Что происходит с информацией в черной дыре: ученые предложили элегантное решение парадокса Хокинга
Информационный парадокс черной дыры
В 1970-х Хокинг обнаружил, что черные дыры не совсем «черные», но поначалу он не осознавал, какую гигантскую проблему создал. До его открытия физики предполагали, что черные дыры чрезвычайно просты. Конечно, в них попадали всевозможные сложные вещи, но черные дыры запирали всю эту информацию так, что никто и никогда больше не мог получить к ней доступ.
Но Хокинг обнаружил, что черные дыры испускают излучение и могут в конечном итоге полностью испариться в процессе, известном теперь как излучение Хокинга. Но это излучение само по себе не несет никакой информации. При этом, по определению, горизонт событий черной дыры предотвращает выход информации. Итак, вопрос: когда черная дыра, наконец, испарится и исчезнет из Вселенной, куда денется вся скрытая в ней информация?
Ученые предположили, что этот парадокс может быть решен с помощью настоящего «чит-кода» мироздания: червоточин, или сквозных ходов через пространство-время.
«Червоточина соединяет внутреннюю часть черной дыры и внешнее излучение, подобно мосту», — пояснил физик-теоретик из японской междисциплинарной программы теоретических и математических наук RIKEN Канато Гото.
Согласно теории Гото, внутри горизонта событий черной дыры появляется вторая поверхность, граница, за которую ничто не может выйти. Нити из червоточины соединяют эту поверхность с внешним миром, вплетая информацию между внутренней частью черной дыры и утечками излучения на ее краях.
Куда исчезает информация
Один из возможных исходов состоит в том, что информация все-таки может быть уничтожена, что противоречит всем догматам современной физики. Например, если информация может быть утеряна, то вы не сможете реконструировать прошлое по настоящим событиям или предсказать будущие события – нарушаются причинно-следственные связи.
Разумеется, такой вариант развития событий кажется многим ученым спорным. Вместо этого большинство физиков пытаются решить этот парадокс, пытаясь придумать любой способ, благодаря которому информация могла бы покидать черную дыру через излучение Хокинга. Таким образом, когда черная дыра исчезнет, информация все еще будет присутствовать во Вселенной.
В любом случае, описание этого процесса потребует от человечества разработки новой области физики.
Сказка о двух энтропиях
В 1992 году физик Дон Пейдж, бывший аспирант Хокинга, взглянул на проблему информационного парадокса иначе. Он начал с изучения квантовой запутанности, в которой судьбы отдаленных частиц связаны, несмотря на их положение в пространстве-времени. Эта запутанность действует как квантово-механическая связь между излучением Хокинга и самой черной дырой. Пейдж измерил степень запутанности, рассчитав «энтропию запутанности», которая является мерой количества информации, содержащейся в запутанном излучении Хокинга.
В первоначальных расчетах Хокинга никакая информация из черной дыры ускользнуть не может, а потому энтропия запутанности всегда увеличивается до тех пор, пока черная дыра окончательно не исчезнет. Но Пейдж обнаружил, что если черные дыры действительно высвобождают информацию, энтропия запутанности будет расти лишь до точки, когда дыра пройдет половину своего жизненного цикла. Затем, когда этот рубеж будет преодолен, в мир вернется достаточное количество информации, чтобы энтропия начала уменьшаться и в конечном итоге вернулась к первоначальному нулю после того, как черная дыра полностью рассеется.
Если расчеты Пейджа верны, это говорит о том, что в середине жизни черной дыры происходит некий переломный момент. Хотя работа Пейджа и не разрешила информационный парадокс, она дала физикам крайне любопытную почку для исследований.
Что такое червоточина на самом деле?
Не так давно несколько групп ученых задались целью узнать, насколько сложной может быть структура пространства-времени вблизи горизонта событий. Они хотели изучить его до микроскопического масштаба, чтобы «поймать» потенциальную лазейку, через которую информация могла бы утекать обратно в космос.
Их работа привела к двум удивительным результатам. Оказалось, что червоточин — дыр в ткани пространства-времени – на самом деле очень много. Эти червоточины, по-видимому, соединяли квантовую экстремальную поверхность с внешней частью черной дыры, позволяя информации обходить горизонт событий и высвобождаться в виде излучения Хокинга.
Но эта работа применялась только к очень упрощенным, «игрушечным» моделям (таким как одномерные версии черных дыр). В новой работе Гото тот же результат был применен к более реалистичным сценариям — большой шаг вперед, приближающий модель к реальному положению вещей.
Нерешенные проблемы
Тем не менее, у физиков еще очень много вопросов. Во-первых, пока не ясно, являются ли червоточины математические теми же червоточинами, которые мы считаем кратчайшим путем во времени и пространстве.
Сам концепт «кротовой норы» настолько глубоко укоренился в математике, что трудно определить его физический смысл. С одной стороны, во Вселенной могут существовать буквальные «червоточины», то есть каналы, которые выходят из медленно испаряющейся черной дыры как в каком-нибудь научно-фантастическом фильме. Или же условная «кротовая нора» может быть просто признаком того, что пространство-время вблизи черной дыры нелокально, а потому двум квантово запутанным частицам не обязательно находиться в причинно-следственном контакте, чтобы влиять друг на друга.
Ну и, пожалуй, самая главная проблема заключается в том, что, хотя физики определили возможный механизм разрешения парадокса, они не знают, как он работает на самом деле. Неизвестен процесс, который на самом деле выполняет работу по сбору информации, находящейся внутри черной дыры, и кодированию ее в излучении Хокинга. Другими словами, физики проложили возможный путь к решению информационного парадокса, но они не нашли способа построить гипотетические грузовики, которые смогли бы проехать по этому пути.
В любую точку Вселенной за минуту: возможно ли путешествие сквозь червоточину?