Черная память: Ничто не проходит бесследно
Еще в 1970-х знаменитый астрофизик Стивен Хокинг обосновал гипотезу «испарения» черных дыр. Конечно, строго говоря никакого испарения не происходит — это сложный квантовый процесс, результат которого для постороннего наблюдателя выглядит, как испарение: черная дыра излучает, теряя массу.
Если описывать механику этого процесса упрощенно, то стоит напомнить, что согласно квантовой теории поля физический вакуум постоянно наполнен парами частица-античастица, которые постоянно возникают и вновь аннигилируют и потому их иногда называют «виртуальными». Однако присутствие мощных внешних сил может менять эту ситуацию, и наиболее интересные вещи происходят в окрестностях горизонта событий черной дыры (условно говоря, это «точка невозвращения», воображаемая линия, на которой скорость падения вещества в черную дыру превышает скорость света — а значит, никакой информации о событиях за этой линией получить нельзя). Здесь частица из виртуальной пары может успеть умчаться прочь (она-то и видится наблюдателю, как излучение) — а античастица исчезнуть в черной дыре, снизив при этом ее полную энергию, а значит и массу дыры. Так и происходит это «испарение».
Однако есть во всем этом одна загвоздка. По описанию Хокинга, свойства черной дыры (если она не вращается и не заряжена) зависят только от ее массы. Это значит, что если она поглотила какой-нибудь объект, ее новые свойства никак не связаны с этим объектом, а полностью определяются новой массой дыры. Если, допустим, после этого черная дыра испарила тот же объем вещества, то она испустила при этом в космос массу разнообразного излучения и снова вернулась к первоначальному состоянию: вся информация, попавшая в дыру вместе с поглощенным телом, попросту... исчезла.
Этот процесс противоречит нашему пониманию квантовой механики, которая постулирует, что текущее состояние Вселенной зависит от ее предыдущего состояния. Так что, если (представим себе) получить полную информацию о состоянии всех частиц мироздания, то на этой основе (в принципе) можно предсказать их состояние в следующий момент. Но если часть информации просто-напросто пропадает в черных дырах — это оказывается невыполнимым!
Выходит, информация в черной дыре либо сохраняется в какой-либо форме, либо каким-то образом, все же, покидает ее. (В рамках представления о том, что черные дыры являются «мостами» между нашей Вселенной и другими, информация просто покидает наш мир и появляется в каком-то другом.)
И вот группа ученых во главе с Абхаем Аштекаром (Abhay Ashtekar) предложила вариант описания процесса, в результате которого информация может покидать черную дыру. Объясняя этот механизм, ученый использует аналогию с приключениями Алисы в Стране чудес: «Когда Чеширский кот исчезает, остается его улыбка. Примерно так мы описали и черные дыры. Согласно модели Хокинга, когда черная дыра полностью испаряется, остается сингулярность (область, в которой кривизна пространственно-временного континуума бесконечна, или этот континуум разрывается — ПМ). В ней-то и остается информация — правда, в невосстановимом виде».
Этот-то подход и подвергли критическому анализу Аштекар с коллегами. Прежде всего, они предположили, что сингулярности в реальном мире не существует, они — лишь теоретическое допущение. Дальше — больше: ученые для своих расчетов изменили подход к пониманию пространства-времени. Еще со времен Эйнштейна мы привыкли к «континууму», то есть к чему-то непрерывному. Но Аштекар сделал допущение, что это — лишь некоторое приближение, а на деле состоит из микроскопических «объектов». Ну а если пространство-время состоит из отдельных фрагментов, то и сингулярность в центре черной дыры — всего только грубое описание.
Действительно, проведенные расчеты показали, что при применении этого подхода после полного испарения черной дыры никакой сингулярности не остается. На ее месте появляется область сильнейших искажений пространства-времени, где даже привычные нам причинно-следственные связи выглядят нарушенными, но зато действуют квантовые эффекты. Здесь-то и всплывает снова на свет информация, некогда «потерянная» в глубинах черной дыры.
Чтобы хоть как-то упростить сложнейшие расчеты, ученым пришлось вести их на примере двухмерного пространства, которое намного легче с математической точки зрения. Однако эти выкладки, по их мнению, полностью применимы и к черным дырам в реальном пространстве. Действительно, черные дыры нередко оказываются слишком сложными (и страшными) объектами, чтобы исследовать их напрямую. Но это не всегда и требуется. К примеру, для изучения того же излучения Хокинга недавно предложили использовать процессы, происходящие в обычной воде — читайте «Черная дыра в бассейне».
По сообщению Penn State Eberly College of Science