Информационный парадокс Черной дыры

Есть ли в «глухих дырах» на Земле ключ к внутренней части черной дыры?
К настоящему времени почти все знают о черных дырах: всепоглощающих областях космического пространства, которые настолько плотны, что даже свет не может выйти из их загадочного недр. Но это только один вид черных дыр, даже если они самые известные из них.

Могут существовать и другие виды черных дыр, которые улавливают другие физические явления, такие как звуковые волны, и эти виды черных дыр, известные как звуковые черные дыры, могут иметь решающее значение для понимания их светопоглощающих аналогов в более широкой Вселенной.

Самое главное, что звуковые черные дыры могут рассказать нам об одном из самых спорных споров современной физики, так называемом информационном парадоксе? Недавнее исследование попыталось выяснить это, и его результаты, похоже, усложняют проблему, а не меньше.

Что такое информационный парадокс?
Одно из общеизвестных представлений о черных дырах состоит в том, что все, что попадает в черную дыру, не выходит обратно, даже свет. Но в 1971 году физик Стивен Хокинг предложил интересную теорию, которая вызвала серию дискуссий, изменивших взгляд физиков на черные дыры. Он предсказал, что общая площадь горизонта событий черной дыры никогда не уменьшится. Это утверждение похоже на второй закон термодинамики, который гласит, что энтропия или степень беспорядка внутри объекта также никогда не должна уменьшаться.

Теория Хокинга предполагала, что черные дыры могут вести себя как тепловые, излучающие тепло объекты, что противоречит обычному пониманию черных дыр как объектов, которые никогда не пропускают энергию. В 1974 году Хокинг предложил решение этого противоречия, показав, что в течение исключительно длительного периода времени черные дыры могут обладать как энтропией, так и излучать излучение, учитывая их квантовые эффекты. Это явление было названо «излучением Хокинга».

Хокинг утверждал, что черные дыры на самом деле действуют как идеализированное черное тело в космосе, которое поглощает все длины волн света, но излучает энергию, называемую излучением черного тела, или излучением Хокинга, на всем протяжении горизонта событий.

Это связано с тем, что виртуальные частицы — частицы материи и антиматерии, которые на мгновение появляются в космосе из ничего и из-за их близости друг к другу — немедленно аннигилируют друг друга и высвобождают энергию, используемую для их производства. Это поддерживает жизненно важный закон термодинамики, который гласит, что энергия замкнутой системы (вселенной) должна оставаться постоянной.

Но если пара виртуальных частиц появляется на краю горизонта событий, одна из двух частиц затягивается в черную дыру, а оставшаяся частица выживает и улетает в космос в виде энергии, известной как излучение Хокинга.

Вы ведь видите проблему? Вселенная просто забрала часть своей энергии и создала материю из ничего, но не вернула эту энергию.

Единственный способ позволить излучению Хокинга существовать математически — это если падающая частица действительно имела отрицательную энергию, равную по величине положительной энергии, использованной для создания двух частиц, тем самым сохраняя полную энергию Вселенной.

Однако это приводит к другой проблеме, поскольку эта частица, падающая в черную дыру, теперь является ее частью, и поэтому отрицательный энергетический баланс частицы вычитается из энергии черной дыры.

Это может быть незначительным, учитывая все обстоятельства, но если черная дыра не накапливает на себе какой-либо дополнительный материал, все эти бесконечно малые вычеты энергии начнут уменьшать массу черной дыры. По прошествии достаточного времени черная дыра фактически испаряется.

Вы можете спросить, почему это проблема — в конце концов, на одну черную дыру меньше, чем можно случайно наткнуться, — но проблема в том, что частицы не просто материя, они также несут квантовую информацию, такую ​​как положение, спин и скорость. .

Квантовая механика в том виде, в котором мы ее знаем, требует, чтобы эта информация, как и энергия Вселенной, была сохранена. Это может быть зашифровано до неузнаваемости, но в физике нет ничего, что говорило бы, что вы не можете вернуться и отменить это скремблирование и вернуть эту информацию — если только это не было либо внутри черной дыры, либо закодировано в ее горизонте событий, когда эта черная дыра мигнула. существования, таким образом унося эту информацию с собой.

То, что происходит с этой квантовой информацией, составляет суть информационного парадокса, и с тех пор физики и философы безуспешно пытаются распутать его.

Что такое звуковые черные дыры?
Чему Sonic Black Holes могут научить нас об информационном парадоксе
Не то, что ученые имеют в виду, когда говорят «звуковая черная дыра» | Источник: pxhere
Чтобы понять звуковую черную дыру, давайте рассмотрим физику традиционной черной дыры в космосе. Гравитация — это искривление ткани пространства-времени, вызванное массой объекта. Эту деформацию можно представить как наклонный колодец с объектом внизу, стягивающий и растягивающий ткань ниже плоскости незатронутого пространства-времени.

Чтобы выбраться из этого колодца, вам нужно добраться до определенная скорость, известная как скорость убегания. Итак, чтобы выбраться из гравитационного колодца Земли, вам нужно путешествовать со скоростью около 6,95 миль в секунду (11,19 м / с) или немногим более 25020 миль в час (около 40270 км / ч). Что-нибудь меньшее, и вы в конце концов упадете на Землю.

Единственное, что отличает черные дыры в этом смысле, — это то, что их убегающая скорость превышает скорость света. Таким образом, подобно ракете, которая движется со скоростью всего 6,8 миль в секунду, свет может подняться очень высоко по склону гравитационного колодца относительно небольшой черной дыры, но его недостаточно, чтобы полностью выйти из него.

Фактически, свет войдет в затухающую орбиту, медленно вернувшись по спирали обратно к центру, как кусочек грязи, попавший в водоворот на дне слива в ванне. Чем массивнее черная дыра, тем выше склон этого колодца, так что свет вряд ли вообще сможет пройти по нему.

Таким образом, звуковая черная дыра — это то же самое явление, за исключением того, что убегающая скорость объекта превышает скорость звука, а не скорость света. К счастью, скорость звука намного, намного ниже скорости света, поэтому на уровне моря при температуре 59 градусов по Фаренгейту (15 градусов по Цельсию) звук распространяется со скоростью 761 миль в час (около 1224,74 км / ч).

Все, что потребуется объекту (на уровне моря и температуре 59 градусов по Фаренгейту), — это скорость убегания, бесконечно превышающая 761 милю в час, и он может предотвратить выход звука за пределы горизонта событий, точно так же, как его космические аналоги улавливают свет.

Чем похожи звуковые черные дыры и черные дыры в космосе?

Поскольку звуковые черные дыры и легкие черные дыры обладают этим основным свойством в отношении их убегающих скоростей, существует большой интерес к вопросу о том, можем ли мы использовать звуковые черные дыры для эффективного моделирования светопоглощающих черных дыр, которые мы находим в космосе.

Это особенно важно, поскольку фактически измерить излучение Хокинга невозможно, поскольку мы будем говорить об отдельных фотонах, появляющихся сразу за горизонтом событий. Они были бы слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить без, скажем, окружения черной дыры сверххолодным детектором, подобным сфере Дайсона, который блокирует любое внешнее излучение и излучает меньше энергии, чем сама черная дыра.

Итак, единственный способ действительно проверить излучение Хокинга — это найти аналогии, которые мы действительно можем создать и измерить, и именно здесь появляются звуковые черные дыры. Поскольку звуковая черная дыра с собственным горизонтом событий для звуковой энергии — это то, что мы можем создать в лаборатории, может ли это дать нам представление о радиации Хокинга?

Ключевой особенностью этих звуковых черных дыр является то, что они так же погружены в квантовое поле Вселенной, как и сверхмассивная черная дыра в центре галактики, поэтому виртуальные частицы будут постоянно появляться и исчезать повсюду, включая фононы. , которые являются квантовыми единицами звука, эквивалентными фотонам света.

Израильская исследовательская группа создала одну такую ​​звуковую черную дыру, используя около 8000 атомов рубидия, охлажденных почти до абсолютного нуля и захваченных на месте с помощью лазерного луча, чтобы создать конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC), в котором атомы становятся настолько плотно упакованными, что ведут себя как единое целое. супер атом.

Затем команда использовала второй лазерный луч, чтобы создать эффективный горизонт событий, где одна половина BEC текла быстрее, чем скорость звука, а другая половина двигалась медленнее.

Что показывают эксперименты со звуковыми черными дырами?
Чему Sonic Black Holes могут научить нас об информационном парадоксе
Сверхмассивная черная дыра в центре галактики M87 | Источник: коллаборация Event Horizon Telescope.
Команда из Техниона в Хайфе, Израиль, во главе с Джеффом Штайнхауэром, обнаружила, что пары фононов (квантовые звуковые волны) действительно появлялись по обе стороны от горизонта звуковых событий, причем пара в более медленной половине уносилась прочь от «горизонт событий» и фонон на более быстрой половине оказались захваченными скоростью сверхзвукового потока БЭК, точно так же, как предсказал Хокинг, фотон будет из горизонта событий черной дыры в космосе.

В исследовании, опубликованном в январе 2021 года в журнале Nature, команда сообщила, что наблюдала спонтанное излучение Хокинга в шесть разных периодов времени после образования звуковой черной дыры, и подтвердила, что температура и сила излучения оставались постоянными. Эволюция излучения Хокинга на протяжении жизни звуковой черной дыры также сравнивается с предсказаниями для реальных черных дыр. Эксперимент предоставил экспериментальную поддержку анализу Хокинга.

Однако внутри звуковой черной дыры сформировался внутренний горизонт, в котором звуковые волны больше не задерживаются. Этот внутренний горизонт стимулировал дополнительное излучение Хокинга помимо спонтанного излучения. Это явление не было включено в анализ Хокинга.

Однако не все уверены, что два типа черных дыр действительно аналогичны.

Ключевым моментом утверждения является то, что Хокинг предполагает, что на всем горизонте событий черной дыры пространство-время может быть недостатком.
идеальный гладкий; это важно для создания излучения Хокинга.

Однако, если пространство-время вокруг горизонта событий не является гладким, изменения в квантовом масштабе могут кодировать информацию в излучение Хокинга способами, которые мы не можем обнаружить.

Более того, тот факт, что звуковые черные дыры и генерируемое ими излучение Хокинга ведут себя определенным образом, не доказывает, что улавливающие свет черные дыры в космосе, которые они пытаются смоделировать, также будут вести себя таким же образом.

В недавнем эксперименте команды Штайнхауэра звуковая черная дыра схлопывалась каждый раз, когда они делали снимок, из-за тепла, создаваемого в процессе (команда повторила свой эксперимент 97000 раз в течение 124 дней, чтобы представить результаты в своей статье). Однако атомы рубидия не исчезли при коллапсе; они остались, как и вся квантовая информация, запечатленная на них падающим фононом. Теоретически эту информацию можно извлечь даже сейчас.

Более того, даже несмотря на то, что звуковая черная дыра ведет себя одинаково в одном отношении, создание горизонта событий, который производит форму излучения Хокинга, было бы слишком упрощенно сказать, что общая характеристика уровня поверхности делает их идентичными на более фундаментальные уровни. Совокупность 8000 атомов рубидия в БЭК — это не то же самое, что пространственно-временная сингулярность бесконечной плотности, где физика, как мы ее знаем, не выдерживает. В конце концов, аналогия — это всего лишь аналогия.

Что это значит, если информация действительно уничтожается в черной дыре?

Тем не менее, этот недавний эксперимент действительно предоставляет некоторые доказательства того, что информация, которая попадает в черную дыру, навсегда теряется, когда черная дыра испаряется из излучения Хокинга, поэтому возникает вопрос, что произойдет, если эта фундаментальная посылка квантовой механики окажется неверной. ?

Ключевой принцип классической физики состоит в том, что совершенное знание состояния всех частиц Вселенной должно дать вам возможность предсказывать будущее состояние Вселенной в любой заданный момент в будущем (по крайней мере, теоретически).

Физика не требует, чтобы такое совершенное знание текущего состояния давало вам такую ​​же способность предсказывать прошлое. Если два разных состояния (A и B) приводят к одному и тому же состоянию (C), тогда вы можете знать, что наличие A и B даст вам C и C, но наличие C само по себе не может сказать вам, начали ли вы с A. , с B или с обоими. Эта квантовая информация будет потеряна навсегда, когда A и B перейдут в состояние C.

Однако квантовая механика запрещает эту потерю информации из-за принципа унитарности, который, по сути, означает, что все вероятности любого квантового состояния должны в сумме равняться 1.

Если мы посмотрим на шестигранный кубик, вероятность получить значение от 1 до 6 включительно составляет 1/6. Но вероятность получить любое значение равна 1, что является суммой всех шести вероятностей 1/6.

Шестигранный кубик также не может стать пятигранным кубиком просто потому, что он катится, все шесть сторон кубика должны оставаться неповрежденными во время перехода между квантовыми состояниями, так что два квантовых состояния не могут стать одним и тем же квантовым состоянием, они должны оставаться отдельными и отличными.

Тогда потеря квантовой информации подобна снятию одной из этих вероятностей с доски, поэтому вместо того, чтобы складывать шесть значений 1/6 вместе, вы складываете пять из них и в итоге получаете 5/6, а не 1. Если бы это было возможно, тогда Уравнение Шредингера неверно, волновая функция неверна, по сути, вся основа квантовой механики — ложь, и все не так, как кажется, даже если столетие работы в квантовой механике говорят нам об обратном.

Вот почему информационный парадокс является такой сложной проблемой, поскольку даже если такая простая вещь, как постоянная потеря знания о вращении виртуальной частицы при ее падении в черную дыру, может показаться не имеющей значения, это изменяет и выводит из равновесия вероятности Вселенной, на которые опирается квантовая механика, превращая ее из науки в действительно хорошее предположение, и никому не нравится, когда ему говорят, что они просто выдумывают.

На протяжении многих лет предлагались всевозможные решения информационного парадокса, но ни один из них не решил проблему. Звуковые черные дыры тоже вряд ли сделают это, хотя, тем не менее, это все еще довольно крутая попытка.