Астрономия

Российские физики выяснили, как найти потерянное в черной дыре

Nicole R. Fuller/National Science Foundation

Ученые из Института ядерных исследований РАН предложили свой ответ на вопрос о том, может ли информация бесследно исчезать в черной дыре. Физики использовали упрощенную модель гравитации и математические методы, использующиеся для описания процесса туннелирования. Результаты работы опубликованы в Journal of High Energy Physics, полностью ознакомиться со статьей можно на сайте препринтов arXiv.org.

Черные дыры — объекты, не выпускающие из себя ничего, даже свет. Однако еще в 1974 году Стивен Хокинг выдвинул предположение, что черные дыры не только притягивают материю, но и испускают разнообразные элементарные частицы — так называемое «излучение Хокинга», имеющее тепловой спектр. Черная дыра изменяет вакуум вокруг себя, и из него парами рождаются частицы. При этом одна из них падает внутрь черной дыры, а вторая улетает, унося часть массы черной дыры. Таким образом, черная дыра постепенно испаряется, пока не исчезнет совсем. Но здесь возникает парадокс: куда девается информация об объектах, упавших в черную дыру после ее исчезновения? Этот «информационный парадокс» мучает физиков уже почти полвека.

Проблема заключается в том, что любой предмет, оказавшийся в черной дыре, исчезнет в ее сингулярности. Однако взамен черная дыра испускает поток теплового излучения Хокинга, по конечному состоянию которого невозможно понять, что именно попало в черную дыру. Известные нам законы квантовой механики однозначно позволяют предсказать вероятности исходов тех или иных событий, связывают начальные и конечные состояния. Начальное состояние любой системы может быть однозначно восстановлено на основании конечного. Однако черная дыра не обладает таким свойством. Вероятное решение парадокса — несовершенство математического аппарата. Возможно, излучение черной дыры однозначно определяется тем, что в нее было брошено, просто вычисления этого не показывают.

Работа российских физиков стала еще одним шагом к разрешению парадокса. Они изучали не обычную трехмерную гравитацию, а ее упрощенную версию, двумерную дилатонную гравитацию с границей. В такой модели возможен очень простой, но редкий процесс: черная дыра может образоваться при столкновении одной квантовой частицы с границей, а затем распасться, испустив ровно одну частицу. Хотя вероятность такого процесса крайне мала, он — очень простой.

Поэтому российским физикам удалось построить полуклассическое описание этого процесса с помощью математических методов, которые обычно применяются для описания процессов туннелирования в квантовой механике. Обычная квантовая частица может «пройти сквозь стену» — протуннелировать. Оказывается, частица, оказавшаяся в сингулярности черной дыры, может так же протуннелировать наружу, образуя часть излучения Хокинга. Важно, что такое описание позволяет однозначно связать состояние «финальной» и «начальной» частицы. В будущем физики надеются, что применение таких же методов для описания более сложных процессов, например образования черной дыры из множества частиц и ее испарения, приведет к полному разрешению информационного парадокса.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.