куда девается то что попадает в черную дыру
Введение в парадокс исчезновения информации в чёрной дыре
В этой статье даётся быстрое введение в парадокс исчезновения информации в чёрной дыре. Для краткости некоторые детали опущены. Кроме того, следует учесть, что текущее понимание проблемы настолько запутанно, что самую последнюю часть статьи нельзя рассматривать, как надёжную или стабильную.
Рис. 1
Две конфликтующих теории
Считается, что математика квантовой теории, иногда называемой «квантовой механикой», управляет всеми физическими процессами в природе. Её можно использовать не для предсказания конкретных событий, а только для получения вероятности того, что что-либо произойдёт. Но вероятности имеют смысл только, если вы сложите все вероятности всех различных возможных исходов и получите сумму равной единице. Квантовая теория, в которой это не так, смысла не имеет. Одно из следствий этого – в квантовой теории информация никогда по-настоящему не теряется и не копируется; в принципе всегда можно определить, с чего начинала система (её начальное состояние), обладая полной информацией о том, чем она закончила (конечное состояние). На рис. 1 изображено столкновение двух частиц и разбегание с места столкновения нескольких частиц, несущих, в зашифрованном виде, информацию о природе и свойствах двух изначальных частиц.
Общая теория относительности – это теория гравитации Эйнштейна, в которой гравитацию можно рассматривать, как эффект искривления пространства и времени. ОТО – это не квантовая теория. Она точно предсказывает, что произойдёт, а не даёт вероятности различных исходов.
С 1915 по 1958 года постепенно формировалось понимание того, что чрезвычайно компактные и массивные объекты превращаются в чёрные дыры. Вблизи их гравитация становится необыкновенно сильной – настолько, что пространство-время искривляются чрезвычайно, и любой, слишком сильно приблизившийся к ним объект, пересёкший горизонт чёрной дыры – поверхность невозврата – не может убежать. На рис. 2 показано формирование горизонта чёрной дыры, в момент, когда две оболочки материи становятся достаточно компактными. Информация о двух этих оболочках перемещается внутрь горизонта и не может выйти наружу – в ОТО.
Рис. 2
Отметим, что невозможно корректно нарисовать чёрные дыры и информацию внутри них. Мои иллюстрации неспособны продемонстрировать искривление пространства-времени. К примеру, для полного понимания вам нужно было бы учесть, что часы внутри чёрной дыры идут совсем по-другому, нежели часы снаружи горизонта, которые, в свою очередь, идут не так, как удалённые часы. Не воспринимайте слишком серьёзно мои иллюстрации, демонстрирующие концептуальную, но не техническую сторону вопроса.
Горизонт – это не объект, а место, за которым убегание становится невозможным. Известная аналогия – лодка, приближающаяся к водопаду по ускоряющемуся течению. Когда лодка проходит кривую невозврата (рис. 3), её мотор становится неспособен бороться с течением, и она неизбежно упадёт. Но капитан лодки не заметит момента пересечения кривой – это просто обычная часть реки, чья важность станет ясной, только когда капитан попытается избежать катастрофы. Точно также, пересекая горизонт в ОТО, вы ничего не заметите; только когда вы попытаетесь избежать чёрной дыры, вы обнаружите, что – ой – вы подошли слишком близко.
Рис. 3
Парадокс исчезновения информации в чёрной дыре
Парадокс возник после того, как Хокинг в 1974-1975 годах показал, что чёрная дыра, окружённая квантовыми полями, будет испускать частицы (излучение Хокинга) и сжиматься (рис. 4), в результате чего испарится. Сравните с рис. 2, на котором информация о двух оболочках застревает внутри чёрной дыры. На рис. 4 чёрная дыра исчезает. Куда же делась информация? Если она исчезла вместе с чёрной дырой, это нарушает квантовую теорию.
Рис. 4: 1) оболочки материи сжимаются; 2) формируется горизонт, и появляется излучение Хокинга (в виде частиц без массы или малой массы, например, фотонов, нейтрино или гравитонов); 3) Излучение Хокинга уносит энергию, заставляя размер и массу чёрной дыры сжиматься; 4) в конце концов, чёрная дыра полностью исчезает, оставляя лишь излучение Хокинга. Проще говоря, информация о том, что попало в чёрную дыру, исчезает, нарушая принципы квантовой теории. Нужно ли менять квантовую теорию?
Возможно, информация вернулась вместе с излучением Хокинга? Проблема в том, что информация не может вырваться из чёрной дыры. Она не может попасть в излучение Хокнига, кроме как через копирование того, что осталось внутри. Но наличие двух копий информации, одной внутри, и одной снаружи, также нарушает квантовую теорию.
Рис. 5: если информация копируется в излучение Хокинга, это нарушает квантовую теорию.
Конечно, дело может быть в том, что квантовая теория неполна, и что физика чёрных дыр заставляет нас расширять её, так как Эйнштейн расширил законы Ньютона своей теорией относительности. Именно в это Хокинг верил тридцать лет.
Принцип дополнительности: спасаем квантовую теорию
Однако, другие считали, что менять нужно не квантовую теорию, а общую теорию относительности. В 1992 был предложен «принцип дополнительности», согласно которому, информация находится в некотором смысле как внутри, так и снаружи, не нарушая при этом квантовую теорию. Предположение было разработано Сасскиндом и его молодыми коллегами. Конкретно, наблюдатели, остающиеся снаружи чёрной дыры, видят, как информация накапливается на горизонте, а затем улетает вместе с излучением Хокинга. Наблюдатели, падающие в чёрную дыру, видят информацию внутри (рис. 6). Поскольку два этих класса наблюдателей не могут общаться, парадокс не возникает.
Рис. 6: Принцип дополнительности говорит, что всё зависит от точки зрения. Наблюдатель снаружи (2а) видит информацию, хранящуюся снаружи, и (3а) передающуюся в излучение Хокинга. Наблюдатель, падающий внутрь (2b) видит информацию внутри.
И всё же, это предположение потенциально внутренне противоречиво, и требует, чтобы несколько странных вещей оказались правдой. Среди них то, что называется «голографией», идея, разработанная ‘т Хоофтом, и затем Сасскиндом. Идея состоит в том, что физику трёхмерного содержимого чёрной дыры, в которой, очевидно, работает гравитация, можно рассматривать, путём загадочной трансформации, как физику, находящуюся прямо над двумерным горизонтом, где она описывается двумерными уравнениями, в которые гравитация вообще не входит!
Рис. 7: Интересно, что описать внутренности чёрной дыры через её наружную часть возможно, это было показано в конце 1990-х и начале 2000-х. Теория струн, в которой содержится квантовая версия ОТО, в некоторых случаях способна это сделать.
Как ни странно, эта теория получила существенное подтверждение в конце 1990-х, по крайней мере, для некоторых ситуаций. В 1997 году Малдацена предположил (а сотни людей проверили это предположение разными способами), что при определённых условиях теория струн (квантовое обобщение ОТО, кандидат на теорию законов природы нашей Вселенной) эквивалентна квантовой теории (конкретно, квантовой теории поля) без гравитации и в меньшем количестве измерений. Эта взаимосвязь, известная, как AdS/CFT или «соответствие полей/струн», заслуживает отдельной статьи.
Успех голографии усилил веру в истинность принципа дополнительности. Более того, соответствие полей/струн позволило довольно убедительно показать, что небольшие чёрные дыры могут формироваться и испаряться в струнной теории в процессе, который можно описать соответствующей квантовой теорией поля (хотя и не детально) – а следовательно, этот процесс, как и любой другой процесс в квантовой теории, происходит с сохранением информации! К 2005 году даже Хокинг принял эту точку зрения – что, как предполагает принципа дополнительности, информация не теряется в чёрных дырах, и что изменять нужно ОТО, а не квантовую теорию.
Файервол и текущая неразбериха
Однако в принципе дополнительности были несостыковки. Испарение чёрных дыр идёт так медленно, что в квантовой теории пока не существует уравнений, описывающих этот процесс. В поисках этих уравнений Альмхейри, Маролф, Полчински и Салли обнаружили, что, при выполнении разумных предположений, принцип дополнительности содержит внутреннее противоречие, проявляющееся, когда чёрная дыра испаряется примерно наполовину. Доказательство довольно хитрое, оно включает квантовую запутанность, которую Эйнштейн называл «жуткой», и которая используется в квантовых компьютерах. Грубо говоря, примерно к середине процесса из чёрной дыры через излучение Хокинга исчезает так много информации, что её не хватает, чтобы при помощи голографии отобразить внутренности чёрной дыры на горизонте. Следовательно, вместо того, чтобы падающий внутрь наблюдатель спокойно проходил через безобидный горизонт, как на рис.6, наблюдатель не обнаружит никаких внутренностей, причём очень жёстко – он поджарится на т.к. файерволе (стена огня), висящей прямо над горизонтом (рис. 8).
Рис. 8
Возможность существования файервола потребовала бы кардинальных изменений ОТО. В случае истинности получалось бы, что описание чёрных дыр в ОТО, с большим внутренним объёмом, с горизонтом, представляющим собой просто точку невозврата (как на рис. 3), а не какое-то особое место, где что-то происходит, оказалось бы совершенно неверным после того, как чёрная дыра существенно испарилась бы.
Так что парадокс вернулся! И в ещё худшем виде. Получается, что если квантовая теория и принцип дополнительности верны, ОТО нужно менять не частично – её нужно серьёзно переделывать! И никаких признаков такой переделки не наблюдается в теории струн, предлагавшей пример голографии. Но соответствие полей/струн говорит о том, что квантовая теория может описать формирование и испарений чёрных дыр, поэтому информация не исчезает. Можно ли заменить чем-либо принцип дополнительности? Или же неверен какой-то из аргументов, создающих парадокс?
Все запутались. Существует множество предположений о решении этой головоломки. Большинство из них не доходит до вас. СМИ рассказывает вам о Хокинге, поскольку он знаменит, но он всего лишь один из очень многих голосов, обсуждающих разные идеи. Все эти идеи страдают от одной проблемы: недостатка уравнений для доказательства и объяснения деталей того, как они работают. И поскольку недостаток уравнений и привёл к парадоксу файервола, вряд ли можно выпутаться из этой ситуации, полагаясь на ещё одно предположение с недостаточным количеством уравнений!
Но, хотя Хокинг всего один из многих вносящих предложение, и хотя в его предположении не хватает уравнений, и оно, скорее всего, будет неполным, и, возможно, неверным – вы, наверно, захотите узнать, что же он предложил. Довольно сложно понять это без уравнений, но вот, как я могу это объяснить (рис. 9). Хокинг отмечает, что хотя внешняя часть чёрных дыр быстро упрощается, их внутренности могут быть очень сложными. Сложные системы, типа погоды, выказывают свойства хаоса, что может сделать их непредсказуемыми ещё до использования квантовой теории. Он предполагает, что эта сложность дестабилизирует горизонт и позволяет информации, зашифрованной внутри чёрной дыры, просачиваться наружу. Поскольку это нарушило бы теоремы самого Хокинга, касающиеся ОТО, я предполагаю, что это значит, что ОТО необходимо изменить. И поскольку его предположение строится на AdS/CFT (соответствии поля/струн), я предполагаю, что он считает, что это должно происходить в теории струн. И поскольку то, что попало в чёрную дыру, всё-таки выйдет из неё, эти дыры на самом деле не чёрные – так что, зовите их «серыми дырами», или «метастабильными связанными гравитационными состояниями», или «на первый взгляд чёрными дырами» – но «чёрные», возможно, не совсем правильный термин.
Рис. 9: прошу прощения у Хокинга, поскольку ни я, ни кто-либо из моего окружения точно не знает, что он имеет в виду. Так что мне пришлось сделать грубый набросок того, что как я считаю, он пытается предложить.
Но с этим предложением есть много очевидных проблем, не самая меньшая из которых та, что загадка файервола проявляется уже у наполовину испарившейся чёрной дыры, а не в конце её жизни. Поэтому чёрная дыра остаётся ещё достаточно большой, когда информация уже начинает просачиваться – и это очень сложно примирить с предложением Хокинга. Так что не ждите появления консенсуса по поводу предложения Хокинга, особенно без каких-то конкретных уравнений для решения.
В любом случае всё, что вы узнали о чёрных дырах, пока что по сути верно. Астрофизикам не нужно волноваться из-за изменений того, что, как они думают, им известно о звёздных или галактических чёрных дырах. По крайней мере, для больших и не очень старых чёрных дыр, предложение Хокинга не приведёт к каким-то измеримым изменениям. А если вы упадёте в дыру, то всё равно не сможете выбраться, или отправить сообщение кому-либо снаружи. Так что, даже если окажется, что строгих чёрных дыр не существует, в центре почти каждой галактики Вселенной всё равно будет находиться «достаточно чёрная» дыра.
Не ждите, что эта 40-летняя загадка будет разрешена в ближайшее время. Её решение, скорее всего, предложит какой-нибудь молодой физик, о котором вы ничего не знаете, или даже ещё не родившийся человек.
Никто не знает, куда черные дыры девают информацию
Если «погуглить», Стивен Хокинг будет среди самых известных физиков последнего времени. Его самая известная работа касается информационного парадокса черной дыры. Если вы интересуетесь физикой, вам это, конечно же, известно. До Хокинга черные дыры не были парадоксальными. Да, если бы вы бросили книгу в черную дыру, вы бы не смогли ее прочитать. Потому что все, что пересекает горизонт событий черной дыры, уже недоступно извне. Горизонт событий — это замкнутая поверхность, которую не может покинуть изнутри даже свет. Нет никакого способа извлечь информацию из черной дыры; книги больше нет. Это печально, но не особо расстраивает физиков. Информацию из книги уже не извлечь, но в этом нет ничего парадоксального.
В черных дырах еще слишком много загадок
Излучение черных дыр
И затем пришел Стивен Хокинг. В 1974 году он показал, что черные дыры испускают излучение, и это излучение не переносит информацию. Оно совершенно случайно, за исключением распределения частиц в зависимости от энергии, которая является спектром Планка с температурой, обратно пропорциональной массе черной дыры. Если черная дыра излучает частицы, она теряет массу, сжимается и становится горячее. По прошествии достаточного количества времени и излучив достаточно частиц, черная дыра исчезнет, и вы уже никак не сможете достать информацию, попавшую в нее. Черная дыра испарилась, книги внутри больше нет. Куда же делась информация?
Вы можете пожать плечами и сказать: «Ну и хрен с ней, делась и всё. Разве мы не теряем информацию постоянно?». Нет, не теряем. По крайней мере не принципиально. На практике мы постоянно теряем информацию, это правда. Если вы сожжете книгу, вы уже не сможете прочитать то, что в ней было. Однако, с фундаментальной точки зрения, вся информация, представляющая собой книгу, по-прежнему содержится в дыму и пепле.
Что будет с информацией?
Потому что законы природы, насколько известно лучшим нашим физикам, можно прокручивать вперед и назад — каждое уникальное изначальное состояние соответствует уникальному конечному состоянию. Не бывает два изначальных состояния, которые оказываются в одном конечном состоянии. История сожженной вами книги будет совершенно другой задом-наперед. Если бы вы могли очень и очень аккуратно собрать дым и пепел нужным образом, вы могли бы сжечь книгу наоборот и восстановить ее, буквально собрав из пепла. Это крайне маловероятный процесс, и вряд ли вы когда-нибудь засвидетельствуете его на практике. Но, в принципе, это возможно.
Все происходит именно тут.
Только не с черными дырами. Из чего бы черная дыра ни сложилась, это уже будет не важно, когда вы заглянете на последнюю страницу. В конечном счете у вас останется только тепловое излучение, которое — в честь его первооткрывателя — называется «излучение Хокинга». В этом парадокс: процесс испарения черной дыры нельзя провернуть задом наперед. Он необратим. И это очень печалит физиков, потому что громогласно заявляет: вы не понимаете законов природы.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Куда девается информация в черной дыре
Потеря информации в черной дыре парадоксальна, потому что указывает на внутреннюю несогласованность наших теорий. Когда мы «женим» общую теорию относительности на квантовых теориях поля стандартной модели, и Хокинг проделал это в своих расчетах, результаты больше не совместимы с квантовой теорией. На фундаментальном уровне каждое взаимодействие с участием частиц должно быть обратимым. Но поскольку процесс испарения черной дыры необратим, Хокинг показал, что две этих теории, увы, не сочетаются.
Казалось бы, это противоречие, очевидно, вытекает из того, что необратимое испарение было получено без принятия во внимание квантовых свойств пространства и времени. Для этого нам понадобилась бы квантовая теория гравитации, которой у нас пока нет. Поэтому большинство физиков верят в то, что квантовая гравитация устранит парадокс — пока они просто не знают, как он работает.
Как правило, вопросов больше, чем ответов.
Сложность обвинения квантовой гравитации, однако, в том, что на горизонте не происходит ничего интересного — это царство, в котором прекрасно работает общая теория относительности. Потому что сила квантовой гравитации должна зависеть от кривизны пространства-времени, но эта кривизна на горизонте черной дыры обратно зависит от массы черной дыры. То есть чем больше черная дыра, тем меньше будут ожидаемые квантово-гравитационных эффекты на горизонте.
Квантово-гравитационные эффекты станут заметны только тогда, когда черная дыра достигнет массы Планка, примерно 10 микрограммов. Когда черная дыра усыхает до такого размера, информация может быть высвобождена благодаря квантовой гравитации. Но в зависимости от того, из чего сформировалась черная дыра, в ней к тому моменту может застрять сколь угодно большое количество информации. И когда остается только масса Планка, выудить так много информации при наличии столь малой энергии для ее декодирования будет трудно.
В течение последних сорока лет решить эту загадку пытались самые светлые умы планеты. Может показаться странным, что такая далекая от нас проблема привлекает так много внимания, но у физиков есть на то веские причины. Испарение черных дыр — лучше всего изученный случай взаимодействия квантовой теории и гравитации, а значит, в этом может быть ключ к созданию правильной теории квантовой гравитации. Решение этого парадокса может быть прорывным и, без сомнения, приведет к принципиально новому пониманию природы.
Что происходит с информацией в черный дырах
До сих пор большинство попыток разрешить потерю информации в черной дыре попадали в одну из четырех больших категорий, каждая со своими плюсами и минусами.
1. Информация рано высвобождается. Информация начинает утекать задолго до того, как черная дыра достигает планковской массы. Сейчас этот вариант самый популярный. Но до сих пор неясно, каким образом эта информация кодируется в излучении и как обходит расчеты Хокинга.
Преимущество этого решения заключается в его совместимости с тем, что мы знаем о термодинамике черных дыр. Недостаток же в том, что для этой работы будет неизбежным своего рода нелокальность — жуткое действие на расстоянии. Что еще хуже, недавно было заявлено, что если информация будет утекать рано, черные дыры будут окружены высокоэнергетическим барьером: огненной стеной (firewall). Если файрвол существует, это будет означать, что будет нарушаться лежащий в основе общей теории относительности принцип эквивалентности. Не очень красиво.
Красота черной дыры
2. Информация хранится либо высвобождается позднее. В этом случае информация остается в черной дыре, пока квантово-гравитационные эффекты не станут сильными, когда черная дыра достигнет планковской массы. Тогда информация будет либо высвобождена с оставшейся энергией, либо навсегда останется в ее остатке.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Преимущество этого варианта в том, что он не требует модификации общей теории относительности или квантовой теории в тех местах, где нам этого не хотелось бы. Они ломаются именно там, где должны ломаться: когда кривизна пространства-времени становится чересчур большой. Недостаток заключается в том, что все это приводит к еще одному парадоксу: в слабом фоновом поле могут бесконечно появляться пары черных дыр, то есть постоянно вокруг нас. Теоретическое подкрепление этому аргументу есть, но очень слабенькое.
3. Информация уничтожается. Сторонники этого подхода просто соглашаются с тем, что информация теряется, попадая в черную дыру. Но этот вариант давно считается грубым нарушением закона сохранения энергии и приводит к куче несоответствий. За последние годы, однако, появились лазейки, указывающие на возможность сохранения энергии при потере информации, и вариант воскресили. Хоть он и не очень популярный.
Но как и с первым вариантом, чтобы проверить возможность уничтожения информации, нужно модифицировать квантовую теорию. Потребуется такая модификация, которая не приведет к конфликту с какими-либо другими экспериментами, проверившими и подтвердившими квантовую механику. Но поскольку квантовая механика — экспериментально самая проверенная наука, сделать это будет сложнее.
4. Черной дыры нет. Черная дыра никогда не сформировалась, и информация никогда не пересекла горизонт. Это решение всплывало раньше и всплывает сейчас, но так и не нашло широкого круга сторонников. Преимущество его в том, что оно обходит расчеты Хокинга. Недостаток в том, что оно требует серьезных отклонений в ОТО в малых режимах кривизны и его трудно совместить с точными тестами гравитации.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
Есть несколько других решений, которые пока не вошли ни в одну из категорий, но мы не будем сегодня их затрагивать. По сути, нет ни одного хорошего обзора на эту тему — наверное, потому что одна мысль о его компиляции ввергает в ужас и шок. Литературы очень много. Потеря информации в черной дыре, наверное, остается самым обсуждаемым парадоксом современности. И будет оставаться таковым.
Температура черных дыр, которые мы можем наблюдать сегодня, слишком мала, чтобы мы могли ее уловить. Таким образом, в обозримом будущем никто не сможет измерить, что происходит с информацией, которая пересекает горизонт. И спустя десять лет проблема, вероятно, останется нерешенной.
Российские физики выяснили, как найти потерянное в черной дыре
Nicole R. Fuller/National Science Foundation
Ученые из Института ядерных исследований РАН предложили свой ответ на вопрос о том, может ли информация бесследно исчезать в черной дыре. Физики использовали упрощенную модель гравитации и математические методы, использующиеся для описания процесса туннелирования. Результаты работы опубликованы в Journal of High Energy Physics, полностью ознакомиться со статьей можно на сайте препринтов arXiv.org.
Черные дыры — объекты, не выпускающие из себя ничего, даже свет. Однако еще в 1974 году Стивен Хокинг выдвинул предположение, что черные дыры не только притягивают материю, но и испускают разнообразные элементарные частицы — так называемое «излучение Хокинга», имеющее тепловой спектр. Черная дыра изменяет вакуум вокруг себя, и из него парами рождаются частицы. При этом одна из них падает внутрь черной дыры, а вторая улетает, унося часть массы черной дыры. Таким образом, черная дыра постепенно испаряется, пока не исчезнет совсем. Но здесь возникает парадокс: куда девается информация об объектах, упавших в черную дыру после ее исчезновения? Этот «информационный парадокс» мучает физиков уже почти полвека.
Проблема заключается в том, что любой предмет, оказавшийся в черной дыре, исчезнет в ее сингулярности. Однако взамен черная дыра испускает поток теплового излучения Хокинга, по конечному состоянию которого невозможно понять, что именно попало в черную дыру. Известные нам законы квантовой механики однозначно позволяют предсказать вероятности исходов тех или иных событий, связывают начальные и конечные состояния. Начальное состояние любой системы может быть однозначно восстановлено на основании конечного. Однако черная дыра не обладает таким свойством. Вероятное решение парадокса — несовершенство математического аппарата. Возможно, излучение черной дыры однозначно определяется тем, что в нее было брошено, просто вычисления этого не показывают.
Работа российских физиков стала еще одним шагом к разрешению парадокса. Они изучали не обычную трехмерную гравитацию, а ее упрощенную версию, двумерную дилатонную гравитацию с границей. В такой модели возможен очень простой, но редкий процесс: черная дыра может образоваться при столкновении одной квантовой частицы с границей, а затем распасться, испустив ровно одну частицу. Хотя вероятность такого процесса крайне мала, он — очень простой.
Поэтому российским физикам удалось построить полуклассическое описание этого процесса с помощью математических методов, которые обычно применяются для описания процессов туннелирования в квантовой механике. Обычная квантовая частица может «пройти сквозь стену» — протуннелировать. Оказывается, частица, оказавшаяся в сингулярности черной дыры, может так же протуннелировать наружу, образуя часть излучения Хокинга. Важно, что такое описание позволяет однозначно связать состояние «финальной» и «начальной» частицы. В будущем физики надеются, что применение таких же методов для описания более сложных процессов, например образования черной дыры из множества частиц и ее испарения, приведет к полному разрешению информационного парадокса.