Почему некоторые физики думают, что мы живем внутри черной дыры?
Отсутствующие дыры — это странные объекты, которые (хотя мы много о них узнали) запутывают наше понимание физики. Пытаясь примирить некоторые из парадоксов, обнаруженных при их изучении, физики все еще выдвигают более странные гипотезы, одна из которых предполагает, что они подразумевают, что мы живем в голографической вселенной, где все, что мы видим и воспринимаем, фактически закодировано на границе нашей Вселенной, трехмерное (плюс время) представление двумерной (плюс время) вселенной. Более того, некоторые предположили, что это может означать, что наша Вселенная находится внутри черной дыры более крупной Вселенной.
Черные дыры, образующиеся при коллапсе массивных звезд, представляют собой области космоса, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может покинуть ее. Их существование представляло проблему при их изучении с точки зрения термодинамики. Конечное состояние черной дыры, когда она достигает равновесия, зависит только от трех параметров: ее массы, углового момента и электрического заряда.
«В классической общей теории относительности черная дыра предотвращает побег любой частицы или формы излучения из своей космической тюрьмы», — объясняет французский астрофизик Жан-Пьер Люмине. «Для внешнего наблюдателя, когда материальное тело пересекает горизонт событий, все знания о его материальных свойствах теряются. Остаются только новые значения M [массы], J [углового момента] и Q [электрического заряда]. В результате, черная дыра поглощает огромное количество информации».
Звучит просто, не правда ли, или, по крайней мере, настолько просто, насколько это возможно в физике? Но если у черной дыры есть масса (а ее у них много), то согласно первому закону термодинамики они должны иметь температуру, а в соответствии со вторым законом термодинамики они должны излучать тепло. Стивен Хокинг показал, что черные дыры должны излучать излучение – теперь называемое излучением Хокинга – образующееся на границе черной дыры.
«Затем Хокинг указал на парадокс. Если черная дыра может испариться, часть содержащейся в ней информации будет потеряна навсегда», — продолжил Люмине. «Информация, содержащаяся в тепловом излучении, испускаемом черной дырой, деградирует; она не воспроизводит информацию о материи, ранее поглощенной черной дырой. Безвозвратная потеря информации противоречит одному из основных постулатов квантовой механики. Согласно уравнению Шредингера Физические системы, которые изменяются со временем, не могут создавать или уничтожать информацию — свойство, известное как унитарность».
Это известно как информационный парадокс черной дыры, и – учитывая, что он нарушает наше нынешнее понимание Вселенной – он стал предметом множества исследований и дискуссий.
Одно из предложенных решений было найдено при рассмотрении термодинамики черных дыр в контексте теории струн. Джерард 'т Хоофт показал, что общее количество степеней свободы, содержащихся внутри черной дыры, определяется пропорционально площади поверхности ее горизонта, а не ее объему. Это позволяет взглянуть на энтропию черной дыры.
«С точки зрения информации, каждый бит в форме 0 или 1 соответствует четырем областям Планка, что позволяет найти формулу Бекенштейна-Хокинга для энтропии», — продолжает Люмине. «Для внешнего наблюдателя информация об энтропии черной дыры, некогда содержавшаяся в трехмерной структуре объектов, пересекших горизонт событий, кажется утерянной. Но с этой точки зрения информация закодирована на двумерной поверхность черной дыры, подобная голограмме. Следовательно, заключил 'т Хофт, информация, поглощенная черной дырой, может быть полностью восстановлена в процессе квантового испарения».
Хотя с одной стороны это обнадеживает (черные дыры не нарушают второй закон термодинамики, ура), это приводит к довольно необычной идее о том, что физику трехмерного объема можно описать на его двумерной границе.
Хотя это не относится к пространству за пределами черной дыры, существуют предположения, что сама Вселенная может быть черной дырой, где все процессы происходят на границе, и то, что мы наблюдаем, возникает в результате этих взаимодействий. Это дикая идея, с еще более дикими дополнениями. Например, было высказано предположение, что гравитация может возникнуть как сила, возникающая из энтропии запутывания на границе.
Эта теория — не самая убедительная идея для объяснения нашей Вселенной, поскольку стандартная физика по-прежнему лучше всего описывает Вселенную, которую мы видим. Но есть причины, по которым люди относятся к этому серьезно.
Во-первых, чтобы модель работала, радиус Хаббла Вселенной – радиус нашей наблюдаемой Вселенной – должен быть таким же, как ее радиус Шварцшильда или размер черной дыры, которая возникла бы, если бы вся материя внутри нее сконденсировалась. в одну точку. Эти две цифры на самом деле удивительно близки, хотя это также можно объяснить космическим совпадением.
Есть и другие причины, такие как эта схема всего, которая предполагает, что мы можем жить внутри черной дыры большей Вселенной. Но до тех пор, пока такая теория не предоставит убедительные доказательства и предсказания, выходящие за рамки нашего нынешнего понимания физики, мы бы предложили пока не погружаться в экзистенциальный кризис, являетесь ли вы трехмерным объектом в обычном пространстве-времени или голографической проекцией из двумерной границы внутри большей вселенной.