В своем, пожалуй, самом значительном исследовании Стивен Хокинг предположил, что черные дыры могут пропускать форму радиации, которая заставляет их постепенно уменьшаться и в конечном итоге заканчивать свою жизнь в результате массивного взрыва.
Это излучение, позже названное "излучением Хокинга", непреднамеренно создает проблему на стыке общей теории относительности и квантовой физики — первое является лучшим описанием гравитации и Вселенной в космических масштабах, а второе — наиболее надежной моделью. физики, которая управляет очень малым. Эти две теории неоднократно подтверждались с момента их появления в начале 20 века. Тем не менее, они остаются разочаровывающе несовместимыми.
Эта несовместимость, возникающая главным образом из-за отсутствия теории "квантовой гравитации", усугубилась в середине 1970-х годов, когда Хокинг взял принципы квантовой физики и применил их к краям черных дыр. Родился парадокс, над решением которого физики работали 50 лет.
Возможно, мы, наконец, находимся на пороге решения благодаря обзору, опубликованному в журнале Europhysics Letters. В нем ученые-физики из Университета Сассекса Ксавье Калмет и Стивен Д. Хсу подробно описывают проблему парадокса Хокинга и потенциальные решения этой космологической проблемы.
В заметке 1974 года, озаглавленной "Взрывы черных дыр" опубликованный в журнале Nature, молодой Хокинг предположил, что квантовые эффекты, обычно игнорируемые в физике черных дыр , могут существенно повлиять на уменьшение массы черной дыры в течение примерно 10¹⁷ (10 с последующими 16 нулями) секунд.
Черные дыры образуются, когда массивные звезды достигают конца своей жизни, а топливо, которое они используют для ядерного синтеза, исчерпывается. Прекращение ядерного синтеза прекращает внешнее давление, которое удерживает звезду от внутренней силы ее собственной гравитации.
Это приводит к коллапсу ядра, который создает точку, в которой пространство-время бесконечно искривлено — центральную сингулярность, которую физика в настоящее время не может объяснить. На внешнем краю этой крайней кривизны находится "горизонт событий" черной дыры, или точка, в которой даже свет не достаточно быстр, чтобы избежать гравитационного притяжения черной дыры.
Хокинг исследовал квантовые эффекты вблизи горизонта черных дыр, понимая, что пары частиц будут спонтанно генерироваться здесь. Глядя на конкретную пару частиц, он мог показать, что одна из двух, образовавшись на горизонте событий, упадет в черную дыру, и ее больше никогда не увидят. Другой ускользнет и в принципе будет виден стороннему наблюдателю. Это знаменитое излучение Хокинга.
Когда эти так называемые виртуальные частицы возникают, они делают это с одинаковыми и противоположными зарядами, чтобы избежать нарушения закона сохранения энергии, который гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Подобно банку, космический вакуум имеет возможность овердрафта, но этот долг обычно быстро возвращается за счет того, что частицы уничтожают друг друга.
Если одна частица улетучится в виде излучения Хокинга и избежит аннигиляции, оставшийся энергетический долг должен быть оплачен массой черной дыры. Это заставляет его постепенно испаряться по мере появления большего количества частиц и испускания большего количества излучения Хокинга, что истощает большую часть массы.
Излучение Хокинга является тепловым, а тепловое излучение в значительной степени безлико. Это означает, что он не может нести информацию об объекте, который его излучал. Это было бы серьезной проблемой для черных дыр. Это означает, что расчет Хокинга подразумевает, что информация о том, что попало в черную дыру, будет уничтожена, когда черная дыра испарится.
Если это правда, это будет проблемой для физики, поскольку одно из ключевых свойств квантовой механики, называемое "унитарностью", подразумевает, что всегда можно посмотреть фильм задом наперед. Другими словами, из наблюдения излучения, испускаемого черной дырой, квантовая механика говорит нам, что мы должны быть в состоянии реконструировать всю историю черной дыры и то, что в нее входил. Если Хокинг прав, нам придется признать, что одна из хорошо зарекомендовавших себя физических теорий неверна. Либо нам нужно изменить квантовую механику, либо, может быть, общую теорию относительности Эйнштейна.
К счастью, только в этом году физики предложили идею, которая могла бы покончить с парадоксом Хокинга с помощью существующих механизмов.
Несмотря на то, что черные дыры представляют собой мощное и загадочное пространственно-временное явление, их довольно легко описать. Это потому, что они могут иметь только три свойства, в которых мы уверены: масса, угловой момент и электрический заряд. Физик-теоретик Джон Уилер резюмировал это фразой "у черных дыр нет волос".
Кальме и Хсу предполагают, что информация, переносимая проглоченным веществом, может быть закодирована в гравитационном поле черной дыры. Вычислив поправки к гравитации на квантовом уровне, они показали, что потенциал звезды чувствителен к ее внутренним условиям. Это означает, что черные дыры обладают, за неимением лучшего термина, "квантовыми волосами", выросшими из состава их звезды-прародителя. Затем дуэт предположил, что излучение Хокинга не является полностью тепловым по своей природе. Вместо этого они считают, что в нем закодированы информационные квантовые волосы.
Прелесть теории Кальмета и Хсу в том, что она не требует корректировки квантовой механики или общей теории относительности или дополнительных механизмов, которые еще не были предложены физикой.
Другие идеи решения парадокса Хокинга не столь консервативны. Действительно, некоторые из них могут изменить наше фундаментальное представление о вселенной — или это должны быть "вселенные"?
Концепция "мультивселенной" — это идея о том, что в дополнение к нашей существует несколько вселенных, но они разделены и не могут взаимодействовать. Одна новая итерация этой идеи предполагает, что сингулярность в центре черной дыры — бесконечно изогнутая точка, в которой нарушаются все законы физики — на самом деле является отдельной и отличной детской вселенной.
Это означало бы, что в каждой вселенной, как и в нашей, могут быть миллиарды черных дыр, каждая из которых содержит свою дочернюю вселенную. Поплавски говорит, что это предложение естественным образом разрешает парадокс Хокинга.
Хотя теория явно не объясняет излучение Хокинга, как и исходная общая теория относительности Эйнштейна, она не запрещает его. Что касается возможного испарения черной дыры, Поплавски говорит, что это событие просто навсегда изолирует детскую вселенную от ее родителя.
Для решения парадокса Хокинга было выдвинуто много других идей, в том числе информация, остающаяся внутри черной дыры и возникающая в конце испарения черной дыры. Хотя никто так и не решил проблему аккуратно, Калмет говорит, что некоторые из лучших умов в области физики усердно работают над этой проблемой.
Хокинг был титаном в своей области, и его самая значительная работа показала, что даже такие космические титаны, как черные дыры, не могут существовать вечно. Преемники Хокинга работают над тем, чтобы это непостоянство применялось к парадоксу, который носит его имя.
