[Перевод] Никто не знает, куда девается информация из чёрных дыр
Чёрные дыры могут переварить всё, что есть во Вселенной, но процесс извлечения из них информации пока остаётся недоступным
Если верить Google, то Стивен Хокинг — самый известный из живых физиков, а его самая известная работа — информационный парадокс чёрных дыр. Если вы знаете хоть что-то по поводу физики, вот, что вам необходимо узнать. До Хокинга чёрные дыры не представляли собой парадокса. Да, если вы бросите книжку в ЧД, вы больше не сможете её прочесть. Поскольку до того, что пересекло горизонт событий ЧД, уже нельзя дотянуться снаружи. Горизонт событий — замкнутая поверхность, внутри которой поймано всё, даже свет. Поэтому информация никак не вырвется из ЧД, книга пропала. Это неприятно, но физиков это не волнует. Информацию из книги, возможно, и не увидеть, но ничего парадоксального в этом нет.
Хотя теория Эйнштейна даёт точные предсказания для горизонта событий ЧД и пространства-времени в непосредственной близости от него, квантовые поправки могут заметно их изменить
А потом появился Стивен Хокинг. В 1974-м он показал, что ЧД испускают излучение, и это излучение информации не переносит. Оно полностью случайно, кроме распределения частиц как функции от энергии — планковский спектр с температурой, обратно пропорциональной массе ЧД. Если ЧД испускает частицы, она теряет массу, сжимается и нагревается. По прошествии достаточного количества времени и излучения ЧД полностью исчезнет, и информацию, запрятанную в ней, уже не вернуть. ЧД испарилась; книги внутри неё быть уже не может. Так куда делась информация?
Вы можете пожать плечами и сказать: «Ну исчезла, и что с того? Разве мы не теряем информацию постоянно?» Нет, не теряем. По крайней мере, в принципе. На практике мы, конечно, теряем информацию. Если вы сожжёте книгу, вы не сможете прочитать то, что в ней было. Но с фундаментальной точки зрения вся информация, составлявшая книгу, содержится в дыме и пепле.
Всё, что горит, может выглядеть уничтоженным, но все о состоянии этого объекта до того, как он сгорел, в принципе можно восстановить — если отследить всё, что исходит из огня.
Всё оттого, что, по всем известным нам на сегодня данным, законы природы могут идти вперёд и назад во времени — каждое уникальное начальное состояние соответствует уникальному конечному. Не бывает двух разных начальных состояний, которые придут к одному конечному. История с горящей книгой в обратной перемотке выглядит уникально. Если вы очень-очень аккуратно соберёте дым и пепел в нужной последовательности, вы сможете восстановить сожжённую книгу. Это очень маловероятный процесс, и на практике вы его не увидите. Но в принципе это возможно.
Но с чёрными дырами всё не так. При изучении готовой ЧД нет никакой разницы, что её сформировало. В итоге у вас останется только тепловое излучение, которое, в честь первооткрывателя, называют теперь «излучением Хокинга». Вот и парадокс: испарение ЧД — процесс, который невозможно повернуть вспять. Он, как мы говорим, необратим. И это беспокоит физиков, поскольку демонстрирует их непонимание законов природы.
Белая линия — граница горизонта событий вокруг ЧД. Информация изнутри горизонта не может выбраться наружу
Парадокс потери информации в ЧД говорит о внутренней противоречивости наших теорий. Когда мы совмещаем — как сделал это Хокинг в своих расчётах — общую теорию относительности с квантовыми теориями поля в Стандартной Модели, результат получается несовместимым с квантовой теорией. На фундаментальном уровне любое взаимодействие частиц должно быть обратимым. Хокинг продемонстрировал, что из-за необратимости испарения ЧД две этих теории несовместимы.
Кажущийся очевидным источник противоречия состоит в том, что необратимое испарение было выведено без учёта квантовых свойств пространства и времени. Для этого нам понадобилась бы теория квантовой гравитации, а у нас её до сих пор нет. Большая часть физиков поэтому верит, что квантовая гравитация устранит этот парадокс — просто они пока не знают, каким именно образом.
Гравитация, управляемая эйнштейновскими теориями, и всё остальное (слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия), управляемые квантовой физикой — два независимых правила, управляющие всем во Вселенной
Но сложность с обвинением квантовой гравитации состоит в том, что на горизонте не происходит ничего интересного — там прекрасно должна работать ОТО. Всё оттого, что сила квантовой гравитации должна зависеть от кривизны пространства-времени, но кривизна на горизонте событий имеет обратную зависимость от массы ЧД. Это значит, что чем больше ЧД, тем меньше ожидаемые квантовые гравитационные эффекты, проявляющиеся на горизонте.
Квантовые гравитационные эффекты должны стать заметными, только когда ЧД достигнет планковской массы, порядка 10 микрограмм. Когда ЧД ужмётся до такого размера, информацию можно будет выпустить благодаря квантовой гравитации. Но в зависимости от того, из чего сформировалась ЧД, до этого момента в ЧД может храниться произвольно большое количество информации. А когда остаётся только планковская масса, очень сложно извлечь такое большое количество информации с таким небольшим остаточным количеством энергии, необходимой для её кодирования.
В последние 40 лет величайшие умы на планете пытались решить эту головоломку. Может показаться странным, что такая нелепая проблема привлекает так много внимания, но у физиков для этого есть уважительные причины. Испарение ЧД — самый хорошо изученный случай взаимодействия квантовой теории и гравитации, и он может оказаться ключом к нахождению правильной теории квантовой гравитации. Решение парадокса было бы прорывом, и, без сомнения, привело бы к концептуально новому пониманию природы.
Пока что большая часть попыток решения парадокса потери информации попадает в одну из четырёх больших категорий, у каждой из которых есть свои плюсы и минусы.
Информация может выходить из ЧД и на ранних этапах, но такого механизма пока открыто не было
1. Информация испускается на ранних этапах. Она начинает просачиваться задолго до того, как ЧД достигает планковской массы. На сегодня это самый популярный вариант. Но пока неясно, каким образом кодировать информацию в излучении, и как обойти результат вычислений Хокинга.
Преимущество этого решения — совместимость с известными нам особенностями термодинамики чёрных дыр. Недостаток — чтобы оно работало, необходимо присутствие какого-то рода нелокальности — пугающего дальнодействия. Что ещё хуже, недавно прозвучало заявление, что если информация испускается на ранних этапах, то ЧД окружены высокоэнергетическим барьером — огненной стеной. Если эта стена существует, тогда принцип эквивалентности, лежащий в основе ОТО, нарушается. Очень непривлекательный вариант.
2. Информация хранится внутри, или выпускается на поздних этапах. В этом случае информация остаётся внутри ЧД, пока квантовые гравитационные эффекты не становятся достаточно сильными при достижении ЧД планковской массы. Затем информация либо испускается при помощи оставшейся энергии, или навечно остаётся в остатках.
Преимущество этого варианта — он не требует изменений ОТО или квантовой теории в тех условиях, в которых они должны, по нашему мнению, оставаться работоспособными. Он ломаются именно там, где мы ожидаем: когда кривизна пространства-времени становится слишком большой. Недостаток — некоторые утверждают, что он ведёт к другому парадоксу, к возможности бесконечного порождения пар чёрных дыр в слабом фоновом поле, то есть, вокруг нас. Теоретическая поддержка этого утверждения не очень сильная, но оно всё равно широко используется.
Активные галактики поглощают, а также ускоряют и выбрасывают падающую в них материю, приблизившуюся к их центральной сверхмассивной чёрной дыре. Возможно, информация на фундаментальном уровне тоже теряется.
3. Информация уничтожается. Сторонники этого подхода принимают уничтожение информации после падения в ЧД. Длительное время считалось, что этот вариант приводит к нарушениям закона сохранения энергии, что приводит к другому противоречию. Но в последние годы появились новые аргументы, согласно которым энергия может сохраняться с потерей информации, поэтому этот вариант немного ожил. Но по моим оценкам это решение наименее популярно.
Но, сходным с первым вариантом образом, высказывание чьего-либо мнения решением задачи не считается. Чтобы этот вариант сработал, необходимо поменять квантовую теорию. И такое изменение не должно входить в противоречие с любыми экспериментальными проверками квантовой механики. Это тяжело сделать.
Возможно, то, что мы считаем чёрной дырой, на самом деле, не чёрное; возможно, нюанс в том, как полностью обойти этот парадокс.
4. Нет никаких чёрных дыр. ЧД не формируются, или информация не пересекает горизонт. Эта попытка решения периодически возникает, но особого развития не получает. Преимущество — очевидно, как обойти вывод подсчётов Хокинга. Недостаток — для этого потребуются большие отклонения от ОТО в ситуациях с малой кривизной, поэтому их очень сложно совместить с точными измерениями гравитации.
Существуют несколько других предложений, не попадающие в эти категории, но я не буду — у меня не получится — пытаться обозреть их все здесь. В принципе, вообще не существует хорошей обзорной статьи на эту тему — возможно, потому что сама мысль о компиляции всех решений пугает. Очень много текстов. Потеря информации в чёрной дыре — вне сомнения, самый обсуждаемый парадокс из всех.
Таким он и должен оставаться. Температура ЧД, наблюдаемых нами сегодня, слишком мала, чтобы её можно было напрямую наблюдать. Поэтому в обозримом будущем никто не сможет измерить, что происходит с информацией, пересекающей горизонт. Так что давайте я сделаю предсказание. Через 10 лет проблема всё ещё останется нерешённой.
Стивен Хокинг, в возрасте 73 лет (2015-й) с Ричардом Овендном и Дэвидом Аттенборо, на открытии Уэстонской библиотеки в Оксфорде.
Хокинг недавно отпраздновал своё 75-летие, что само по себе является примечательным достижением. 50 лет назад доктора сказали ему, что он вскоре умрёт, но он упрямо цепляется за жизнь. Парадокс потери информации в ЧД может оказаться ещё более упрямым. Если не появится революционный прорыв, он может пережить нас всех.
Сабин Хоссенфельдер — физик-теоретик, специалист по квантовой гравитации и физике высоких энергий, пишет статьи на научно-популярные темы.
