Что такое информационный парадокс чёрной дыры?

Галактика
Массивная чёрная дыра в центре спиральной галактики. Авторы и права: NASA.

Вселенная действительно любит свою информацию. Ей не нравится создавать новую, но и уничтожать какую-либо из существующей.

По сути, “нравится” слишком слабое слово. Насколько мы можем судить (и мы очень усердно работали, чтобы проверить), информация ни создается, ни уничтожается: информация во всей Вселенной просто сохраняется. За исключением чёрных дыр. Упс, давайте поясним.

Информационная перегрузка

Во-первых, нам нужно решить, что мы подразумеваем под “информацией” и почему она должна сохраняться. Физикой управляет детерминизм: мы можем использовать законы физики для предсказания будущего поведения системы. В некотором роде это смысл физики. Будь то частица, находящаяся в коробке, или сложная химическая реакция, или вся существующая Вселенная – наше знание о физике позволяет нам делать твёрдые и надёжные предсказания, которые переносят наши знания из настоящего в будущее.

И схожая техника позволяет нам копаться в прошлом. Если мы знаем всё, что можно знать о системе, то законы физики, что простираются в будущее, также простираются в прошлое – мы можем перемещаться вперёд и назад во времени, наблюдая, как ведёт себя система с одинаковой лёгкостью.

Именно эта обратимость позволяет нам делать заключение, что информация сохраняется. Если я знаю о системе всё: координаты и скорости всех частиц, их спины и электрические заряды и всё остальное – тогда законы физики говорят мне, как все эти частицы будут вести себя в прошлом и будущем. Таким образом, исходная информация системы – всё, что о ней нужно знать, – сохраняется во времени. Она просто перестраивается, но не создаётся или уничтожается.

Пока, пока чёрные дыры

На первый взгляд чёрные дыры достаточно невинно относятся к информации. Вещество падает в чёрную дыру вместе со своей информацией. С точки зрения стороннего наблюдателя (т.е. нас, наблюдающих с безопасного расстояния), ничто никогда не попадает в чёрную дыру: оно просто наклеивается на поверхность (конечно это немного сложнее, чем описано выше, но этого достаточно для понимания текущего вопроса). Эта ситуация не так уж информативна, информация ни создаётся ни разрушается.

За исключением случаев, когда чёрная дыра испаряется, что создаёт небольшую проблему.

Как впервые обнаружил Стивен Хокинг в 1970-х годах, чёрные дыры не совсем чёрные. Они действительно совсем немного светятся. Более того, это удобно названное излучение Хокинга полностью тепловое. Это просто случайное тепло, точно такое как излучают наши тела.

Квазар
Сверхмассивная чёрная дыра, находящаяся в центре далёкой галактики. Авторы и права: ALMA / ESO / NAOJ / NRAO.

Это значит, что количество и температура испускаемого излучения зависят только от массы, спина и заряда чёрной дыры. Больше ничего: что бы вы ни бросили в чёрную дыру: от книг до кошек и космических кораблей, излучение Хокинга остаётся прежним.

Что красиво и изящно. Информация на поверхности всё ещё там, занимается своими делами. Но поскольку чёрная дыра испускает излучение Хокинга, она теряет энергию, а это значит, что она теряет массу, что означает, что в конечном итоге она исчезнет вместе со всей информацией, которую несла.

Итак, если информация вытекает вместе с излучением Хокинга, и чёрная дыра исчезает, что же случается со всей информацией?

Отсюда и парадокс.

Новая физика в помощь

У нас нет решения информационного парадокса чёрной дыры, но это не помешало мечтательным теоретикам на протяжении десятилетий придумывать множество потенциальных решений.

Возможно, к примеру, информация всё-таки сохранилась. Хотя это может показаться простым высказыванием, оно включает в себя переписывание всей известной физики. И чёрные дыры это единственное место, где у нас возникли проблемы со всей этой сохраняющейся информацией, так что действительно ли стоит заново изобретать все наши физические знания просто для определения этого особого случая? Но всё же нам и раньше приходилось переписывать всю физику, так что это не будет первым разом, а чёрные дыры это довольно привлекательные объекты.

Мультивселенная
Иллюстрация, показывающая мультивселенную, в которой наша Вселенная лишь одна из многих. Авторы и права: Jaime Salcido/simulations by the EAGLE Collaboration.

Или возможно излучение Хокинга – это не всё, чем оно может быть. Может каким-то образом информация, прилипшая к поверхности чёрной дыры, в конечном итоге попадает в испускаемое излучение. Возможно, первоначальный анализ Хокинга был слишком прост, и с помощью тщательных наблюдений излучения мы могли бы детально реконструировать книги и кошек, и космические корабли, которые упали в неё. Хотя это спасло бы всю известную физику, никто не смог найти удовлетворительного способа на самом деле, как вы понимаете, который делает это возможным.

Возможно, информация не прилипает к поверхности, а вместо этого остаётся в каком-то хрустящем наггетсе, как раз когда чёрная дыра заканчивает испаряться. Это звучит приятно, но, опять же, мы не имеем ни малейшего представления о том, как это на самом деле происходит. Или, может это что-то более дикое, информация туннелирует в другую Вселенную или перемещается назад во времени.

Что интересного в этом парадоксе, так это то, что все возможные ответы ведут к новой физике. Несмотря ни на что, если мы разрешим этот парадокс, мы сделаем это, узнав что-то новое о нашей Вселенной.

Присоединяйся

Вы могли пропустить:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.