Нещодавній документ Стівена Хокінга спричинив неабияк, навіть провівши Nature News заявляючи, що немає чорних дір. Як я писав у попередньому дописі, це не зовсім те, що стверджував Хокінг. Але вже зараз зрозуміло, що претензія Хокінга про чорні діри є неправильною, оскільки парадокс, з яким він намагається вирішити, не є парадоксальним.
Все зводиться до того, що відоме як парадокс брандмауера для чорних дір. Центральною особливістю чорної діри є її горизонт подій. Горизонт події чорної діри - це в основному точка неповернення при наближенні до чорної діри. У теорії загальної відносності Ейнштейна, горизонт подій - це те, коли простір і час настільки викривлені гравітацією, що ніколи не можна уникнути. Перетните горизонт події, і ви назавжди потрапили в пастку.
Цей однобічний характер горизонту подій вже давно є викликом для розуміння гравітаційної фізики. Наприклад, горизонт подій чорної діри, здавалося б, порушує закони термодинаміки. Один із принципів термодинаміки - ніщо не повинно мати температуру абсолютного нуля. Навіть дуже холодні речі випромінюють трохи тепла, але якщо чорна діра захоплює світло, то воно не виділяє тепла. Отже, чорна діра мала б нульову температуру, що не повинно бути можливим.
Потім у 1974 році Стівен Хокінг продемонстрував, що чорні діри випромінюють світло завдяки квантовій механіці. У квантовій теорії є межі того, що можна знати про об'єкт. Наприклад, ви не можете знати точну енергію об'єкта. Через цю невизначеність енергія системи може коливатися спонтанно, доки її середнє значення залишається постійним. Що продемонстрував Хокінг, це те, що біля горизонту події чорної діри можуть з’являтися пари частинок, де одна частинка потрапляє в пастку всередині горизонту події (трохи зменшуючи масу чорних дір), а інша може втекти як випромінювання (захоплюючи частину енергія чорної діри).
Хоча радіація Хокінга вирішувала одну проблему з чорними дірами, вона створила ще одну проблему, відому як парадокс брандмауера. Коли квантові частинки з’являються попарно, вони заплутуються, тобто вони з’єднуються квантовим способом. Якщо одна частинка захоплена чорною дірою, а інша втече, то заплутаний характер пари порушений. У квантовій механіці ми би сказали, що пара частинок виявляється в чистому стані, а горизонт подій, здавалося б, порушує цей стан.
Минулого року було показано, що якщо випромінювання Хокінга знаходиться в чистому стані, то воно або не може випромінювати так, як вимагає термодинаміка, або створить брандмауер з високоенергетичних частинок біля поверхні горизонту події. Це часто називають парадоксам брандмауера, оскільки, згідно із загальною відносністю, якщо ти трапився біля горизонту події чорної діри, ти не повинен помічати нічого незвичайного. Фундаментальна ідея загальної відносності (принцип еквівалентності) вимагає, щоб у випадку, коли ви вільно падаєте поблизу горизонту події, не повинно бути бурхливого брандмауера з високоенергетичних частинок. У своїй роботі Хокінг запропонував вирішити цей парадокс, запропонувавши, щоб чорні діри не мали горизонтів подій. Натомість вони мають очевидні горизонти, які не потребують брандмауера, щоб підкорятися термодинаміці. Звідси у популярній пресі декларація "більше немає чорних дір".
Але парадокс брандмауера виникає лише в тому випадку, якщо радіація Хокінга перебуває в чистому стані, а в документі минулого місяця Сабіни Хоссенфелдер показано, що радіація Хокінга не знаходиться в чистому стані. У своїй роботі Хоссенфелдер показує, що замість того, щоб через пару заплутаних частинок, випромінювання Хокінга відбувається завдяки двом парам заплутаних частинок. Одна заплутана пара потрапляє в пастку чорної діри, а інша заплутана пара втече. Процес схожий на оригінальну пропозицію Хокінга, але частинки Хокінга не в чистому стані.
Так що парадоксу немає. Чорні діри можуть випромінювати таким чином, що відповідає термодинаміці, і область біля горизонту події не має брандмауера, як вимагає загальна відносність. Тож пропозиція Хокінга - це рішення проблеми, яка не існує.
Те, що я тут представив, - це дуже приблизний огляд ситуації. Я переглянув деякі більш тонкі аспекти. Для більш детального (і надзвичайно чіткого) огляду ознайомтеся з публікацією Етана Сейгеля у своєму блозі "Починає з вибуху!" Також ознайомтеся з публікацією в блозі Сабіни Хоссенфелдер, "Реакція назад", де вона розповідає про цю проблему сама.
