Прическа для черных дыр: физики разгадали знаменитый парадокс черных дыр Стивена Хокинга

Черные дыры, наверное, самые странные объекты во Вселенной. Само их существование и поведение не вписывается в систему представлений современной физики о мире. Однако сейчас считается, что, если удастся их понять и объяснить, это будет великим прорывом и закроет большую часть вопросов о понимании Вселенной.

Одна из самых больших загадок — куда девается материя, которую втягивает в себя черная дыра? Согласно классическим представлениям считалось, что она просто хранится внутри черной дыры в крайне сжатом состоянии. Масса самой дыры при этом увеличивается. Также традиционно считалось, что черная дыра вечна и неуничтожима. Для описания такого подхода когда-то прижилась научная метафора: астрофизик Джон Уилер образно сказал, что «черные дыры не имеют волос» в том смысле, что это совершенно «лысый» объект с минимальным количеством характеристик. То есть две черные дыры одинаковой массы будут совершенно неотличимы.

В 1975 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры на самом деле смертны. Он подсчитал: то, как эти объекты искривляют Вселенную, должно менять природу окружающих квантовых полей. А это взаимодействие, в свою очередь, должно приводить к «испарению» черных дыр. Но в этом случае открытым остается вопрос: куда все же девается материя, которую втянула в себя черная дыра? По законам физики ничего в этом мире просто так исчезнуть не может — всё всегда превращается во что-то другое.

В 2015 году Стивен Хокинг озвучил новую идею: вся материя, которая всасывается в черную дыру, оставляет свой отпечаток возле горизонта событий (граница, за которую ничего не может вырваться). Информация хранится там в виде частиц с почти нулевой энергией. Это и есть так называемые «волосы» черной дыры. Если это так, то две черные дыры с одинаковой массой будут, конечно же, различаться по своим внешним характеристикам. Если говорить упрощенно, когда дыра испарится, «волосы» останутся, а значит, материя не исчезнет. На роль частиц, которые составляют «прическу» черной дыры, предлагались фотоны (частицы света) и гравитоны (теоретическая частица гравитационного взаимодействия, существование которой не доказано).

Стивен Хокинг не успел довести до конца математические расчеты, доказывающие эту теорию. В 2016 году вместе с коллегами он опубликовал статью с расчетами для фотонов, при этом несколько вопросов так и остались открытыми. Физики-теоретики продолжили дело ученого после его смерти.

17 марта в журнале Physical Review Letters вышла статья ученых из Великобритании, США и Италии, где были представлены расчеты «волос» черных дыр для гравитонов. Кратко об этом рассказывают Science Alert, Guardian.

В публикации физики показывают, как гравитоны потенциально могут вести себя при определенных энергетических условиях. Ученые сформулировали логичную модель того, как информация, втянутая черной дырой, может оставаться связанной с окружающим пространством даже через горизонт событий с помощью небольших возмущений гравитационного поля (те самые «волосы»).

Таким образом, здесь гравитационное взаимодействие представляется в виде квантовой структуры с участием специальных частиц. Это еще один серьезный шаг к объединению общей теории относительности Эйнштейна с квантовой физикой, а значит, формулированию теории всего, объясняющей Вселенную.

«Наше решение не требует спекулятивной идеи. Вместо этого наше исследование демонстрирует, что две теории можно использовать для последовательных расчетов черных дыр и объяснения того, как хранится информация, без необходимости в радикально новой физике», — сказал профессор Ксавье Кальме из Университета Сассекса, руководивший работой.

Пока нет очевидного способа проверить новую теорию с помощью астрономических наблюдений — гравитационные «волосы» слишком малы, чтобы их можно было измерить. Так что в научном сообществе, скорее всего, будут снова идти активные дискуссии.

Между тем в физике распространена практика, когда теоретические расчеты со временем, с развитием науки и техники, подтверждаются экспериментально. Яркий пример — бозон Хиггса, предсказанный еще в 1964 году, а открытый лишь в 2012-м. Сами черные дыры, кстати, тоже долго считались лишь теоретическим построением, а в 2019 году мир увидел первое фото этого объекта.