En ny teori lader forskere følge et sort huls liv over tid.
Fysikere har anstrenget argumenteret for, at det ikke var muligt, at al kvanteinformation kunne forblive skjult inden for
det sorte hul, når det krympet til små størrelser. Simuleret udsigt over et sort hul foran den store magellanske sky. Billedkredit: Alain r / Wikimedia Commons
Af Kim Ward, Michigan State University via Futurity.org
For alle deres ekstraordinære kraft er sorte huller ikke udødelige.
De har en livscyklus, ligesom vi gør. For fyrre år siden meddelte Stephen Hawking, verdens fremste ekspert på sorte huller, at de fordamper og skrumper, fordi de udsender stråling.
Men hvis et sort hul fordamper og krymper, hvad sker der med alt det fortærede i løbet af sin levetid?
De fleste matematiske beregninger har antydet, at informationen og alt andet inde i det sorte hul simpelthen forsvinder, en konklusion, der rejste flere spørgsmål, end den har besvaret.
Chris Adami er professor i fysik og astronomi ved Michigan State University. Adami sagde:
Problemet blev aldrig lagt til hvile, fordi Hawkings beregning ikke var i stand til at fange den virkning, som strålingen, kaldet Hawking-stråling, har på selve det sorte hul. Fysikere antog, at det sorte hul ville krympe i tide, da Hawking-strålingen bortfører det sorte huls masse, men ingen kunne verificere dette gennem matematiske beregninger.
En beregning af det sorte huls fordampning syntes umulig, medmindre der kunne findes en fuld teori om kvantetyngdekraft, der forener Einsteins generelle relativitet med rammerne for kvantefeltteorien.
Adamis nye artikel, der blev offentliggjort 8. marts 2016 i Fysiske gennemgangsbreve, ændrer denne forudsætning.
Adami og kollega Kamil Bradler fra University of Ottawa har udviklet en ny teori, der giver dem mulighed for at følge et sort huls liv over tid. Det, de finder, er slående: Uanset hvilke kvante mysterier, der skjulte sig bag begivenhedshorisonten i det sorte hul - det usynlige grænse for et sort hul - lækker langsomt ud igen i de senere faser af det sorte huls fordampning.
Med dette fund undgås et stort problem med sort hulfysik. Fysikere har anstrengt anfægtet, at det ikke var muligt, at al kvanteinformation kunne forblive skjult inden i det sorte hul, når det skrumpede ned til små størrelser.
Det viser sig, at for at vise, at sorte huller ikke ødelægger information for evigt, når de fordamper, behøvede Adami og Bradler ikke at skabe den undvigende teori om kvantetyngdekraft. I stedet brugte de Hawkings egen teori, men med en vri.
For at forstå, hvordan et sort hul ville interagere direkte med den Hawking-stråling, det genererer, brugte Adami og Bradler et sæt sofistikerede matematiske værktøjer og højtydende computere til at udvikle de sorte huller over tilstrækkeligt lange tider, indtil de var i stand til at finde kvanteoplysninger uden for de sorte huller. Adami sagde:
For at udføre denne beregning måtte vi gætte, hvordan et sort hul interagerer med Hawking-strålingsfeltet, der omgiver det. Dette skyldes, at der i øjeblikket ikke findes nogen teori om kvantetyngdekraft, der kan antyde en sådan interaktion. Det ser imidlertid ud til, at vi har lavet et veluddannet gæt, fordi vores model svarer til Hawkings teori i grænsen for faste, uforanderlige sorte huller.
Bradler tilføjet:
Mens vores model er netop det - en model - kunne vi vise, at enhver kvanteinteraktion mellem sorte huller og Hawking-stråling meget sandsynligt har de samme egenskaber som vores model.
Teorien var i stand til at gengive et træk, der længe blev søgt efter i sorte hulfysik, de såkaldte “Page curves”, opkaldt efter University of Alberta-fysiker Don Page. Hans model forudsagde kurverne, der viser kvanteinformationen først indtastes og derefter forlader det sorte hul. Adams og Bradlers beregning er den første, der gav kurver, ligesom disse havde forventet.
Men der er meget tilbage at gøre. I princippet bør teamets gæt gætte af den endnu-til-blive-opdagede grundlæggende samlede teori om kvantetyngdekraft. Men i fravær af denne teori, kan succes med Adami og Bradlers teori muligvis give antydning til, hvordan en sådan teori - en, der går ud over Hawking's - kunne konstrueres.
I den nye æra med gravitationsbølgeobservatorier, som LIGO-opdagelsen netop indledte, kan en sådan teori endda en dag testes.