09.02.2017. - Куда черные дыры девают информацию

Куда черные дыры девают информацию

Если «погуглить», Стивен Хокинг будет среди самых известных ныне живущих физиков. Его самая известная работа касается информационного парадокса черной дыры. Если вы интересуетесь физикой, вам это, конечно же, известно. До Хокинга черные дыры не были парадоксальными. Да, если бы вы бросили книгу в черную дыру, вы бы не смогли ее прочитать.

Потому что все, что пересекает горизонт событий черной дыры, уже недоступно извне. Горизонт событий — это замкнутая поверхность, которую не может покинуть изнутри даже свет. Нет никакого способа извлечь информацию из черной дыры; книги больше нет. Это печально, но не особо расстраивает физиков. Информацию из книги уже не извлечь, но в этом нет ничего парадоксального.

И затем пришел Стивен Хокинг. В 1974 году он показал, что черные дыры испускают излучение, и это излучение не переносит информацию. Оно совершенно случайно, за исключением распределения частиц в зависимости от энергии, которая является спектром Планка с температурой, обратно пропорциональной массе черной дыры. Если черная дыра излучает частицы, она теряет массу, сжимается и становится горячее. По прошествии достаточного количества времени и излучив достаточно частиц, черная дыра исчезнет, и вы уже никак не сможете достать информацию, попавшую в нее. Черная дыра испарилась, книги внутри больше нет. Куда же делась информация?

Вы можете пожать плечами и сказать: «Ну и хрен с ней, делась и всё. Разве мы не теряем информацию постоянно?». Нет, не теряем. По крайней мере не принципиально. На практике мы постоянно теряем информацию, это правда. Если вы сожжете книгу, вы уже не сможете прочитать то, что в ней было. Однако, с фундаментальной точки зрения, вся информация, представляющая собой книгу, по-прежнему содержится в дыму и пепле.

Потому что законы природы, насколько известно лучшим нашим физикам, можно прокручивать вперед и назад — каждое уникальное изначальное состояние соответствует уникальному конечному состоянию. Не бывает два изначальных состояния, которые оказываются в одном конечном состоянии. История сожженной вами книги будет совершенно другой задом-наперед. Если бы вы могли очень и очень аккуратно собрать дым и пепел нужным образом, вы могли бы сжечь книгу наоборот и восстановить ее, буквально собрав из пепла. Это крайне маловероятный процесс, и вряд ли вы когда-нибудь засвидетельствуете его на практике. Но, в принципе, это возможно.

Только не с черными дырами. Из чего бы черная дыра ни сложилась, это уже будет не важно, когда вы заглянете на последнюю страницу. В конечном счете у вас останется только тепловое излучение, которое — в честь его первооткрывателя — называется «излучение Хокинга». В этом парадокс: процесс испарения черной дыры нельзя провернуть задом наперед. Он необратим. И это очень печалит физиков, потому что громогласно заявляет: вы не понимаете законов природы.

Потеря информации в черной дыре парадоксальна, потому что указывает на внутреннюю несогласованность наших теорий. Когда мы «женим» общую теорию относительности на квантовых теориях поля стандартной модели, и Хокинг проделал это в своих расчетах, результаты больше не совместимы с квантовой теорией. На фундаментальном уровне каждое взаимодействие с участием частиц должно быть обратимым. Но поскольку процесс испарения черной дыры необратим, Хокинг показал, что две этих теории, увы, не сочетаются.

Казалось бы, это противоречие, очевидно, вытекает из того, что необратимое испарение было получено без принятия во внимание квантовых свойств пространства и времени. Для этого нам понадобилась бы квантовая теория гравитации, которой у нас пока нет. Поэтому большинство физиков верят в то, что квантовая гравитация устранит парадокс — пока они просто не знают, как он работает.

Сложность обвинения квантовой гравитации, однако, в том, что на горизонте не происходит ничего интересного — это царство, в котором прекрасно работает общая теория относительности. Потому что сила квантовой гравитации должна зависеть от кривизны пространства-времени, но эта кривизна на горизонте черной дыры обратно зависит от массы черной дыры. То есть чем больше черная дыра, тем меньше будут ожидаемые квантово-гравитационных эффекты на горизонте.

Квантово-гравитационные эффекты станут заметны только тогда, когда черная дыра достигнет массы Планка, примерно 10 микрограммов. Когда черная дыра усыхает до такого размера, информация может быть высвобождена благодаря квантовой гравитации. Но в зависимости от того, из чего сформировалась черная дыра, в ней к тому моменту может застрять сколь угодно большое количество информации. И когда остается только масса Планка, выудить так много информации при наличии столь малой энергии для ее декодирования будет трудно.

В течение последних сорока лет решить эту загадку пытались самые светлые умы планеты. Может показаться странным, что такая далекая от нас проблема привлекает так много внимания, но у физиков есть на то веские причины. Испарение черных дыр — лучше всего изученный случай взаимодействия квантовой теории и гравитации, а значит, в этом может быть ключ к созданию правильной теории квантовой гравитации. Решение этого парадокса может быть прорывным и, без сомнения, приведет к принципиально новому пониманию природы.

До сих пор большинство попыток разрешить потерю информации в черной дыре попадали в одну из четырех больших категорий, каждая со своими плюсами и минусами.

1. Информация рано высвобождается. Информация начинает утекать задолго до того, как черная дыра достигает планковской массы. Сейчас этот вариант самый популярный. Но до сих пор неясно, каким образом эта информация кодируется в излучении и как обходит расчеты Хокинга.

Преимущество этого решения заключается в его совместимости с тем, что мы знаем о термодинамике черных дыр. Недостаток же в том, что для этой работы будет неизбежным своего рода нелокальность — жуткое действие на расстоянии. Что еще хуже, недавно было заявлено, что если информация будет утекать рано, черные дыры будут окружены высокоэнергетическим барьером: огненной стеной (firewall). Если файрвол существует, это будет означать, что будет нарушаться лежащий в основе общей теории относительности принцип эквивалентности. Не очень красиво.

2. Информация хранится либо высвобождается позднее. В этом случае информация остается в черной дыре, пока квантово-гравитационные эффекты не станут сильными, когда черная дыра достигнет планковской массы. Тогда информация будет либо высвобождена с оставшейся энергией, либо навсегда останется в ее остатке.

Преимущество этого варианта в том, что он не требует модификации общей теории относительности или квантовой теории в тех местах, где нам этого не хотелось бы. Они ломаются именно там, где должны ломаться: когда кривизна пространства-времени становится чересчур большой. Недостаток заключается в том, что все это приводит к еще одному парадоксу: в слабом фоновом поле могут бесконечно появляться пары черных дыр, то есть постоянно вокруг нас. Теоретическое подкрепление этому аргументу есть, но очень слабенькое.

3. Информация уничтожается. Сторонники этого подхода просто соглашаются с тем, что информация теряется, попадая в черную дыру. Но этот вариант давно считается грубым нарушением закона сохранения энергии и приводит к куче несоответствий. За последние годы, однако, появились лазейки, указывающие на возможность сохранения энергии при потере информации, и вариант воскресили. Хоть он и не очень популярный.

Но как и с первым вариантом, чтобы проверить возможность уничтожения информации, нужно модифицировать квантовую теорию. Потребуется такая модификация, которая не приведет к конфликту с какими-либо другими экспериментами, проверившими и подтвердившими квантовую механику. Но поскольку квантовая механика — экспериментально самая проверенная наука, сделать это будет сложнее.

4. Черной дыры нет. Черная дыра никогда не сформировалась, и информация никогда не пересекла горизонт. Это решение всплывало раньше и всплывает сейчас, но так и не нашло широкого круга сторонников. Преимущество его в том, что оно обходит расчеты Хокинга. Недостаток в том, что оно требует серьезных отклонений в ОТО в малых режимах кривизны и его трудно совместить с точными тестами гравитации.

Есть несколько других решений, которые пока не вошли ни в одну из категорий, но мы не будем сегодня их затрагивать. По сути, нет ни одного хорошего обзора на эту тему — наверное, потому что одна мысль о его компиляции ввергает в ужас и шок. Литературы очень много. Потеря информации в черной дыре, наверное, остается самым обсуждаемым парадоксом современности. И будет оставаться таковым.

Температура черных дыр, которые мы можем наблюдать сегодня, слишком мала, чтобы мы могли ее уловить. Таким образом, в обозримом будущем никто не сможет измерить, что происходит с информацией, которая пересекает горизонт. И спустя десять лет проблема, вероятно, останется нерешенной.

Хокинг недавно отметил свой 75-летний юбилей, который уже является замечательным достижением. 50 лет назад врачи объявили его досрочно мертвым, но он упорно цеплялся за жизнь. Парадокс потери информации в черной дыре может быть еще более упорным. Возможно, он переживет всех нас.

Источник