Российский ученый предложил решение информационного парадокса черных дыр, показав, куда должна деваться исчезающая информация. Работа была опубликована в журнале Modern Physics Letters A. В исследовании удалось показать теоретически, что информационный парадокс исчезает, если предположить, что при испарении черной дыры в нашей Вселенной ее внутренняя часть отделяется и создает новый Большой Взрыв, порождая другую вселенную. В этой модели возникает самосогласованное описание мультивселенной, в котором каждая черная дыра в родительской вселенной является в новой белой дырой или Большим Взрывом.
Информационный парадокс — давняя загадка в теории испарения черных дыр. Недавно он в очередной раз привлек внимание ученых из-за новых исследований в области AdS/CFT-соответствия. Это соответствие является важной гипотезой относительно квантовой гравитации. Если она верна, то информация никуда не может потеряться. Однако это не решает вопроса о том, что же с ней происходит.
Предлагались разные способы решения этой загадки. Например, Стивен Хокинг в 2005-м году предположил, что настоящие черные дыры не образуются при коллапсе массивных звезд, а значит и проблемы нет как таковой.
В исследовании Алексея Морозова из МФТИ не используется дополнительных предположений и проблема решается на том уровне, на котором она возникла. Ещё физик-теоретик Уилер, придумавший термин “черная дыра” исследовал решение уравнений Эйнштейна, , в котором внутренняя часть черной дыры заменяется геометрией с фиксированной площадью (равной площади горизонта) и произвольно большим объемом. Решение назвали «золотой мешок Уилера».
Рисунок 1. Схема “золотого мешка Уилера”. Источник: Modern Physics Letters A.
Суть информационного парадокса черных дыр заключается в том, что, начиная с чистого квантового состояния, мы можем проследить формирование черной дыры до ее полного испарения, оставив ее с тепловым ансамблем для испускаемого излучения Хокинга, что резко противоречит свойству унитарности квантовой эволюции, которая не может преобразовать чистые состояния в смешанные.
Предложенное российским ученым решение заключается в том, что внутренняя часть черной дыры оказывается в другой вселенной, и, хотя излучение Хокинга и внутренняя часть черной дыры по отдельности находятся в смешанном квантовом состоянии, они квантово запутаны между собой и вместе как целое образуют одно чистое квантовое состояние. Теоретический анализ успешно показал, что такое возможно и согласуется с законами и принципами квантовой механики.
Черная дыра — гигантский космический пылесос, который бесшумно летит по Вселенной и затягивает все, что попадается ему на пути — звезды, планеты и даже свет! Но этот пылесос не просто забирает всё, что близко, но и периодически выбрасывает часть этого содержимого обратно в космос. Этот загадочный процесс называется излучением Хокинга. Представьте себе, что когда материя и энергия проходят через черную дыру, они не просто исчезают навсегда. Вместо этого они отделяются от нашей Вселенной и начинают своё существование в новой вселенной. То есть, черная дыра становится настоящим «порталом» в неизведанное!
Теперь давайте вообразим, как выглядит новая вселенная. Она может быть очень похожа на нашу, а ее началом может быть белая дыра (или, как мы ее еще называем, Большой Взрыв). В этой новой вселенной также будут образовываться черные дыры, чтобы создавать еще больше новых миров. Так получается связанная сеть вселенных — своего рода мультивселенная, где каждая черная дыра рождает новую вселенную с собственным уникальным развитием. Если говорить языком ученых, то каждая черная дыра окружена особым излучением Хокинга, которое остается в её «родной» вселенной. Однако всё остальное, что попадает внутрь черной дыры, отделяется в момент, называемый временем Пейджа — и начинает своё новое путешествие в виде новой вселенной.
Таким образом, общая теория относительности говорит нам, что вселенная, подобная нашей, начинается с белой дыры (или Большого взрыва) и имеет множество черных дыр, создающих новые вселенные. В этом танце космоса вселенные связаны друг с другом через процесс «рождения» новых миров.
Рисунок 2. Схематическое изображение истории Вселенной. Она рождается как белая дыра из черной дыры в родительской Вселенной. Другие черные дыры порождают другие дочерние вселенные — некоторые из них являются сестрами нашей, другие — потомками и так далее. Каждая черная дыра окружена излучением Хокинга, которое остается в ее собственной вселенной, в то время как остальное содержимое черной дыры отделяется от нее и рождает новую дочернюю вселенную. Внутри новой вселенной происхождение выглядит как белая дыра или Большой взрыв. Источник: Modern Physics Letters A.
Похожие теории истории вселенной нередко называют “фрактальной вселенной”.
Рисунок 3. Фрактальная вселенная. Источник: https://forallxyz.net/ax/d1/1/a170/linde_presentation_39.jpg
«Основной технической проблемой является выход за рамки качественного анализа и разработка последовательного количественного описания, одновременно включающего квазиклассическое Хокинговское излучение и «небольшое» изменение классической геометрии при образовании дочерних вселенных», — рассказал Алексей Морозов, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник физтех-кластера академической и научной карьеры МФТИ. — «В частности, это должно ответить на вопрос, какая часть материи, падающая в черную дыру, на самом деле излучается (максимум половина, но на самом деле может быть намного меньше) и каковы параметры, которые регулируют эту долю».
Модель, предложенная Алексеем Морозовым, является хорошим кандидатом на правильное решение информационного парадокса черных дыр. Если она подтвердится астрофизическими наблюдениями и исследованиями, то полученные с ее помощью результаты будут иметь большое значение для развития квантовой теории гравитации.
3
