Парадокс Хокинга: почему физики до сих пор не решили информационную загадку черных дыр

Еще в 1974 году знаменитый физик Стивен Хокинг обнаружил, что черные дыры не являются вечно стабильными объектами, а теряет массу с помощью излучения, которое позже было названо излучением Хокинга, пока полностью не испарятся. Позже было доказано, что черные дыры кодируют огромное количество информации на своих поверхностях, в то время как излучение Хокинга не должно содержать никакой дополнительной информации. Уничтожается ли тогда информация, которая пошла на создание черной дыры? Или она каким-то образом кодируется в исходящем излучении? Это называется информационным парадоксом черной дыры или парадоксом Хокинга. Даже в 2024 году эту загадку физики так и не решили, пишет Big Think.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Информационный парадокс черной дыры

Известно, что энтропия во Вселенной всегда увеличивается. С другой, стороны, общий объем информации в физической системе может только оставаться прежним или увеличиваться, но он никогда не может уменьшаться.

Но для черных дыр возникает парадокс. Если бросить в черную дыру какой-либо объект, он будет хранить информацию. Она попадет в черную дыру и добавит е массы и размера. Когда черная дыра испаряется с помощью излучения Хокинга, то информация, закодированная в этом излучении, как предсказывают теории, будет совершенно случайной, как будто информация была стерта. Несмотря на постоянные заявления о том, что информационный парадокс черных дыр решен, на самом деле это не совсем так.

Каждая частица и система частиц, которые существуют во Вселенной, имеют определенное количество информации. Некоторые из этих свойств являются статическими, такие как масса, заряд, количество протонов нейтронов и электронов и т.д. Но другие свойства зависят от системы, частью которой является частица, а также от истории ее взаимодействий. Если бы физики могли знать точное квантовое состояние каждой включенной в систему частицы в любой момент времени, то можно было бы получить всю информацию о частице. В реальности это ни физически, ни практически невозможно.

Вместо того, чтобы думать об энтропии как о мере беспорядка, правильнее думать о ней, как о количестве недостающей информации, необходимой для определения конкретного микросостояния системы. Это определение энтропии является ключом к пониманию идеи квантовой информации.

В нашей Вселенной энтропия полной физической системы никогда не может уменьшиться, а только увеличиться или же остаться прежней. Вот почему информационный парадокс черной дыры является настоящей головоломкой.

Информация в черной дыре

Что происходит с информацией, попавшей в черную дыру? В принципе, она может быть закодирована на поверхности самой черной дыры. Но энтропия черной дыры не позволяет сохранять информацию вечно. Со временем черная дыра исчезает благодаря излучению Хокинга. Но это излучение никак не кодирует информацию, которая изначально пошла на создание черной дыры. Где-то информация была уничтожена. Это ключевая загадка, стоящая за информационным парадоксом черных дыр. Эта информация существует, как и энтропия, и она попадает в черную дыру как при ее создании, так и по мере ее роста. Что является предметом споров, и что на самом деле является большим вопросом, стоящим за парадоксом, так это то, возвращается ли эта информация обратно или нет.

Способ, которым физики вычисляют, что выходит из черной дыры с помощью излучения Хокинга, не сильно изменился за последние 50 лет. Для этого используют теорию относительности Эйнштейна и квантовую теорию. Исходя из этого становится известно, излучение Хокинга имеет температуру, спектр, энтропию и другие свойства, которыми оно обладает, включая тот факт, что оно не кодирует начальную информацию. С течением времени черная дыра теряет массу, в результате чего интенсивность излучения, а также температура и энтропия излучения увеличиваются, пока черная дыра полностью не исчезнет.

Куда исчезает информация черной дыры?

Итак, куда делась вся первоначальная информация, если она каким-то образом не появляется в излучении? Или она все же существует в излучении? Предполагается три варианта:

• Потеря информации происходит, но не является проблемой из-за какого-то процесса, который ученые не понимают, и он позволяет потере информации происходить без парадоксов.
• Несмотря на то, что черные дыры выпускают излучение так, как считается, информация не теряется и каким-то образом закодирована в этом излучении, что означает, что физики, вероятно, делают неверные выводы, основываясь на сделанных предположениях.
• Вполне возможно, что-то не так с фундаментальными предположениями, которые были сделаны при формулировке информационного парадокса, и физики вообще не понимают энтропию черной дыры правильно.

Хотя предлагаемые решения необязательно ограничиваются этими тремя вариантами, большинство физиков обычно ожидают, что что-то интересное происходит либо во втором или в третьем случае.

Пространство за пределами черной дыры чрезвычайно сложное, даже если рассматривать его как идеализированную, а не реалистичную систему. Важным фактом является то, что это пространство ведет себя как не статичная, движущаяся сама по себе сущность. Физики предполагают, что законы общей теории относительности по-прежнему совершенно точны для описания динамики пространства на квантовом уровне. Предполагается, что квантовые эффекты, которые создают излучение Хокинга, важны. Но любые квантовые эффекты, возникающие при рассмотрении пространства как классического фона, которым оно может и не быть, можно игнорировать. Физики работают с таким подходом для объяснения парадокса Хокинга. Но он не является полностью правильным.

Парадокс Хокинга так и не решен

Несмотря на периодические и неоднократные заявления ученых о том, что информационный парадокс черных дыр практически решен, это не так. До сих пор не получено точных ответов на вопросы которые касаются правильных квантовых свойств для выходящего излучения Хокинга и того, где именно информация оказывается, когда черная дыра полностью распалась. До сих пор физики не выяснили сохраняется ли информация черной дыры, и если да, то как?

Хорошей новостью является то, что ученые достигли прогресса в решении основного вопроса информационного парадокса черной дыры. Теперь можно с достаточной долей уверенности утверждать, что одно из предположений, которые легли в основу проблемы является неверным. Нельзя просто смотреть на пространство снаружи черной дыры, когда вычисляется исходящее излучение. Существует непрерывное взаимодействие между этим излучением и внутренней частью черной дыры. По мере испарения черной дыры внутренняя часть начинает содержать информацию, связанную с исходящим излучением, и, таким образом, внутреннюю часть черной дыры больше нельзя игнорировать.

Но физики все еще далеки от точного определения того, куда именно уходит эта информация и как, и уходит ли она вообще из черной дыры.

Как уже писал Фокус, физики знают, как раскрыть тайну первых мгновений после Большого взрыва. В первые минуты после рождения Вселенной происходили разные процессы, которые повлияли на ее эволюцию, но существует так называемый односекундный пробел в знаниях ученых.