Как решить сразу две главные проблемы современной теоретической физики: спасти квантовую информацию из умирающей черной дыры и заодно объяснить, почему фундаментальные частицы имеют массу? Команда физиков-теоретиков из Словакии и Дании предлагает экстравагантный выход: добавить к нашей реальности ещё несколько измерений и немного ее «скрутить».
В недавнем исследовании, опубликованном в General Relativity and Gravitation, ученые описывают математическую модель, в которой черные дыры не исчезают бесследно, а превращаются в гигантские «флешки», а бозон Хиггса оказывается побочным эффектом 7-мерной геометрии.
Больше похоже на научно-фантастический роман, но за этой идеей стоят строгие уравнения. Давайте разбираться, как это работает.
В 1970-х годах Стивен Хокинг показал, что черные дыры не абсолютно черные — они испускают слабое тепловое излучение (излучение Хокинга) и постепенно «испаряются» вплоть до полного исчезновения. Это открытие стало бомбой для фундаментальной физики, породив информационный парадокс.
Дело в том, что по законам квантовой механики информация не может быть уничтожена. Если вы сожжете книгу, теоретически (имея суперкомпьютер) вы можете по движению каждой молекулы дыма и пепла восстановить текст. Но если книга падает в черную дыру, а черная дыра затем полностью испаряется в виде случайного излучения — информация исчезает навсегда. Для физиков это катастрофа, означающая, что квантовая механика ошибается.
Команда под руководством Ричарда Пинчака (Richard Pinčák) из Института экспериментальной физики Словацкой академии наук предложила решать проблему с помощью теории Эйнштейна — Картана.
Если классическая общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна описывает гравитацию исключительно как искривление пространства-времени (представьте тяжелый шар на матрасе), то теория Картана разрешает пространству еще и скручиваться — такой эффект называется геометрическим кручением (torsion).
В обычных условиях это кручение настолько слабое, что мы его не замечаем. Но авторы рассчитали, что происходит в экстремальных условиях умирающей черной дыры. Когда дыра сжимается до микроскопических (планковских) масштабов, геометрическое кручение пространства порождает мощнейшую силу отталкивания. Гравитационный коллапс резко останавливается.
В результате черная дыра не исчезает в небытие, а оставляет после себя стабильный микроскопический «остаток» (remnant).
Исследователи выяснили, что этот «остаток» способен работать как идеальный архив памяти. Квантовая информация о всем, что когда-либо падало в черную дыру, кодируется в квазинормальных модах — стабильных вибрациях торсионного поля. Емкость такого хранилища фантастическая: математика показывает, что остаток от черной дыры массой с наше Солнце способен вместить 1.515×1077 кубитов информации. Этого с математической точностью хватает, чтобы сохранить энтропию изначальной черной дыры и решить парадокс Хокинга. Книга не сгорела, она заархивирована.
Казалось бы, решить парадокс черных дыр — уже повод открывать шампанское. Но авторы пошли дальше. Свою теорию они выстроили на так называемом G2-многообразии — особой математической структуре, предполагающей существование 7 измерений.
Когда физики применили стандартный математический трюк (редукцию Калуцы — Клейна), чтобы «свернуть» лишние измерения и посмотреть, как эта 7-мерная модель будет выглядеть в наших привычных 4 измерениях (3 пространственных + 1 временное), они обнаружили поразительный побочный эффект.
Свернутое геометрическое кручение проявилось в виде скалярного поля. А его базовая энергетическая характеристика (вакуумное ожидание) оказалась равна примерно 246 ГэВ. Для любого физика это магическое число. Именно 246 ГэВ составляет вакуумное ожидание поля Хиггса, которое отвечает за массу всех фундаментальных частиц в Стандартной модели.
Иными словами, словацкие теоретики нашли чисто геометрическое объяснение происхождению массы. Частицы тяжелые не потому, что взаимодействуют с какой-то невидимой субстанцией (полем Хиггса), а потому, что наш мир — это проекция 7-мерного «скрученного» пространства.
Теория звучит невероятно красиво. В ней есть лишь одна, типичная для теоретической физики высоких энергий, проблема: проверить это на практике мучительно сложно.
Согласно расчетам, масса стабильного остатка черной дыры составляет микроскопические 9×10−41
кг. Это даже легче, чем неуловимое нейтрино! Зато таких остатков во Вселенной должно быть бесчисленное множество. Авторы предполагают, что эти легчайшие гравитационные флешки могут быть компонентом темной материи, пронизывающей галактики.
Кроме того, частицы-возбуждения из дополнительных измерений (состояния Калуцы — Клейна) в этой теории должны иметь массу около 8.6×1015 ГэВ. Чтобы искусственно создать такую частицу, нам понадобится ускоритель, который мощнее Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе почти в триллион раз.
Тем не менее, надежда на проверку есть. Экстремальное скручивание пространства на заре времен могло оставить микроскопические отпечатки (B-моды поляризации) в реликтовом излучении Вселенной. Эти следы первичных гравитационных волн попытаются уловить космические обсерватории следующего поколения, такие как европейская LISA или японский спутник LiteBIRD, запуск которых планируется в 2030-х годах.
Подведем итог. Когда теоретики заходят в тупик, они традиционно добавляют в свои уравнения еще несколько измерений. Но если Ричард Пинчак с коллегами правы, то наша Вселенная — это потрясающе эффективный пространственный оригами-архиватор. И, возможно, мы сами состоим из массы, которая является лишь отголоском невидимых нам 7-мерных скруток.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Читайте также: Квантовая связь и черная дыра: что будет, если бросить за горизонт событий одну из запутанных частиц?
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.