Svarta hål har alltid varit enkla i vår fantasi.
Det fanns en tid när man kunde använda sig av reglerna för den allmänna relativitetsteorin, kunde man föreställa sig en tät oändlig singularitet. Det var omgivet av en gravitationszon, från vilken det var omöjligt att fly, och kallades "händelseshorisonten". Dessa komponenter, tillsammans med flera ytterligare detaljer, utgjorde den grundläggande beskrivningen av anatomin hos ett svart hål.
Textboken är skrivet om detta mycket tydligt: ingenting, inte ens en stråle av ljus kan bryta igenom gravitationssidan av objektets händelsehorisont. Det är bara en enda biljett. Om en astronaut är för nära händelsehorisonten kommer han att dras inuti. Och han måste falla till sin död och förvänta sig fruktansvärda konsekvenser av spagettisering.
Även om detta är en förenklad form, fungerade det som en ganska anständig förklaring av vad som händer i svart hål. Men på 1970-talet presenterade den brittiska guran av teoretisk fysik, Stephen Hawking, sin huvudteori om förångning av svarta hål. Och i modern tid tror Hawking att läroböcker var felaktiga, vilket ledde oss till att svarta ser ut som envägsgator.
Hawking strålningsproblem
Komplexiteten hos det faktum att svarta hål kan avdunsta är en följd av den konstiga utbredningen av den oexplorerade kvantvärlden. Kvantteoretikerna föreslår att ett par "virtuella partiklar" i vakuumutrymmet ständigt hoppar ut ur rymden och återvänder till det. Så det visar sig att "sant vakuum" aldrig är tomt. Faktum är det fyllt med par av kvantpartiklar som är födda i världen, och förstörs sedan i ett litet tidsintervall. Vanligtvis sker en sådan process utan hitch och en hitch-partiklar härrör från ett vakuum, sedan förstör de med sin partner och universum gör sitt eget personliga företag. Men om du lägger till ett svart hål i mixen, köper allt omkring dig galenskapens egenskaper.
Som vi nämnde ovan blir händelsehorisonten i ett svart hål en punkt där det inte finns någon återgång. Så vad händer när ett par virtuella partiklar svävar i den allmänna existensen i horisonten och bara en faller inuti? Tja, den andra "virtuella partikeln", som har förlorat sin förstörelse partner, drivs bokstavligen ut ur det svarta hålet och blir kategorin "verklighet". I processen att bli en "verklighet", tar denna partikel en del av massan från det svarta hålet (kvantmekaniken hävdade aldrig att förmedla en logisk betydelse). På grund av denna process, som hela tiden rasar i händelsernas horisont, börjar det svarta hålet att förlora fysisk massa. Det här är vad Hawking strålningsdunstning är.
Fram till den här tiden uppvärmde jag bara din aptit för kvadratersteorin, och då kommer det bara att bli väldigare. Men först måste vi röra på ytterligare information.
Den allmänna teorin om relativitet och kvantfältteori spelar mellan sig genom reglerna. Båda områdena fysik handlar om grundläggande beskrivningar av rymd, tid och materia på mikro- (kvant) och makro (kosmologiska) nivåer. De ligger på motsatta sidor av skalorna. Och efter den senaste upptäckten av Higgs boson, hjälpte kvantet "receptrecipe" som kallades Standardmodellen, en gång till att bevisa att detta är en exakt beskrivning av hur vårt universum fungerar.
Standardmodellen verkar ha ett grundläggande problem med gravitationen. Hittills har fysiker inte kunnat hitta en partikel som medverkar i gravitationskraften (det hypotetiska namnet är "graviton"). Och trots alla sina ansträngningar verkar det som om det fortfarande finns något sätt att lösa detta pussel. Och de senaste åren har svarta hål blivit en annan slagfält mellan den allmänna relativitetsteori och kvantfältteori.
Antitese av "No Drama"
När materia (och därmed "information") går in i ett svart hål, tas det bort från universums kända gränser och förstöras effektivt. Detta är ett problem. Den allmänna relativitetsteorin bryr sig lite om information som materiellt besitter. Men kvantteori å andra sidan är för mycket intresserad av denna information och anser att den inte kan "rensas".
År 2004 inträffade en berömd händelse när Hawking erkände nederlag i en tvist med teoretisk fysiker John Presquil. Han bekräftade att informationen "förlorad" i ett svart hål är kodad i Hawking-strålning (han hävdade ursprungligen att svarta hål förstör information och information i strålning är en ny kod som inte relaterar till ett föremål som kommer in i hålet).
Men den här snabbkorrigeringen skapade ett annat problem. Under 2012 insåg en grupp fysiker ledd av Joseph Polchinski vid University of California i Santa Barbara att lagring av information i Hawking-strålning skulle kräva en "brandvägg" av stark kvantenergi som skulle pressa allt bortom händelsernas horisont.
Påminner om vår olyckliga kosmonaut som kom in i en svarthågs händelse, kommer han inte att uppleva någonting med den allmänna relativitetsteorin medan han driver genom detta område (självklart, om det inte var Matthew McConaughey som skulle se ljusa ljus). Naturligtvis kommer astronauten i slutändan att bryta sig i små bitar, men det kommer att brännas. Ett sådant tankeexperiment är känt som det inte-dramatiska postulatet.
Men allt förändrar dödsfallet från brandväggen. Han bryter helt enkelt drama lagar och skapar exakt motsatsen. Det strider helt och hållet mot den allmänna relativitetsteorin och teorin som styr det svarta hålet som vi startade.
Så nu måste fysiker slåss med ekvationerna och försöka lösa "informations paradoxen". Detta är vad de största sinnena har gjort under de senaste decennierna. Stephen Hawking själv lämnar inte ens denna debatt. Till exempel diskuterade han förra året möjligheten att ersätta sin teori med en teoretisk konstruktion som kallas den "uppenbara horisonten" snarare än vissa gränser. Kanske måste detta koncept förbättras och i själva verket förändrar denna horisont dess bildning som svar på kvantfluktuationer i ett svart hål. Detta skapar en kaotisk störning i informationen bortom den uppenbara horisonten, som varken bryter mot kvantdynamikens lagar eller den allmänna relativitetsteorin.
"Såsom förutsägelse för väder på jorden, kommer informationen att gå förlorad om det inte finns någon förlust av enhetlighet", skrev Hawking i en artikel. Det betyder att även om informationen kan släppas från det svarta hålet kan dess slumpmässighet inte tolkas utan att lösa problemet med brandväggen.
Det är naturligtvis inte slutet på debatten mellan Hawkings kamrater.
Och nu Hawking, som presenterades på nyheterna vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm den 24 augusti, gav sin utsökta förklaring genom en allmän föreläsning. Han berättade för mig att han tänkte på trådförädlingsinformationen i svarta hål.
"Jag tror att information inte lagras mitt i ett svart hål, som man kanske tror, men på gränsen, i händelse horisonten," sade han vid föreläsningen.
Forskaren förklarade i detalj att informationen lagras på föremål som faller i ett svart hål och omvandlas till 2-dimensionella hologram, varefter de fångas i Hawking-strålning och avlägsnas från det svarta hålet. Men det finns ingen romantik i det, eftersom det inte ser ut som en super avancerad hårddisk. Istället är det en riktig kaotisk röra.
"Jag tror att svarta hål inte alls är samma färg som de beskrivs", förklarade han. - "De utgör inte ett evigt fängelse, som tidigare tänkt. Saker kan gå från hålet till det yttre eller till andra universum. " Vi väntar på de handlingar som Hawking och hans anställda avser att publicera inom några veckor för att förstå vad han menade med ordet "andra" universum. Men det finns antaganden som gör det klart att hål kan fungera som en dörr till parallella världar eller till och med hela universum.
Event Horizon Telescope
För närvarande kan Hawking ha formulerat en "nödutgång" för att få information från ett ämne som har fallit i ett svart hål. Men vi kommer inte att kunna exakt känna till processen förrän vi studerar naturen för dessa objekt fullt ut.
Astronomer från Event Horizon Telescope ligger nära att se den djupa kärnan i vår galax. De kan se den projicerade ljusskivan som omger det supermassiva svarta hålet i Vintergatan, Skytten A, belägen på ett avstånd av 20 tusen ljusår.
"I så många år har Hawking försökt hitta lösningar på informationsparadoxen: antingen att ställa in så att kvantfältteori kombinerar med den allmänna relativitetsteorin, eller att ändra vägen för att se ett svart hål", skriver Dimitrios Psaltis, en professor i astronomi och fysik från University of Arizona . "Om allt fungerar med det andra alternativet, kommer Event Horizon Telescope att kunna se en unik vy."
Hawkings arbete kan lägga fram nya banbrytande idéer och ge möjlighet att överväga vissa aspekter av informationsparadoxen.
