Matematička 'dvostruka kopija': Fizičari pronašli novi ključ za tajne Hokingovog zračenja

Crne rupe, kosmički objekti toliko masivni da čak ni svetlost ne može pobeći njihovoj gravitaciji, nisu u potpunosti crne. One emituju suptilnu, gotovo neprimetnu izmaglicu čestica poznatu kao Hokingova radijacija, koncept koji se nalazi u srcu najvećih misterija koje okružuju ove fenomene.

Međutim, ovo zračenje je toliko slabo da ga je, bar za sada, nemoguće direktno posmatrati. Zbog toga su naučnici decenijama tražili alternativne načine da ga prouče.

Nekoliko nezavisnih timova fizičara pronašlo je potpuno novi pristup ovom problemu. Oni koriste prednosti jedne duboke matematičke veze između dve naizgled nepovezane grane fizike, poznate kao „dvostruka kopija". Ova veza omogućava da se problemi iz sveta gravitacije prevedu i rešavaju u mnogo poznatijem svetu fizike čestica.

Mostovi između dva sveta fizike

Fundamentalna fizika danas počiva na dva velika stuba. Prvi je standardni model, teorija koja sa neverovatnom preciznošću opisuje svet subatomskih čestica i sile koje deluju među njima. Drugi je opšta teorija relativnosti, koja opisuje gravitaciju kao posledicu zakrivljenja prostor-vremena pod uticajem mase i energije.

„Dvostruka kopija" uspostavlja matematički most između ove dve naizgled odvojene teorije. Ovaj odnos se može koristiti kao alat za prevođenje, prebacujući proračune iz jednog „jezika" fizike u drugi. Takva zamena može drastično da pojednostavi proračune ili da otkrije potpuno nove uvide.

Prema principu dvostruke kopije, mnogi fenomeni iz opšte teorije relativnosti su matematički ekvivalentni fenomenima koji uključuju određene čestice u standardnom modelu, ali sa jednom ključnom izmenom: u jednačinama opšte relativnosti, jedan specifičan deo matematičkog izraza pojavljuje se dva puta, kao „kopija".

Od kada je ova veza otkrivena 2010. godine i razvijana u narednim godinama, postala je izuzetno koristan alat za razumevanje različitih gravitacionih efekata, kako izveštava Science News.

„To nam omogućava da izračunamo stvari koje nikada ranije nismo mogli, jednostavnim recikliranjem rezultata na pametan način", objašnjava teorijski fizičar Kris Vajt sa Univerziteta Kvin Meri u Londonu.

Hokingova radijacija u novom svetlu

Do sada, naučnici nisu imali odgovarajući analog za Hokingovu radijaciju u standardnom modelu zasnovan na dvostrukoj kopiji. Pronalazak takvog analoga „predstavlja veliki napredak za ove tehnike", ističe teorijska fizičarka Sintija Kiler sa Državnog univerziteta Arizone, koja nije bila uključena u istraživanje.

Značaj ovog otkrića leži u tome što Hokingova radijacija povezuje ono što je ogromno, poput crnih rupa, sa onim što je sićušno, poput elementarnih čestica. Novi radovi pokazuju da i „dvostruka kopija" može da premosti obe skale.

U radu koji je prihvaćen za objavljivanje u časopisu Journal of High Energy Physics, Vajt i njegove kolege su utvrdili kako se Hokingova radijacija prevodi na jezik standardnog modela. U tom jeziku, matematički alter ego Hokingove radijacije je naelektrisana čestica koja se rasejava od sferne ljuske naelektrisane materije koja se urušava. Ovaj proces je, matematički gledano, potpuno ekvivalentan emisiji jedne čestice Hokingove radijacije iz crne rupe.

Još dva tima su, nezavisno jedan od drugog, došla do suštinski istog zaključka. Njihovi radovi, objavljeni u februaru u časopisu Physical Review Letters, pokazuju da je fizika crnih rupa suštinski sadržana unutar standardnog modela fizike čestica. 

Potraga za konačnim odgovorima

Naučnici se nadaju da će na ovaj način istražiti još nedokučivije aspekte crnih rupa. Na primer, istraživači bi želeli da pronađu i analog za horizont događaja, granicu iza koje ništa što uđe ne može pobeći. 

Sama Hokingova radijacija je dovoljno intrigantna za dalja istraživanja. Nakon što je fizičar Stiven Hoking osmislio koncept radijacije 1974. godine, fizičari su shvatili da on implicira jednu zagonetku. Kako crna rupa izbacuje čestice, ona se smanjuje i na kraju bi trebalo potpuno da ispari.

Fizičari ne razumeju šta se dešava sa informacijama o materiji koju je crna rupa nekada progutala. Prema kvantnoj fizici, informacija se ne može uništiti. Proučavanje karakteristika Hokingove radijacije, prevedene na jezik standardnog modela, moglo bi konačno da rasvetli šta se zaista dešava.

Hokingova radijacija je problem „kamena iz Rozete", kaže teorijski fizičar Džon Džozef Karasko sa Univerziteta Nortvestern u Evanstonu. Proučavajući je, fizičari bi mogli postati tečniji u jeziku gravitacije, otvarajući vrata ka dubljem razumevanju svemira.