Теория испарения чёрных дыр Стивена Хокинга противоречит законам квантовой механики. В новой статье предложен способ преодоления этого парадокса при условии, что Вселенная имеет семь измерений.
Новое теоретическое исследование предполагает, что чёрные дыры, возможно, никогда не испарятся полностью, опровергая известную неудобную теорию Стивена Хокинга — ведь последняя нарушает фундаментальные законы квантовой механики. Вместо этого, согласно исследованию, чёрные дыры могут оставлять после себя крошечные, стабильные остатки, в которых хранится вся информация, которую они когда-то поглотили.
Но тут есть одна закавыка. Чтобы теория работала, во Вселенной должны существовать три дополнительных скрытых измерения, которые люди не воспринимают, то есть пространство-время должно быть семимерным. Когда эти скрытые измерения сгибаются и скручиваются, они создают отталкивающую силу, которая не даёт чёрным дырам полностью испариться.
Эта работа, хотя пока и не поддаётся непосредственной проверке, связывает чёрные дыры с геометрией дополнительных измерений, предлагая новый подход к одной из самых глубоких загадок физики.
Парадокс, бросающий вызов основам физики
Чёрные дыры часто представляют себе как космические ловушки, из которых ничто не может вырваться. Однако ещё с 1970-х годов физики знают, что эти космические гиганты не являются полностью чёрными. Известный физик-теоретик Стивен Хокинг выдвинул гипотезу, что чёрные дыры излучают радиацию и со временем медленно испаряются, что приводит к тревожному противоречию, известному как парадокс потери информации.
«Представьте, что вы бросаете книгу в огонь», — рассказал в электронном письме соавтор исследования Ричард Пинчак, старший научный сотрудник Института экспериментальной физики Словацкой академии наук. «Книга уничтожена, но в принципе вы могли бы восстановить каждое слово из дыма, пепла и тепла — информация перемешана, но не утрачена».
Но когда чёрная дыра полностью испаряется, информация обо всём, что в неё попало, как будто исчезает, что нарушает один из основных принципов квантовой механики.
На протяжении десятилетий физики пытались разрешить этот парадокс. Теперь новое исследование, опубликованное 19 марта в журнале General Relativity and Gravitation, предполагает, что ответ может лежать в скрытой структуре самого пространства-времени.
Дополнительные измерения и скрытая структура пространства-времени
В новом исследовании рассматривается Вселенная, имеющая больше измерений, чем привычные нам четыре (три пространственных и одно временное). Согласно этой концепции, космос состоит из семи измерений, три из которых являются компактными и невидимыми в повседневных масштабах.
«Мы воспринимаем три измерения пространства и одно измерение времени — всего четыре измерения, — сказал Пинчак. — Наша модель предполагает, что Вселенная на самом деле имеет семь измерений: четыре, которые нам известны, плюс три крошечных дополнительных измерения, свёрнутых настолько плотно, что мы не можем их непосредственно воспринять».
Эти дополнительные измерения расположены в высокосимметричной структуре, известной как G₂-многообразие. Эта математическая структура, часто исследуемая в передовых теориях, таких как версия теории струн, известная как M-теория, определяет, как «сворачиваются» скрытые измерения.
«Представьте себе это как оригами, — сказал Пинчак. — То, как вы складываете бумагу, определяет, что будет с итоговой формой».
В новой модели эта геометрическая структура порождает физический эффект, называемый торсионностью, который можно представить как скручивание пространства-времени. Оказывается, это поле кручения играет решающую роль в физике чёрных дыр.
Торсионность и рождение стабильных остатков чёрных дыр
Исследование показывает, что торсионность порождает отталкивающую силу, которая становится значимой на чрезвычайно малых масштабах, ближе к концу жизни чёрной дыры. По мере того как чёрная дыра сжимается под действием излучения Хокинга, эта сила в конечном итоге противодействует дальнейшему коллапсу.
«Эта отталкивающая сила действует как тормоз, останавливая испарение до того, как чёрная дыра исчезнет полностью», — сказал Пинчак.
Вместо того чтобы исчезнуть, чёрная дыра стабилизируется, превращаясь в крошечный остаток. Согласно модели, масса этого остаточного объекта составляет около 9 × 10⁻⁴¹ килограмма — примерно в 10 миллиардов раз меньше, чем масса электрона.
Важно отметить, что этот остаток способен хранить информацию, попавшую в чёрную дыру, не нарушая при этом законов квантовой механики. Информация кодируется в тонких колебаниях, известных как квазинормальные моды, которые выступают в качестве носителей утраченных данных.
Модель также выявляет неожиданную связь с физикой частиц: существование трёх скрытых измерений в сочетании с наличием торсионности порождает картину взаимодействий частиц, ответственную за механизм Хиггса — явление, придающее массу элементарным частицам, таким как электроны и кварки.
«То же самое торсионное поле… генерирует ландшафт потенциальной энергии, который по форме идентичен тому, что отвечает за придание массы бозонам W и Z — носителям слабой ядерной силы», — сказал Пинчак.
Эта связь увязывает поведение чёрных дыр с электрослабой шкалой, хорошо известной шкалой энергий в физике частиц.
Где новая теория не справляется
Несмотря на свою привлекательность, модель сталкивается с серьёзными проблемами. Стандартное описание испарения чёрных дыр основано на полуклассическом приближении, которое, как ожидается, перестанет работать на чрезвычайно малых масштабах вблизи планковской массы — примерно 10⁻⁵ грамма. Это масштаб масс, на котором квантово-гравитационные эффекты становятся настолько сильными, что их уже невозможно игнорировать.
«По мере того как чёрная дыра сжимается до планковского масштаба, все существующие модели — включая нашу — в конечном итоге сталкиваются с переходом в режим глубокой квантовой гравитации», — отметил Пинчак.
В этом режиме требуется полная теория квантовой гравитации, но такая теория пока остаётся неполной. Новая работа не претендует на полное решение этой проблемы. Вместо этого она предлагает конкретный механизм того, как новая физика может возникнуть на заключительной стадии испарения.
«Что отличает наш подход, так это то, что мы не утверждаем, что полуклассическое испарение действует вплоть до достижения массы остатка», — сказал Пинчак. «В этот момент новый физический эффект… начинает преобладать и стабилизирует конфигурацию».
Напрямую проверить теорию будет чрезвычайно сложно; соответствующие энергетические масштабы находятся далеко за пределами возможностей современных ускорителей частиц. Однако модель даёт чёткие предсказания, которые в принципе можно проверить.
Например, согласно этой модели, гипотетические частицы Калуцы — Клейна, связанные с дополнительными измерениями, должны иметь массу около 10¹⁶ гигаэлектронвольт — примерно на 14 порядков больше, чем у топ-кварка, самой массивной из известных элементарных частиц. Обнаружение более лёгких вариантов этих частиц с помощью существующих или будущих ускорителей позволило бы опровергнуть эту модель.
Другая возможность связана с наблюдением за заключительными стадиями испарения чёрных дыр, особенно первичных чёрных дыр. Будущие гамма-телескопы или детекторы гравитационных волн могли бы предоставить косвенные доказательства существования стабильных остатков.
«Важно то, что её предсказания конкретны — модель может оказаться неверной, и именно это делает её научной», — сказал Пинчак.
В перспективе исследователи намерены более тесно связать свою концепцию с фундаментальными теориями, такими как M-теория, и лучше понять, как информация хранится в остатках. Если идея о том, что чёрные дыры оставляют после себя крошечные, богатые информацией остатки, подтвердится, она может изменить наше понимание гравитации, квантовой механики и фундаментальной структуры Вселенной.