Сверхпроводники могут помочь раскрыть парадокс черных дыр

Сверхпроводники, материалы, через которые электроны могут свободно двигаться без сопротивления, могут поделиться некоторыми физическими данными о черных дырах, сообщил 7 марта физик Скринат Маникандан из Рочестерского университета в Нью-Йорке на заседании Американского физического общества. Аналогия между двумя объектами может помочь ученым понять, что происходит с информацией, которая поглощается в бездне черных дыр.

Когда черная дыра поглощает частицы, информация о свойствах частиц, по-видимому, тоже попадает внутрь. Согласно квантовой механике, такая информация не может быть уничтожена. Физик Стивен Хокинг определил в 1974 году, что черные дыры медленно испаряются со временем, излучая то, что известно как излучение Хокинга, прежде чем исчезнуть.

Этот факт подразумевает загадку, известную как парадокс информации о черной дыре: Когда черная дыра испаряется, куда девается информация?

Одним из возможных решений, предложенных в 2007 году физиками Патриком Хайденом из Стэнфордского университета и Джоном Прескиллом, является то, что черная дыра может действовать как зеркало, и информация об отраженных частицах отражается наружу, запечатлевается в радиации Хокинга. Теперь, Маникандан и физик Эндрю Джордан, также из Университета Рочестера, сообщают, что процесс, который происходит на границе раздела между металлом и сверхпроводником, аналогичен предлагаемому зеркалу черной дыры.

Эффект, известный как отражение Андреева, возникает, когда электроны, проходящие через металл, встречаются с сверхпроводником. Входящий электрон обладает квантовым свойством, известным как спин. Направление этого спина является своего рода квантовой информацией. Когда входящий электрон встречает сверхпроводник, он соединяется с другим электроном в материале, образуя дуэт, известный как куперовская пара. Эти пары позволяют электронам легко скользить по материалу, что облегчает его сверхпроводимость.

Когда исходный электрон встречает своего партнера, он также оставляет своеобразное электронное «альтер эго», отражающее его информацию обратно в металл. Эта отраженная сущность называется «дырой», нарушением в материале, который возникает, когда электрон отсутствует. Эта дыра движется через металл, как если бы это была частица, несущая информацию, содержащуюся в спине первоначальной частицы.

Аналогично, если черные дыры действуют как информационные зеркала, как предположил Хайден и Прескилл, частица, попадающая в черную дыру, будет сопровождаться выходящей античастицей — партнером с противоположным электрическим зарядом, — который будет нести информацию, содержащуюся во вращении оригинальной частицы. Маникандан и Джордан показали, что эти два процесса были математически эквивалентны.

Пока неясно, является ли зеркало черной дыры правильным решением парадокса, но аналогия предполагает, что эксперименты с сверхпроводниками могут прояснить, что происходит с информацией, говорит Эндрю Джордан. «Это то, что вы никогда не можете сделать с черными дырами: вы не можете делать такие эксперименты, потому что черные дыры находятся где-то в середине какой-то галактики».

Теория «интригует», — говорит физик Джастин Дрессел из Университета Чепмена в Ориндже, Калифорния. Такие сравнения полезны для того, чтобы позволить ученым заглядывать из одной области в другую. Но для определения того, насколько сильна аналогия, нужна дополнительная работа, говорит Дрессел.

Больше информации: S.K. Manikandan and A.N. Jordan. Quantum physics of black holes: A superconducting perspective. American Physical Society March Meeting, Los Angeles, March 7, 2018.