Парадокс черных дыр, нерешенный Стивеном Хокингом, может найти объяснение
В 1976 году Стивен Хокинг теоретически обосновал, что черные дыры не являются полностью черными. Они могут испускать излучение и, если пройдет достаточно времени, черная дыра может испариться. Эта теория, получившая название «излучение Хокинга», казалась убедительной, но оставался важный вопрос. Информация поступает в черные дыры по мере того, как они поглощают материю, и эта информация не может выйти наружу. Но излучение Хокинга не несет с собой никакой информации, потому что энергия этого излучения берется из самой черной дыры, но ничего не говорит о том, что происходит за горизонтом событий.
Что же происходит с ним, когда черная дыра исчезает? Получается, что попавшая в нее информация бесследно теряется. Это ведет к целой серии парадоксов и касается самых оснований квантовой механики, гравитации и даже термодинамики.
Этот «информационный парадокс черной дыры» так и нашел решения, хотя за несколько десятилетий было предложено множество гипотез. Одна из них известна как «ненасильственная нелокальность». В этом сценарии внутренняя часть черной дыры (под горизонтом событий) связана с их внешним миром с помощью «квантовой нелокальности» — когда коррелированные частицы разделяют одно и то же квантовое состояние. Эта нелокальность названа «ненасильственной», потому что нет энергии, вызывающей последующие гравитационные волны — пульсации в пространстве-времени за пределами черной дыры. Это — квантовое взаимодействие между внутренним миром черной дыры и внешней Вселенной.
Если эта гипотеза верна, то пространство-время вокруг черных дыр несет в себе малые возмущения, которые не являются полностью случайными. Напротив, эти колебания коррелируют с информацией внутри черной дыры. Тогда, если черная дыра исчезнет, информация сохранится за ее пределами. Это — решение парадокса.
Сигнал из черной дыры
В новой работе астрофизики Калифорнийского технологического института изучили эту гипотезу и разобрались, как мы можем ее проверить.
Исследователи обнаружили, что эти нелокальные квантовые корреляции не только накладывают отпечаток на пространство-время вокруг черной дыры, но и оставляют след в гравитационных волнах, которые испускаются при слиянии черных дыр. Эти сигнатуры существуют как флуктуации поверх основного сигнала гравитационных волн, но они имеют уникальный спектр, который четко отделяет их от обычных волн.
Исследователи наметили программу выделения этого особого сигнала. Они обнаружили, что современные детекторы гравитационных волн, такие как LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) и интерферометр Virgo, не обладают достаточной чувствительностью, чтобы определить, является ли нелокальность точным решением информационного парадокса черных дыр. Но приборы следующего поколения, которые сейчас проектируются и создаются, возможно, смогут это сделать.
Следующий шаг в исследовании — построение еще более точных моделей того, как нелокальность влияет на пространство-время вокруг черных дыр. Это позволит точно предсказать, как должны выглядеть изменения в сигналах гравитационных волн — и это может стать решением информационного парадокса.