Teoreetilised füüsikud Stephen Hawking, Malcolm Perry ja Andrew Strominger on välja pakkunud lahenduse mustade aukude teabe kaotamise paradoksile. Paljud teadlased peavad seda probleemi füüsikas üheks olulisemaks, kuna seda seostatakse maailma determinismiga - kuidas minevik, olevik ja tulevik üksteist mõjutavad. "Lenta.ru" räägib uuringu üksikasjadest.
Mustade aukude teabeparadoksi probleemi põhiolemus on järgmine. Juusteta teoreemi kõige lihtsama versiooni kohaselt iseloomustab Schwarzschildi kosmoseajas kirjeldatud laadimata ja mitte pöörlevaid mustaid auke ainult üks parameeter - mass. Sõna "juuksed" kasutatakse sel juhul metafoorina muude parameetrite jaoks ja selle pakkus välja füüsik John Wheeler.
Paradoks tähendab, et võrdse massiga mustaid auke pole võimalik üksteisest lahti öelda. Musta auku sisenev aine aurustub hiljem Hawkingi kiirguse tõttu ja on ebaselge, mis juhtub selle varem kantud teabega. Laias laastus võib see tähendada, nagu Strominger ajakirja Scientific American toimetaja Seth Fletcheriga antud intervjuus välja tõi, on maailm määramatu: olevik ei määratle tulevikku ja seda ei saa kasutada mineviku täielikuks rekonstrueerimiseks.
Esmakordselt teatas Hawking uuest avastusest 25. augustil 2015, esinedes Stockholmi Kuningliku Tehnoloogiainstituudi konverentsil. Siis intrigeeris ta teadusringkondi peatselt ilmuva artikliga, mis oli pühendatud musta augu paradoksi lahendamisele. "Teavet ei salvestata sisemuses, nagu võiks arvata, vaid musta augu sündmuste horisondil," ütles teadlane toona. Ta mainis ka autorite poolt töös kasutatud ülisaateid (nende kohta lähemalt allpool), mille uurimistöö inspireeris Stromingerit Hawkingit artikli kirjutamiseks. "Idee on see, et superülekanded on langevate osakeste hologramm," sõnas Hawking. "Need sisaldavad kogu teavet, mis muidu oleks võinud kaduma minna." Teadlane rääkis ka mustadest aukudest pärit teabe kasutamise väljavaadetest. "Kõigil praktilistel eesmärkidel kaotatakse teave," ütles Hawking. Tema arvates,mustad augud tagastavad teabe kaootilisel ja kasutud kujul.
Päev varem, 24. augustil peetud loengus rääkis Hawking mustadest aukudest kui tunnelitest teistele universumitele. “Kui must auk on piisavalt suur ja pöörleb, võib see olla sild teisele universumile. Kuid pärast selle läbimist ei naase te enam meie juurde,”ütles füüsik. Hawking tutvustas oma ideid 3. septembril toimunud konverentsil eeltrükis arXiv.org veebisaidil. Perry ja Stromingeriga kaasautoriks saanud Hawkingi teos ise avaldati seal 5. jaanuaril 2016.
Malcolm Perry, Andrew Strominger ja Stephen Hawking (vasakult paremale)
Foto: Anna N. Zytkow / Scientificamerican.com
Varem (alates 1970. aastate keskpaigast) arvas Hawking, et teavet ei salvestata mustadesse aukudesse. Selles küsimuses sõlmisid tema ja Kip Thorne 1997. aastal kihlveo Ameerika teoreetilise füüsiku John Preskilliga. Hawkingi vaade musta augu teabe paradoksile on keelte teooria arenguga muutunud.
Reklaamvideo:
Strominger ja Kumrun Wafa demonstreerisid keelte teooria raames 1996. aastal mustade aukude entroopia avaldise tuletamist, mille termodünaamiliselt sai Iisraeli füüsik Jacob Bekenstein 1973. aastal. Nende järeldus näitab, et mustade aukude aurustumine säilitab kvantmehaanika ühtsuse (seostatud tõenäosuse järjekindla tõlgendamisega), mille Hawking varem kahtluse alla seadis.
2005. aastal avaldatud teoses püüdis Briti teadlane kvalitatiivselt selgitada musta auku teabe säilimist funktsionaalse integraaltehnika abil, mis on üle võetud triviaalse topoloogiaga ruumi. Samad tulemused tulenevad AdS / CFT kirjavahetuse ideest, mille 1998. aastal pakkus välja Juan Maldacena keelte teooria raames. See omakorda põhineb holograafilisel põhimõttel, mille pakkus 1993. aastal välja Hollandi teoreetiline füüsik Gerard t'Hooft (see teadlane avaldas 5. septembril 2015 eeltrüki alternatiivse teabe salvestamiseks musta augu abil).
Uues töös tuginevad teadlased 1960. aastate uurimustele. Siis pakkusid füüsikud Steven Weinberg ja teised välja supertõlgete kontseptsiooni (neid ei tohiks segi ajada supertemaatikas kasutatava samanimelise terminiga). Lisaks kasutasid autorid Stromingeri ja kaasautorite tulemusi, millest järeldati, et mustal augul on nn pehmed juuksed. Strominger kasutas kvant-elektrodünaamikast tuntud pehmeid footoneid - suure lainepikkusega elektromagnetilise kiirguse kvante, mida kasutati renormalisatsioonides (kvantvälja teooria erinevuste eemaldamise protseduurid). Sellistel osakestel on madal energia ja vaakumseisundi kirjeldamisel (väikseima energiaga) tekivad uued kvantseisundid, mida iseloomustab nurkkiirus (kuna footonil on üks).
Stromingerit huvitas küsimus, kas süsteemi algne kvantseisund erineb järgmisest, kui seada footoni lainepikkus lõpmatuks (see tähendab, et selle energia arvutatakse nulliks). Arvutused on näidanud, et sel juhul muutub süsteemi kvant olek. Lõpmatu lainepikkuse piires asuvad pehmed gravitonid ja footonid eksisteerivad ruumi-aja piirides. Mustade aukude kohaldamisel selgub, et sündmuse horisondil paiknevad pehmed osakesed - neljamõõtmelise ruumi-aja augu kolmemõõtmeline hologramm.
Supersaadetest rääkides tähendavad teadlased musta augu sündmushorisondil esinevate identsete valguskiirte transformatsioone. 1960ndatel kasutati supertõlkeid valgusekiirte kirjeldamiseks lõpmatuseni kosmoseajas, mitte aga mustade aukude sündmuse horisondi kaudu. Strominger selgitas superülekande ideed, kasutades lõpmata pikkade ja identsete õlgade kollektsiooni näidet. Kui ühte neist liigutatakse teiste suhtes üles või alla, kas sellist liikumist saab pidada reaalseks? Teadlaste uuringud on sellele küsimusele andnud positiivse vastuse.
Gerard t'Hooft ja Stephen Hawking
Foto: Håkan Lindgren / kth.se
“Kui võrrelda kahte musta auku, mis erinevad ainult pehme footoni lisamisel, mis ei muuda energiat, siis saadakse erinevad mustad augud. Ja siis lased neil aurustuda. Sel juhul peavad nad aurustuma millekski erinevaks. Me anname täpse valemi, mis on meie töö üks peamisi tulemusi, kirjeldades erinevusi musta augu kvantseisundis, millele pehme foton lisati või mida ei lisatud, “rääkis Strominger ajakirjale Scientific American.
Füüsik märkis, et teadustöö käigus suutis ta sõnastada 35 paljulubavat probleemi, mille lahendamine võib võtta kuni mitu kuud. "Kui meil on olemas kõik koostisosad, et mõista mustade aukude kvantdünaamikat, võimaldab see arvestada holograafiliste pikslite arvu," ütles ta. Edaspidi kavatsevad Strominger ja kaasautorid uurida mitte supertõlkeid, vaid supertoite. Kasutades analoogiat identsete lõpmata pikkade õlgedega, võime öelda, et sel juhul vahetavad viimased üksteisega kohti (üks põhk pöörleb ümber teise).
"Need (ülipöörded) on veel üks selline sümmeetria lõpmatuses, kus te ei liiguta mitte ainult valguskiiri üles ja alla, vaid lubate neil üksteise suhtes liikuda," sõnas Strominger. Teadlased hakkasid selliseid muutusi uurima umbes kümme aastat tagasi ja nende mõistmisel on tehtud edusamme alles kahe viimase aasta jooksul. 8. jaanuaril 74. sünnipäeva tähistanud Hawking esitleb oma nägemust oma uuest tööst loengutel, mida edastavad 26. jaanuaril ja 2. veebruaril BBC Radio 4.
Andrei Borisov
