Парадокс Гокінга: чому фізики досі не вирішили інформаційну загадку чорних дір

Ще 1974 року знаменитий фізик Стівен Гокінг виявив, що чорні діри не є вічно стабільними об'єктами, а втрачають масу за допомогою випромінювання, яке пізніше було названо випромінюванням Гокінга, поки повністю не випаруються. Пізніше було доведено, що чорні діри кодують величезну кількість інформації на своїх поверхнях, тоді як випромінювання Гокінга не повинно містити жодної додаткової інформації. Чи знищується тоді інформація, яка пішла на створення чорної діри? Чи вона якимось чином кодується у вихідному випромінюванні? Це називається інформаційним парадоксом чорної діри або парадоксом Гокінга. Навіть у 2024 році цю загадку фізики так і не вирішили, пише Big Think.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Інформаційний парадокс чорної діри

Відомо, що ентропія у Всесвіті завжди збільшується. З іншого боку, загальний обсяг інформації у фізичній системі може тільки залишатися колишнім або збільшуватися, але він ніколи не може зменшуватися.

Але для чорних дір виникає парадокс. Якщо кинути в чорну діру будь-який об'єкт, він зберігатиме інформацію. Вона потрапить у чорну діру і додасть їй маси та розміру. Коли чорна діра випаровується за допомогою випромінювання Гокінга, то інформація, закодована в цьому випромінюванні, як пророкують теорії, буде абсолютно випадковою, наче інформація була стерта. Незважаючи на постійні заяви про те, що інформаційний парадокс чорних дір вирішено, насправді це не зовсім так.

Кожна частинка і система частинок, які існують у Всесвіті, мають певну кількість інформації. Деякі з цих властивостей є статичними, як-от маса, заряд, кількість протонів, нейтронів, електронів тощо. Але інші властивості залежать від системи, частиною якої є частинка, а також від історії її взаємодій. Якби фізики могли знати точний квантовий стан кожної включеної в систему частинки в будь-який момент часу, то можна було б отримати всю інформацію про частинку. У реальності це ні фізично, ні практично неможливо.

Замість того, щоб думати про ентропію як про міру безладу, правильніше думати про неї, як про кількість інформації, якої бракує, необхідної для визначення конкретного мікростану системи. Це визначення ентропії є ключем до розуміння ідеї квантової інформації.

У нашому Всесвіті ентропія повної фізичної системи ніколи не може зменшитися, а тільки збільшитися або ж залишитися колишньою. Ось чому інформаційний парадокс чорної діри є справжньою головоломкою.

Інформація в чорній дірі

Що відбувається з інформацією, яка потрапила в чорну діру? У принципі, вона може бути закодована на поверхні самої чорної діри. Але ентропія чорної діри не дозволяє зберігати інформацію вічно. З часом чорна діра зникає завдяки випромінюванню Гокінга. Але це випромінювання ніяк не кодує інформацію, яка спочатку пішла на створення чорної діри. Десь інформація була знищена. Це ключова загадка, що стоїть за інформаційним парадоксом чорних дір. Ця інформація існує, як і ентропія, і вона потрапляє в чорну діру як під час її створення, так і в міру її зростання. Що є предметом суперечок, і що насправді є великим питанням, що стоїть за парадоксом, то це те, чи повертається ця інформація назад чи ні.

Спосіб, яким фізики обчислюють, що виходить із чорної діри за допомогою випромінювання Гокінга, не сильно змінився за останні 50 років. Для цього використовують теорію відносності Ейнштейна і квантову теорію. Виходячи з цього стає відомо, випромінювання Гокінга має температуру, спектр, ентропію та інші властивості, якими воно володіє, включно з тим фактом, що воно не кодує початкову інформацію. З плином часу чорна діра втрачає масу, внаслідок чого інтенсивність випромінювання, а також температура й ентропія випромінювання збільшуються, поки чорна діра повністю не зникне.

Куди зникає інформація чорної діри?

Отже, куди поділася вся первісна інформація, якщо вона якимось чином не з'являється у випромінюванні? Або вона все ж таки існує у випромінюванні? Передбачається три варіанти:

• Втрата інформації відбувається, але не є проблемою через якийсь процес, який вчені не розуміють, і він дозволяє втраті інформації відбуватися без парадоксів.
• Незважаючи на те, що чорні діри випускають випромінювання так, як вважається, інформація не втрачається і якимось чином закодована в цьому випромінюванні, що означає, що фізики, імовірно, роблять невірні висновки, ґрунтуючись на зроблених припущеннях.
• Цілком можливо, щось не так із фундаментальними припущеннями, які було зроблено під час формулювання інформаційного парадокса, і фізики взагалі не розуміють ентропію чорної діри правильно.

Хоча пропоновані рішення необов'язково обмежуються цими трьома варіантами, більшість фізиків зазвичай очікують, що щось цікаве відбувається або в другому, або в третьому випадку.

Простір за межами чорної діри надзвичайно складний, навіть якщо розглядати його як ідеалізовану, а не реалістичну систему. Важливим фактом є те, що цей простір поводиться як не статична, рухома сама по собі сутність. Фізики припускають, що закони загальної теорії відносності, як і раніше, абсолютно точні для опису динаміки простору на квантовому рівні. Передбачається, що квантові ефекти, які створюють випромінювання Гокінга, важливі. Але будь-які квантові ефекти, що виникають під час розгляду простору як класичного фону, яким він може і не бути, можна ігнорувати. Фізики працюють із таким підходом для пояснення парадоксу Гокінга. Але він не є повністю правильним.

Парадокс Гокінга так і не вирішено

Незважаючи на періодичні та неодноразові заяви вчених про те, що інформаційний парадокс чорних дір практично вирішено, це не так. Досі не отримано точних відповідей на питання, які стосуються правильних квантових властивостей для вихідного випромінювання Гокінга і того, де саме інформація опиняється, коли чорна діра повністю розпалася. Досі фізики не з'ясували чи зберігається інформація чорної діри, і якщо так, то як?

Доброю новиною є те, що вчені досягли прогресу у розв'язанні основного питання інформаційного парадоксу чорної діри. Тепер можна з достатньою часткою впевненості стверджувати, що одне з припущень, які лягли в основу проблеми, є невірним. Не можна просто дивитися на простір зовні чорної діри, коли обчислюється вихідне випромінювання. Існує безперервна взаємодія між цим випромінюванням і внутрішньою частиною чорної діри. У міру випаровування чорної діри внутрішня частина починає містити інформацію, пов'язану з вихідним випромінюванням, і, таким чином, внутрішню частину чорної діри більше не можна ігнорувати.

Але фізики все ще далекі від точного визначення того, куди саме йде ця інформація і як, і чи йде вона взагалі з чорної діри.

Як уже писав Фокус, фізики знають, як розкрити таємницю перших миттєвостей після Великого вибуху. У перші хвилини після народження Всесвіту відбувалися різні процеси, які вплинули на його еволюцію, але існує так звана односекундна прогалина в знаннях учених.