщност е червеева дупка или „мост на Айнщайн-Розен“ към нова вселена от другата страна на хоризонта на събитията на черната дупка“, казва Никодем Поплавски, преподавател по физика в катедрата по математика и физика в от университета в Ню Хейвън, разказва пред Popular Mechanics. Това би означавало, че всяка вселена, подобно на нашата, може да съдържа милиарди черни дупки, всяка от които съдържа своя собствена бебешка вселена. Поплавски казва, че това предложение разрешава естествено парадокса на Хокинг.
„Информацията не изчезва, а отива в детската вселена от другата страна на хоризонта на събитията на черната дупка“, продължава Поплавски. „Материята и информацията, които попадат в черна дупка и излизат от бяла дупка [обратното на черна дупка, която позволява излизане, но не и влизане] в бебешката вселена.“
Въпреки че теорията не отчита изрично радиацията на Хокинг, подобно на оригиналната теория на Айнщайн за общата теория на относителността, тя не я отхвърля. По отношение на евентуалното изпаряване на черната дупка, Поплавски казва, че това събитие просто би изолирало завинаги детската вселена от нейния родител.
Бяха представени много други идеи за разрешаване на парадокса на Хокинг, включително информация, оставаща във вътрешността на черната дупка и появяваща се в края на изпарението на черната дупка. Въпреки че никой не е разрешил проблема в чист вид, Калмет казва, че някои от най-добрите умове във физиката работят усилено по въпроса.
Хокинг беше титан в своята област и най-значимата му работа показа, че дори космическите титани като черните дупки не могат да съществуват вечно. Наследниците на Хокинг работят, за да гарантират, че това непостоянство се прилага към парадокса, който носи неговото име.
