Για δεκαετίες, οι φυσικοί παλεύουν με ένα από τα πιο βαθιά παζλ της σύγχρονης επιστήμης: το «παράδοξο πληροφοριών για τη μαύρη τρύπα». Τώρα, μια νέα θεωρητική μελέτη προτείνει μια πιθανή λύση, η οποία θα μπορούσε να ρίξει φως σε ένα άλλο μεγάλο μυστήριο στη φυσική, την προέλευση της μάζας των στοιχειωδών σωματιδίων.
Το παράδοξο χρονολογείται από το έργο του Στίβεν Χόκινγκ τη δεκαετία του 1970. Χρησιμοποιώντας ημι-κλασικούς υπολογισμούς, ο Χόκινγκ έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι εντελώς μαύρες. Αντίθετα, εκπέμπουν μια ασθενέστερη μορφή ακτινοβολίας που αποστραγγίζει αργά την ενέργειά τους, με αποτέλεσμα να συρρικνώνονται και τελικά να εξαφανίζονται.
Αυτό το αποτέλεσμα δημιούργησε σοβαρό πρόβλημα. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, οι πληροφορίες δεν μπορούν να καταστραφούν. Ωστόσο, εάν μια μαύρη τρύπα εξατμιστεί εντελώς, όλες οι πληροφορίες σχετικά με την ύλη που έπεσε σε αυτήν φαίνεται να εξαφανίζονται επίσης. Αυτή η φαινομενική αντίφαση έγινε γνωστή ως το παράδοξο της πληροφορίας της μαύρης τρύπας.
Μια νέα μελέτη με επικεφαλής τον Richard Pincock και δημοσιεύτηκε Γενική Σχετικότητα και Βαρύτητα Προτείνετε ένα διαφορετικό αποτέλεσμα. Οι ερευνητές προτείνουν ότι η απάντηση μπορεί να βρίσκεται στη γεωμετρία του σύμπαντος υψηλότερων διαστάσεων.
Επιπλέον διαστάσεις και στριμμένος χωροχρόνος
Η ομάδα διερεύνησε μια εκδοχή της βαρύτητας γνωστή ως θεωρία Einstein-Kurtan, η οποία διατυπώνεται σε 7 διαστάσεις σε ένα μαθηματικό πλαίσιο που ονομάζεται G2-πολλαπλό με στρέψη.
Σε αντίθεση με τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν, η οποία περιγράφει τον χωρόχρονο ως κάτι που μπορεί να λυγίσει ή να καμπυλωθεί, η θεωρία Αϊνστάιν-Κουρτάν επιτρέπει επίσης τη συστροφή του χωροχρόνου. Αυτή η συστροφή ονομάζεται χωροχρονική στρέψη.
Σύμφωνα με το μοντέλο, η στρέψη γίνεται ιδιαίτερα σημαντική στις ακραίες πυκνότητες που σχετίζονται με την κλίμακα Planck. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, δημιουργεί μια απωστική δύναμη που δρα ενάντια στη βαρυτική κατάρρευση.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτό το απωθητικό φαινόμενο θα μπορούσε να σταματήσει το τελικό στάδιο της εξάτμισης του Hawking. Αντί να εξαφανιστεί τελείως, μια μαύρη τρύπα θα αφήσει πίσω της ένα σταθερό «κατάλοιπο» με προβλεπόμενη μάζα περίπου 9*10.-41 Kg
Υπολείμματα μαύρης τρύπας ως αποθήκευση πληροφοριών
Εάν μια μαύρη τρύπα δεν εξαφανιστεί ποτέ εντελώς, το επόμενο ερώτημα είναι προφανές: Τι συμβαίνει με τις πληροφορίες που περιέχει;
Οι ερευνητές προτείνουν ότι το υπόλειμμα λειτουργεί ως μακροπρόθεσμη αποθήκευση πληροφοριών. Στη δομή τους, οι πληροφορίες αποθηκεύονται μέσω ενός φάσματος «οιονεί κανονικών τρόπων» που σχετίζονται με τη δομή των υπολειμμάτων.
Πιο συγκεκριμένα, οι κβαντικές πληροφορίες κωδικοποιούνται στις μακρόβιες «δονήσεις» του πεδίου στρέψης που υπάρχουν μέσα στη γεωμετρία του υπολείμματος.
Οι υπολογισμοί τους υποδηλώνουν ότι το υπόλειμμα που αφήνει μια μαύρη τρύπα με τη μάζα του Ήλιου μπορεί να αποθηκεύσει περίπου 1,515*1077 qubits πληροφοριών. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτή η χωρητικότητα είναι επαρκής για να αποθηκεύσει τις πληροφορίες που απαιτούνται για την επίλυση του παραδόξου.
Πιθανή σύνδεση με το πεδίο Higgs
Η έρευνα φτάνει πέρα από τις μαύρες τρύπες και στη σωματιδιακή φυσική.
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η μείωση της γεωμετρίας από 7 διαστάσεις σε 4 διαστάσεις, ο χωροχρόνος που βιώνουμε, παράγει φυσικά μια ηλεκτροαδύναμη κλίμακα ~246$ GeV. Αυτή η ενεργειακή κλίμακα σχετίζεται στενά με το πεδίο Higgs, το οποίο είναι υπεύθυνο για να δώσει στα στοιχειώδη σωματίδια τη μάζα τους.
Στο μοντέλο, η τιμή προσδοκίας κενού (VEV) του πεδίου στρέψης χαρακτηρίζεται δυναμικά από την ηλεκτροασθενή κλίμακα (περίπου 246 GeV).
Κατά συνέπεια, ο ίδιος γεωμετρικός μηχανισμός που εμποδίζει τις μαύρες τρύπες να εξατμιστούν πλήρως και διατηρεί τις κβαντικές πληροφορίες μπορεί επίσης να παρέχει μια γεωμετρική εξήγηση για το πρόβλημα ταξινόμησης μάζας, μια από τις μακροχρόνιες προκλήσεις στη σωματιδιακή φυσική.
Πώς μπορεί να δοκιμαστεί η θεωρία;
Εάν οι επιπλέον διαστάσεις παίζουν τόσο θεμελιώδη ρόλο, γιατί οι επιστήμονες δεν τις έχουν παρατηρήσει άμεσα;
Σύμφωνα με έρευνα, τα σωματίδια που σχετίζονται με αυτές τις διαστάσεις (διεγέρσεις Kaluza-Klein) θα είχαν μάζα περίπου 8,6*1015 GeV. Αυτή η ενεργειακή κλίμακα είναι περίπου επτά τάξεις μεγέθους πέρα από αυτό που μπορεί να φτάσει ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC).
Ωστόσο, οι συγγραφείς τονίζουν ότι το να είναι μακριά από τους τρέχοντες επιταχυντές σωματιδίων δεν καθιστά αδύνατη τη δοκιμή της θεωρίας.
Επειδή το πλαίσιο βασίζεται σε συγκεκριμένες γεωμετρικές σχέσεις, κάνει συγκεκριμένες προβλέψεις που μπορούν ενδεχομένως να διερευνηθούν μέσω αστρονομικών παρατηρήσεων.
Μια πιθανότητα περιλαμβάνει ακίνητα υπολείμματα μαύρης τρύπας. Προβλεπόμενο υπόλοιπο (9*10-41 kg) μπορεί να συμβάλει στη σκοτεινή ύλη. Η ανίχνευση των βαρυτικών επιπτώσεων αυτού του προτεινόμενου “Πλανκιανού υπολείμματος” θα παρείχε άμεση υποστήριξη για τη θεωρία.
Το μοντέλο κάνει μοναδικές προβλέψεις σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο κωδικοποιούνται οι πληροφορίες στη «δόνηση» (οιονεί κανονική λειτουργία) του υπολείμματος, παρέχοντας μια μαθηματική υπογραφή που τη διακρίνει από τις ανταγωνιστικές έννοιες.
Επιπλέον, οι εξαιρετικά υψηλές ενεργειακές κλίμακες που εμπλέκονται είναι χαρακτηριστικές του πρώιμου σύμπαντος. Αυτό σημαίνει ότι ίχνη της προτεινόμενης 7-διάστατης γεωμετρίας μπορούν να διατηρηθούν στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων ή στα αρχέγονα βαρυτικά κύματα.
Συνδυάζοντας μαύρες τρύπες, κβαντικές πληροφορίες, επιπλέον διαστάσεις και το πεδίο Higgs σε ένα ενιαίο πλαίσιο, η έρευνα προσφέρει μια φιλόδοξη προσπάθεια επίλυσης πολλών εκκρεμών προβλημάτων στη φυσική. Εάν η ιδέα αποδειχθεί σωστή, το παράδοξο πληροφοριών για τη μαύρη τρύπα μπορεί να μην απαιτεί επανεξέταση της κβαντικής μηχανικής. Αντίθετα, μπορεί να υποδηλώνει μια βαθύτερη κατανόηση της πραγματικότητας που είναι ενσωματωμένη σε μια 7-διάστατη δομή του χωροχρόνου.
