وقتی فوتون‌ها به سمت سیاهچاله می‌چرخند، بیشتر آنها به اعماق آن مکیده می‌شوند، هرگز برنمی‌گردند، یا به آرامی منحرف می‌شوند. با این حال، تعداد کمی از این سوراخ ها را دور می زنند و یک سری چرخش های ناگهانی را انجام می دهند. برخی از این فوتون ها عملا برای همیشه دور سیاهچاله می چرخند.
اخترفیزیکدانان آن را به عنوان «دوربین فیلم کیهانی» و «تله نوری بی نهایت» توصیف می کنند، حلقه حاصل از فوتون های در حال چرخش یکی از عجیب ترین پدیده های طبیعت است. اگر فوتون‌ها را شناسایی کنید، "شما هر شی در جهان را بی نهایت بارها خواهید دید." سام گرالا، فیزیکدان دانشگاه آریزونا.
اما بر خلاف افق رویداد نمادین یک سیاهچاله - مرزی که گرانش آنقدر قوی است که هیچ چیز نمی تواند از آن فرار کند - حلقه فوتون که دورتر از سوراخ دورتر می چرخد، هرگز مورد توجه نظریه پردازان قرار نگرفته است. منطقی است که محققان درگیر افق رویداد بوده‌اند، زیرا این افق نشان‌دهنده لبه دانش آنها درباره جهان است. در سراسر کیهان، گرانش با منحنی هایی در فضا و زمان حرکت می کند که توسط نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین توضیح داده شده است. اما فضا-زمان به قدری در داخل سیاهچاله ها پیچ و تاب می یابد که نسبیت عام در آنجا شکسته می شود. نظریه پردازان گرانش کوانتومی که به دنبال توصیفی واقعی تر و کوانتومی از گرانش هستند، برای یافتن پاسخ به افق نگاه کرده اند.
گفت: «من این دیدگاه را داشتم که افق رویداد همان چیزی است که باید بفهمیم اندرو استرومینگر، نظریه پرداز برجسته سیاهچاله و گرانش کوانتومی در دانشگاه هاروارد. و من حلقه فوتون را نوعی چیز فنی و پیچیده می‌دانستم که هیچ اهمیت عمیقی ندارد.»
اکنون استرومینگر در حال انجام چرخش خود است و سعی می کند نظریه پردازان دیگر را متقاعد کند که به او بپیوندند. او با اشاره به نوع سیاهچالههای چرخشی که هنگام مرگ ستاره‌ها و فروپاشی گرانشی ایجاد می‌شوند، گفت: «ما با هیجان در حال بررسی این احتمال هستیم که حلقه فوتون چیزی است که شما باید برای باز کردن اسرار سیاهچالههای کر درک کنید. . (حلقه فوتون به طور همزمان تشکیل می شود.)
In یک کاغذ در ماه مه و اخیراً به صورت آنلاین ارسال شده است برای انتشار پذیرفته شد in گرانش کوانتومی کلاسیکاسترومینگر و همکارانش فاش کردند که حلقه فوتون در اطراف یک سیاهچاله در حال چرخش دارای نوعی تقارن غیرمنتظره است – راهی که می‌تواند تبدیل شود و همچنان ثابت بماند. این تقارن نشان می‌دهد که حلقه ممکن است اطلاعات مربوط به ساختار کوانتومی سوراخ را رمزگذاری کند. او گفت: «این تقارن شبیه چیزی است که با مشکل اصلی درک دینامیک کوانتومی سیاهچالهها ارتباط دارد. این کشف محققان را به بحث در مورد اینکه آیا حلقه فوتون ممکن است حتی بخشی از "دوگانه هولوگرافیک" سیاهچاله باشد - یک سیستم کوانتومی که دقیقاً معادل خود سیاهچاله است و می توان تصور کرد که سیاهچاله از آن بیرون آمده است یا خیر، بحث کنند. یک هولوگرام
گفت: "این مسیر بسیار جالبی را برای درک هولوگرافی این هندسه های [سیاهچاله] باز می کند." الکس مالونی، نظریه پرداز دانشگاه مک گیل در کانادا که در این تحقیق شرکت نداشت. تقارن جدید ساختار سیاهچالهها را دور از افق رویداد سازمان‌دهی می‌کند و به نظر من این بسیار هیجان‌انگیز است.
قبل از اینکه محققان بتوانند با اطمینان بگویند که آیا حلقه فوتون محتویات درونی سیاهچاله را رمزگذاری می کند یا خیر، به مطالعات نظری بسیار بیشتری نیاز است. اما حداقل، نظریه پردازان می گویند که مقاله جدید یک آزمایش دقیق برای هر سیستم کوانتومی که ادعا می کند دوگانه هولوگرافیک سیاهچاله است را به تفصیل ارائه کرده است. گفت: "این یک هدف برای توصیف هولوگرافیک است." خوان مالداسینا از موسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون، نیوجرسی، یکی از معماران اصلی هولوگرافی.
پنهان شدن در حلقه فوتون
بخشی از هیجان در مورد حلقه فوتون این است که بر خلاف افق رویداد، در واقع قابل مشاهده است. در واقع، چرخش استرومینگر به سمت این حلقه ها به دلیل یک عکس اتفاق افتاد: اولین تصویر از یک سیاهچاله. وقتی تلسکوپ افق رویداد (EHT) آن را در سال 2019 رونمایی کرد، او گفت: "من گریه کردم." "به طرز شگفت انگیزی زیباست."
سرخوشی به زودی به سردرگمی تبدیل شد. سیاهچاله در تصویر حلقه ضخیمی از نور در اطراف خود داشت، اما فیزیکدانان تیم EHT نمی‌دانستند که آیا این نور محصول محیط آشفته اطراف آن است یا شامل حلقه فوتون سیاهچاله می‌شود. آنها برای کمک به تفسیر تصویر نزد استرومینگر و همکاران نظریه پردازش رفتند. آنها با هم بانک اطلاعاتی عظیم شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای را که تیم EHT برای جدا کردن فرآیندهای فیزیکی که نور در اطراف سیاهچالهها تولید می‌کنند، استفاده می‌کردند را مرور کردند. در این تصاویر شبیه‌سازی‌شده، آنها می‌توانند حلقه نازک و درخشانی را ببینند که در دونات نارنجی بزرگ‌تر و مبهم‌تری از نور تعبیه شده است.
گفت: "وقتی به همه شبیه سازی ها نگاه می کنید، نمی توانید آن را از دست بدهید." شهر هادر از دانشگاه حیفا در اسرائیل که در هاروارد با استرومینگر و فیزیکدانان EHT در این تحقیق همکاری کرد. هادار گفت که به نظر می رسد تشکیل حلقه فوتون یک "اثر جهانی" است که در اطراف همه سیاهچاله ها اتفاق می افتد.
بر خلاف گرداب ذرات و میدان های پرانرژی که سیاهچاله ها را احاطه کرده اند، خط تیز حلقه فوتون حاوی اطلاعات مستقیمی در مورد خواص سیاهچاله، از جمله جرم و میزان چرخش آن است. استرومینگر گفت: «این قطعا زیباترین و متقاعدکننده ترین راه برای دیدن واقعی سیاهچاله است.
همکاری ستاره شناسان، شبیه سازها و نظریه پردازان نشان داد که عکس واقعی EHT، که سیاهچاله را در مرکز کهکشان مسیه 87 نشان می دهد، به اندازه کافی واضح نیست که بتواند حلقه فوتون را تشخیص دهد، اگرچه دور از دسترس نیست. آنها در دعوا کردند یک مقاله 2020 تلسکوپ‌های با وضوح بالاتر آینده باید حلقه‌های فوتون را به راحتی ببینند. (آ مقاله جدید ادعا می کند که حلقه را در تصویر 2019 EHT با اعمال الگوریتمی برای حذف لایه ها از داده های اصلی پیدا کرده است، اما این ادعا با شک و تردید مواجه شده است.)
با این حال، استرومینگر و همکارانش که برای مدت طولانی در شبیه‌سازی‌ها به حلقه‌های فوتون خیره شده بودند، شروع به تعجب کردند که آیا شکل آنها به معنای عمیق‌تری اشاره دارد یا خیر.
یک تقارن شگفت انگیز
فوتون‌هایی که یک چرخش U را به دور سیاهچاله انجام می‌دهند و سپس به سمت زمین می‌پیچند، به‌عنوان یک حلقه نوری واحد به نظر می‌رسند. فوتون‌هایی که دو دور دور سوراخ ایجاد می‌کنند، به‌عنوان زیرحلقه‌ای ضعیف‌تر و نازک‌تر در حلقه اول ظاهر می‌شوند. و فوتون‌هایی که سه چرخش U را ایجاد می‌کنند به‌عنوان یک زیرحلقه در آن زیر حلقه ظاهر می‌شوند و به همین ترتیب حلقه‌های تودرتو ایجاد می‌کنند که هرکدام ضعیف‌تر و نازک‌تر از حلقه قبلی هستند.
نور از زیر حلقه های داخلی مدارهای بیشتری ایجاد کرده است و بنابراین قبل از نور حلقه های بیرونی گرفته شده است که منجر به یک سری عکس های فوری با تأخیر زمانی از جهان اطراف می شود. این همکاری در مقاله 2020 نوشت: «مجموعه‌ای از زیرحلقه‌ها با هم شبیه فریم‌های یک فیلم هستند و تاریخ جهان مرئی را از سیاهچاله به تصویر می‌کشند.
استرومینگر گفت که وقتی او و همکارانش به تصاویر EHT نگاه کردند، "ما اینگونه بودیم: "هی، تعداد بی نهایت کپی از کیهان درست در آن صفحه وجود دارد؟ آیا این نمی تواند جایی باشد که دوگانه هولوگرافیک زندگی می کند؟»
محققان دریافتند که ساختار متحدالمرکز حلقه حاکی از گروهی از تقارن به نام تقارن هم‌شکل است. سیستمی که دارای تقارن منسجم است «عدم تغییر مقیاس» را نشان می‌دهد، به این معنی که وقتی بزرگنمایی یا کوچک‌نمایی می‌کنید یکسان به نظر می‌رسد. در این مورد، هر زیر حلقه فوتون کپی دقیق و بزرگنمایی شده زیر حلقه قبلی است. علاوه بر این، یک سیستم متقارن مطابق با زمان ترجمه به جلو یا عقب و زمانی که همه مختصات فضایی معکوس، جابجا شده و سپس دوباره معکوس می شوند، یکسان می ماند.
استرومینگر در دهه 1990 زمانی که در نوع خاصی از سیاهچاله پنج بعدی که او در حال مطالعه بود، با تقارن هم‌شکل مواجه شد. با درک دقیق جزئیات این تقارن، او و کامرون وفا پیدا کرد راه بدیع برای اتصال نسبیت عام به دنیای کوانتومی، حداقل در داخل این انواع شدید سیاهچاله ها. آنها تصور کردند که سیاهچاله را بریده و افق رویداد آن را با چیزی که آنها صفحه هولوگرافیک می نامند جایگزین کنند، سطحی حاوی یک سیستم کوانتومی از ذرات که به تقارن همسان احترام می گذارد. آنها نشان دادند که ویژگی‌های سیستم با ویژگی‌های سیاهچاله مطابقت دارد، گویی سیاهچاله هولوگرام با ابعاد بالاتر از سیستم کوانتومی هم‌شکل است. به این ترتیب آنها پلی بین توصیف یک سیاهچاله بر اساس نسبیت عام و توصیف مکانیک کوانتومی آن ایجاد کردند.
در سال 1997، Maldacena همین اصل هولوگرافیک را به کل جهان اسباب بازی گسترش داد. او یک "کیهان در یک بطری"، که در آن یک سیستم کوانتومی متقارن متقارن که روی سطح بطری زندگی می کند دقیقاً بر روی ویژگی های فضا-زمان و گرانش در داخل بطری نگاشت شده است. گویی فضای داخلی «جهانی» بود که از سطح پایین‌ترش مانند یک هولوگرام بیرون می‌آمد.
این کشف باعث شد بسیاری از نظریه پردازان بر این باورند که جهان واقعی یک هولوگرام است. مشکل این است که جهان Maldacena در یک بطری با جهان ما متفاوت است. پر از یک نوع فضا-زمان است که منحنی منفی دارد، که به آن یک مرز بیرونی مانند سطح می‌دهد. تصور می شود که جهان ما مسطح است و نظریه پردازان تصور کمی دارند که دوگانه هولوگرافیک فضا-زمان مسطح چگونه به نظر می رسد. استرومینگر گفت: "ما باید به دنیای واقعی بازگردیم، در حالی که از آنچه از این جهان های فرضی آموخته ایم الهام می گیریم."
و بنابراین گروه تصمیم گرفتند سیاهچاله‌ای در حال چرخش واقع‌گرایانه را که در فضا-زمان مسطح نشسته بود، مانند آنچه توسط تلسکوپ افق رویداد عکس‌برداری شده بود، مطالعه کنند. اولین سوالی که باید پرسید این است: دوگانه هولوگرافیک کجا زندگی می کند؟ و تقارن ها چیست؟» گفت هادر.
جستجوی دوگانه هولوگرافیک
از لحاظ تاریخی، تقارن منسجم راهنمای قابل اعتمادی در جستجوی سیستم‌های کوانتومی است که به صورت هولوگرافیک بر روی سیستم‌های دارای گرانش نگاشت می‌شوند. استرومینگر گفت: «گفتن تقارن هم‌شکل و سیاهچاله در یک جمله به یک نظریه‌پرداز گرانش کوانتومی مانند تکان دادن گوشت قرمز در مقابل سگ است.
با شروع از توصیف سیاهچالههای در حال چرخش در نسبیت عام که متریک کر نامیده می‌شود، این گروه شروع به جستجوی نشانه‌هایی از تقارن هم‌شکل کردند. آنها تصور کردند که با چکش به سیاهچاله برخورد می کنند تا مانند یک زنگ به صدا درآید. این ارتعاشات که به آرامی محو می شوند مانند امواج گرانشی هستند که مثلاً هنگام برخورد دو سیاهچاله ایجاد می شوند. سیاهچاله با برخی از فرکانس‌های تشدید زنگ خواهد زد که به شکل فضا-زمان (یعنی به متریک کر) بستگی دارد، همانطور که زنگ‌های زنگ به شکل آن بستگی دارد.
پی بردن به الگوی دقیق ارتعاشات غیرممکن است زیرا متریک کر بسیار پیچیده است. بنابراین این تیم تنها با در نظر گرفتن ارتعاشات با فرکانس بالا، که از برخورد بسیار شدید به سیاهچاله حاصل می شود، الگو را تقریب زدند. آنها متوجه رابطه ای بین الگوی امواج در این انرژی های بالا و ساختار حلقه های فوتون سیاهچاله شدند. گفت که الگوی "به طور کامل توسط حلقه فوتون اداره می شود." الکس لوپساسکا از ابتکار واندربیلت برای جاذبه، امواج و سیالات در تنسی، که مقاله جدید را با استرومینگر، هادار و دانیل کاپک از هاروارد نوشته است.
یک لحظه مهم در تابستان 2020 در طول همه گیری کووید-19 رخ داد. تخته‌های سیاه و نیمکت‌هایی روی چمن‌های بیرون آزمایشگاه فیزیک جفرسون هاروارد نصب شد و محققان در نهایت توانستند شخصاً با هم ملاقات کنند. آنها دریافتند که مانند تقارن هم‌شکل که هر حلقه فوتون را به حلقه فرعی بعدی مرتبط می‌کند، زنگ‌های متوالی یک سیاهچاله زنگ‌دار با تقارن هم‌شکل به یکدیگر مرتبط هستند. به گفته استرومینگر، این رابطه بین حلقه‌های فوتون و ارتعاشات سیاهچاله می‌تواند "منادی" هولوگرافی باشد.
سرنخ دیگری مبنی بر اینکه حلقه فوتون ممکن است اهمیت ویژه ای داشته باشد، از روش غیرمعمول ارتباط حلقه با هندسه سیاهچاله ناشی می شود. هادار گفت: «خیلی خیلی عجیب است. «هنگامی که در امتداد نقاط مختلف حلقه فوتون حرکت می‌کنید، در واقع شعاع‌ها یا اعماق متفاوتی را در سیاهچاله بررسی می‌کنید.
این یافته‌ها به استرومینگر نشان می‌دهد که حلقه فوتون، به جای افق رویداد، یک "نامزد طبیعی" برای بخشی از صفحه هولوگرافیک یک سیاهچاله در حال چرخش است.
اگر چنین است، ممکن است راه جدیدی برای تصویر کردن آنچه برای اطلاعات مربوط به اجسامی که در سیاهچالهها می‌افتند، وجود داشته باشد - معمایی دیرینه که به پارادوکس اطلاعات سیاهچاله معروف است. محاسبات اخیر نشان می دهد که این اطلاعات به نوعی توسط کیهان حفظ می شود زیرا یک سیاهچاله به آرامی تبخیر می شود. استرومینگر اکنون حدس می‌زند که این اطلاعات ممکن است در صفحه هولوگرافیک ذخیره شود. او گفت: "شاید اطلاعات واقعاً در سیاهچاله قرار نگیرد، اما به نوعی در ابری در اطراف خارج از سیاهچاله باقی می ماند که احتمالاً به حلقه فوتون امتداد می یابد." "اما ما نمی‌دانیم که چگونه در آنجا کدگذاری شده است، یا دقیقاً چگونه کار می‌کند."
فراخوانی به نظریه پردازان
تصور استرومینگر و شرکت مبنی بر اینکه دوگانه هولوگرافیک در داخل یا اطراف حلقه فوتون زندگی می کند، توسط برخی از نظریه پردازان گرانش کوانتومی با شک و تردید مواجه شده است، که آن را یک برون یابی بیش از حد جسورانه از تقارن منسجم حلقه می دانند. «جایی که زندگی دوگانه هولوگرافیک سؤالی عمیق‌تر از این است که تقارن چیست؟» گفت دنیل هارلو، یک نظریه پرداز گرانش کوانتومی و سیاهچاله در موسسه فناوری ماساچوست. اگرچه او طرفدار تحقیقات بیشتر در مورد این موضوع است، اما هارلو تأکید می کند که یک دوگانگی هولوگرافیک متقاعد کننده، در این مورد، باید نشان دهد که چگونه ویژگی های حلقه فوتون، مانند مدارها و فرکانس های فوتون های منفرد، به صورت ریاضی بر روی ریزدانه ترسیم می شود. جزئیات کوانتومی سیاهچاله
با این وجود، چندین متخصص گفتند که تحقیقات جدید سوزن مفیدی را ارائه می‌کند که هر دوگانه هولوگرافیک پیشنهادی باید آن را نخ کند: دوگانه باید بتواند الگوی ارتعاش غیرمعمول یک سیاهچاله در حال چرخش را پس از برخورد با آن مانند زنگ، رمزگذاری کند. استرومینگر می‌گوید: «تقاضای سیستم کوانتومی که سیاهچاله را توصیف می‌کند، تمام این پیچیدگی را بازتولید می‌کند، یک محدودیت فوق‌العاده قدرتمند است – و ما قبلاً هرگز سعی نکرده‌ایم از آن بهره‌برداری کنیم». اوا سیلورستاینیک فیزیکدان نظری در دانشگاه استنفورد، گفت: «به نظر می‌رسد که داده‌های نظری بسیار خوبی برای افراد است که هنگام تلاش برای توصیف دوگانه هولوگرافیک، آن را بازتولید کنند.»
Maldacena موافقت کرد و گفت: «کسی دوست دارد بفهمد که چگونه می توان این را در یک دوگانه هولوگرافیک گنجاند. بنابراین احتمالاً تحقیقاتی را در این راستا تحریک خواهد کرد.»
مالونی مشکوک است که تقارن جدید حلقه فوتون باعث جلب توجه نظریه پردازان و ناظران خواهد شد. اگر به‌روزرسانی‌های مورد انتظار برای تلسکوپ افق رویداد تأمین مالی شود، می‌تواند ظرف چند سال شروع به شناسایی حلقه‌های فوتون کند.
با این حال، اندازه‌گیری‌های آینده این حلقه‌ها مستقیماً هولوگرافی را آزمایش نمی‌کنند - بلکه داده‌ها اجازه آزمایش‌های شدید نسبیت عام را در نزدیکی سیاهچالهها می‌دهند. این به نظریه پردازان بستگی دارد که با محاسبات کاغذ و قلم تعیین کنند که آیا ساختار تله های نور بی نهایت در اطراف سیاهچاله ها می تواند اسرار درون را به صورت ریاضی رمزگذاری کند.
