Стивън Хокинг доказа през 70-те години на миналия век, че черните дупки не са напълно черни. Те бавно излъчват радиация и с времето се свиват, като в крайна сметка изчезват. Въпреки това обяснение има един проблем.

Ако една черна дупка се изпари напълно, какво се случва с цялата информация за материята, която е погълнала? Квантовата физика твърди, че информацията никога не може да бъде унищожена, а черните дупки сякаш правят точно това. Това противоречие е известно като „парадокса на информацията в черните дупки“.

„Парадоксът на информацията за черните дупки представлява едно от най-значимите предизвикателства в съвременната теоретична физика, повдигайки въпроси за съвместимостта между квантовата механика и общата относителност“, отбелязват авторите на проучването.

Сега едно ново проучване предлага изход от този проблем. То предполага, че черните дупки никога не изчезват напълно. Вместо това те оставят след себе си миниатюрни, стабилни остатъци, които съхраняват информация и – изненадващо – същата идея може да обясни и как фундаменталните частици придобиват своята маса.

За да разрешат този парадокс, изследователите излязоха извън рамките на обичайната представа за гравитацията. Според стандартната обща теория на относителността пространство-времето може да се изкривява под въздействието на масата и енергията.

Теорията, използвана в това проучване, наречена теория на Айнщайн–Картан, обаче позволява на пространство-времето не само да се изкривява, но и да се усуква. Това усукване, известно като торсия, придобива значение при изключително малки мащаби и много високи плътности.

Екипът проучи тази идея във вселена със седем измерения вместо четирите, които ние възприемаме. Те използваха специална математическа структура, наречена G2-многообразие с торсия, която предоставя последователен начин за описание на поведението на тези допълнителни измерения. Макар това да звучи абстрактно, физическото последствие е изненадващо ясно.

Когато материята колапсира вътре в черна дупка и плътностите се повишават към мащаба на Планк, торсията на пространство-времето започва да генерира отблъскващ ефект. Тази сила изтласква навън, противодействайки на притеглянето на гравитацията навътре. „Наличието на отблъскваща сила при плътностите на Планк динамично спира последния етап на изпаряването на Хокинг“, казват авторите на проучването.

Вместо да се свива безкрайно или да се изпари напълно чрез лъчението на Хокинг, черната дупка достига стабилно състояние. „Това води до образуването на стабилен остатък с прогнозна маса от приблизително 9×10⁻⁴¹ кг“, допълват авторите на проучването.

Това напълно променя съдбата на черните дупки. Ако те не изчезват, тогава и информацията, която съдържат, също не е длъжна да изчезне.

Следващият въпрос е къде всъщност се намира информацията. Според проучването тя е кодирана във вътрешната структура на остатъка чрез това, което физиците наричат квазинормални моди. Това са естествените модели на вибрация на обекта, подобно на това как звъни камбана, след като бъде ударена.

В този модел тези вибрации възникват в торсионното поле в рамките на геометрията на остатъка. Всеки модел на вибрация може да пренася квантова информация, превръщайки остатъка в система за съхранение.

Основната идея тук е, че цялата информация, попаднала в първоначалната черна дупка, остава затворена и кодирана в тези дълготрайни колебания. Мащабът на това съхранение също е огромен. Например остатък, образуван от черна дупка с масата на нашето Слънце, би могъл да съхранява около 1.515 × 10⁷⁷ кубита информация.

Това съответства на количеството, необходимо за запазване на всичко, което иначе би било загубено по време на изпаряването, „предотвратявайки пълното изчезване на черната дупка и по този начин разрешавайки парадокса, без да се нарушават фундаменталните принципи на физиката“, казват авторите на проучването.

Тези открития са поразителни, тъй като свързват физиката на черните дупки с физиката на елементарните частици. Когато изследователите редуцираха своя седеммерен модел до четири измерения – вселената, която наблюдаваме, – те установиха, че същото торсионно поле естествено генерира енергийна скала от около 246 GeV.

Това е точно скалата, свързана с полето на Хигс, което е отговорно за придаването на маса на фундаменталните частици. С прости думи, същата геометрична характеристика, която не позволява на черните дупки да изчезнат, обяснява и защо частиците имат маса.

Една от причините, поради които досега не са наблюдавани допълнителни измерения, е, че енергията, необходима за тяхното изследване, далеч надхвърля възможностите на съвременните технологии. Например проучването предвижда, че частиците, свързани с тези измерения, биха имали маса около 8.6 × 10¹⁵ GeV, което е милиони пъти повече от това, което може да постигне Големият адронен ускорител. Това прави прякото им откриване невъзможно засега.

Въпреки това теорията не е невъзможна за тестване. Гравитационните ефекти на описаните в нея остатъци от миниатюрни черни дупки биха могли да бъдат открити при астрофизични наблюдения. Бъдещата работа вероятно ще се фокусира върху усъвършенстването на модела и търсенето на тези сигнали.

Засега проучването предлага убедителна възможност, че черните дупки може би все пак не са краят на информацията. Вместо това те биха могли да бъдат най-завладяващите устройства за съхранение на природата, тайно съхраняващи историята на всичко, което някога е попаднало в тях.

Снимка: Unsplash/MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Виж още: Стриймокалипсис сега: Лицензът за най-популярния видео кодек скочи от 100 000 на 4.5 млн. долара годишно