Черные дыры до сих остаются одними из самых загадочных объектов во вселенной. Когда-то в их существование мало кто верил. И то, что они имеются в реальности, описывалось лишь в различных физических моделях. Вопрос заключается в том, как изучить то, что находится на расстоянии миллионов световых лет от нашей планеты? Возможно, ответ на него сможет дать «звуковая черная дыра», которая также поможет решить и один из парадоксов, возникших еще при исследованиях Стивена Хокинга. Но что такое «звуковая черная дыра»? Давайте разбираться.
Для начала нам нужно немного окунуться в историю. Еще в 1974 году Стивен Хокингвыдвинул предположение о том, что черная дыра на самом деле не черная. Ее черный цвет обусловлен тем, что гравитация в области горизонта событий настолько сильна, что даже лучи света не могут преодолеть это воздействие. Хокинг при этом предполагал, что структура пространства-времени на горизонте событий будет испытывать «квантовые колебания». То есть в этот момент пары частиц и античастиц могут освобождаться от воздействия гравитации и появляться по обе стороны от горизонта событий.
Этот процесс был назван «Излучением Хокинга». Благодаря «квантовым колебаниям», рождающиеся из вакуума черной дыры пары частица-античастица возникают вблизи горизонта событий черной дыры и одна из них «падает» внутрь черной дыры, а другая «улетает». Из закона сохранения энергии следует, что «упавшая» за горизонт событий частица должна обладать отрицательной энергией, в то время, как «улетевшая» должна обладать энергией положительной. Другими словами, черные дыры теряют энергию при излучении. Они медленно испаряются и сжимаются, в конечном счете полностью исчезая.
В чем заключается парадокс черных дыр
Проблема в том, что, согласно расчетам Хокинга, излучение черной дыры будет случайным. Это означает, что испаряющаяся черная дыра разрушает информацию, а квантовая физика основывается на предпосылке, что информация никогда не теряется. Это и есть главный парадокс, заключенный в исследовании природы черных дыр.
Также интересно: «Первая в истории настоящая фотография черной дыры»
Что такое «Звуковая черная дыра»
Много лет назад физик-теоретик Билл Унру утверждал, что идеи Хокинга о горизонтах событий черных дыр должны также применяться к «звуковым горизонтам». Звуковой горизонт — это, грубо говоря, аналог горизонта событий, применяемый к звуковым волнам с той лишь разницей, что в черных дырах в качестве единицы измерения скорости используется скорость света, а в «звуковых черных дырах» — скорость звука.
В 2016 году Джефф Штайнхауэр из Техниона (Израильского технологического института) в городе Хайфе, Израиль, в одном из экспериментов воссоздал условия для возникновения того самого «звукового горизонта», ускоряя жидкость из атомов рубидия-87 до сверхзвуковой скорости. В том же году удалось обнаружить и аналог Излучения Хокинга. Квантовые единицы звука, названные фононами, появлялись парами, и один фонон направлялся по течению движущейся жидкости, в то время как другой уходил вверх по течению и «убегал».
Теперь, спустя три года, усовершенствованный аппарат позволил «проверить предсказания Хокинга». В своей новой работе Штайнхауэр и трое его сотрудников обнаружили, что их звуковое излучение не несет информации.
«Открытие дает нам намеки на информационный парадокс. Тепловая форма спектра говорит о том, что излучение Хокинга не несет никакой информации. Таким образом, мы должны искать информацию в другом месте, чтобы решить его.»
Ключевой вопрос заключается в том, можно ли рассматривать пространство-время на горизонте событий черной дыры как непрерывное. Новые данные подтверждают, что в случае с жидкостью, течение которой, как известно, непрерывно, парадокс все еще сохраняется, так как энергия «звуковой черной дыры», уменьшаясь, приводит к потере информации.
Но есть большая загвоздка: условие, выполнимое для жидкостей, может не работать для пространства-времени, которое не обязательно может иметь непрерывный ход в области горизонта событий черной дыры. Наличие «прерываемого» течения времени в области горизонта событий могло бы объяснить парадокс, связанный с потерей информации, ведь в этом случае пары частиц, образующиеся в результате Излучения Хокинга, не исчезают бесследно, а просто «переходят на другой уровень» пространства-времени.
Таким образом, если удастся смоделировать «прерывистое» течение в рамках экспериментов со «звуковой черной дырой», мы сможем разрешить парадокс, связанный с исчезновением информации, возникающей в области горизонта событий черных дыр.