Изображение небольшого космического взрыва

У черных дыр есть проблема, которую физики до сих пор не могут объяснить. Согласно знаменитому предсказанию Стивена Хокинга, черные дыры не являются полностью темными. Они должны медленно испускать чрезвычайно слабый поток частиц, известный как излучение Хокинга.

Со временем это излучение заставило бы черную дыру сжиматься и в конечном итоге полностью исчезнуть. Однако это создает серьезное противоречие в физике. Если черная дыра исчезнет, что произойдет со всей информацией, заключенной внутри нее?

Квантовая физика утверждает, что информация не может быть уничтожена, однако испарение черной дыры, по-видимому, свидетельствует об обратном.

На протяжении десятилетий ученые бились над этой загадкой, поскольку излучение Хокинга слишком слабое, чтобы его можно было наблюдать непосредственно, а математика, связывающая гравитацию с квантовой физикой, общеизвестно сложна.

Теперь команда международных исследователей нашла неожиданный новый способ изучения проблемы. Вместо того, чтобы вплотную заняться черными дырами, они перевели излучение Хокинга на язык физики элементарных частиц, используя математическую схему, называемую "двойная копия".

“Это позволяет нам вычислять вещи, которые мы никогда не могли рассчитать раньше, просто перерабатывая результаты разумным способом”, - сказал Крис Уайт, один из исследователей и физик из Лондонского университета Королевы Марии.

Скрытый мост между гравитацией и частицами

Двойное копирование - это идея, которая изменила некоторые разделы теоретической физики за последнее десятилетие. По своей сути, концепция предполагает, что некоторые уравнения, описывающие гравитацию, могут быть математически переписаны с использованием уравнений из физики элементарных частиц.

Это важно, потому что современная физика разделена на две отдельные системы. Общая теория относительности Эйнштейна объясняет гравитацию, черные дыры и движение массивных объектов по Вселенной.

В то же время стандартная модель объясняет крошечные частицы и взаимодействия, которые управляют квантовым миром.

Обе теории очень хорошо работают сами по себе, но их становится трудно согласовать в экстремальных условиях, таких как черные дыры. Двойная копия действует почти как средство перевода между этими двумя мирами.

Проще говоря, физики иногда могут преобразовать сложный расчет силы тяжести в более понятный расчет в области физики элементарных частиц.

Этот метод уже использовался для лучшего понимания нескольких гравитационных явлений, но излучение Хокинга оставалось одним из недостающих элементов. Ученым никогда раньше не удавалось найти подходящую стандартную модель, аналогичную излучению Хокинга. Этот пробел ограничивал то, насколько полезной могла бы стать двойная копия для изучения черных дыр.

Превращение излучения Хокинга в столкновение частиц

В своем новом исследовании ученые, наконец, нашли математический аналог излучения Хокинга. Вместо описания частиц, вылетающих из черной дыры, в переведенной версии описывается взаимодействие заряженной частицы со сжимающейся сферической оболочкой, состоящей из заряженного вещества.

“Мы рассматриваем рассеяние безмассовой скалярной частицы на коллапсирующем электромагнитном фоне”, - написали исследователи, описывая установку физики элементарных частиц, используемую для математической имитации излучения Хокинга.

Удивительно, но математическое описание этого процесса рассеяния совпадает с уравнениями, описывающими излучение Хокинга. Две другие исследовательские группы независимо друг от друга пришли к тесно связанным выводам в отдельных исследованиях, что укрепило уверенность в том, что связь является подлинной, а не случайной.

В совокупности эти работы предполагают, что важные особенности физики черных дыр уже могут быть закодированы в обычных уравнениях физики элементарных частиц.

Результат особенно важен, поскольку излучение Хокинга находится на пересечении двух радикально отличающихся масштабов. Черные дыры относятся к царству огромных космических объектов, управляемых гравитацией, в то время как испускаемые частицы принадлежат к микроскопическому квантовому миру.

Тот факт, что двойная копия может соединять оба масштаба, говорит о том, что взаимосвязь между гравитацией и физикой элементарных частиц может быть глубже, чем ученые предполагали ранее. Новая структура также может предоставить физикам решение важной экспериментальной проблемы.

Поскольку излучение Хокинга от реальных черных дыр слишком слабое, чтобы его можно было обнаружить напрямую, исследователи могут вместо этого изучить его аналог в физике элементарных частиц математически. Это может позволить им исследовать аспекты поведения черных дыр, которые ранее были недоступны.

Парадокс черной дыры может получить новую отправную точку

Эта работа не решает информационный парадокс черных дыр, но дает ученым новый подход к их изучению.

Теперь исследователи надеются продвинуться еще дальше в изучении концепции двойника, ища в физике элементарных частиц аналоги других свойств черных дыр, включая сам горизонт событий — границу, за которую ничто не может вырваться.

Если эти связи удастся обнаружить, физики смогут изучать некоторые аспекты черных дыр, используя методы, изначально разработанные для изучения столкновений частиц.

Это стало бы серьезным сдвигом в подходе исследователей к квантовой гравитации, одной из самых сложных нерешенных проблем современной науки.

Однако на данный момент исследование носит чисто теоретический характер, и существующие математические модели применимы только к тщательно контролируемым ситуациям, а не к реальным астрофизическим черным дырам.