Парадокс Хокинга: почему ученые до сих пор не разгадали тайну информации, связанной с черными дырами?

В 1974 году выдающийся физик Стивен Хокинг выяснил, что черные дыры не являются вечными стабильными объектами, а теряют массу через излучение, позже названное излучением Хокинга, пока полностью не исчезают. Позже было установлено, что черные дыры кодируют огромное количество информации на своих поверхностях, хотя само излучение Хокинга не содержит никакой дополнительной информации. Уничтожается ли тогда информация, которая была использована для создания черной дыры? Или же она каким-то образом кодируется в исходящем излучении? Этот вопрос известен как информационный парадокс черной дыры или парадокс Хокинга. Даже в 2024 году физики не смогли разрешить эту загадку, сообщает Big Think.

Информационный парадокс черной дыры

Известно, что энтропия во Вселенной всегда возрастает. С другой стороны, общее количество информации в физической системе может оставаться неизменным или увеличиваться, но никогда не может уменьшаться.

Однако для черных дыр возникает парадокс. Если в черную дыру поместить какой-либо объект, она будет хранить информацию. Эта информация попадет в черную дыру, добавляя к ее массе и размеру. Когда черная дыра испаряется через излучение Хокинга, информация, закодированная в этом излучении, как предсказывается теориями, будет совершенно случайной, как будто информация была утрачена. Несмотря на постоянные заявления о том, что информационный парадокс черных дыр решен, на самом деле это не совсем так.

Каждая частица и система частиц, существующие во Вселенной, обладают определенным количеством информации. Некоторые из этих свойств являются статическими, такими 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 частицы в системе в любой момент времени, то можно было бы получить всю информацию о частице. На практике это невозможно ни физически, ни практически.

Вместо того чтобы рассматривать энтропию как меру беспорядка, правильнее воспринимать ее как количество недостающей информации, необходимой для определения конкретного микросостояния системы. Это определение энтропии является ключом к пониманию концепции квантовой информации.

В нашей Вселенной энтропия полной физической системы никогда не может уменьшиться, а только увеличиваться или оставаться прежней. Именно поэтому информационный парадокс черной дыры представляет собой настоящую головоломку.

Информация в черной дыре

Что происходит с информацией, попавшей в черную дыру? В теории она может быть закодирована на поверхности самой черной дыры. Однако энтропия черной дыры не позволяет информации сохраняться вечно. Со временем черная дыра исчезает благодаря излучению Хокинга. Но это излучение никак не кодирует информацию, которая изначально была использована для создания черной дыры. Где-то информация была утрачена. Это ключевая загадка, стоящая за информационным парадоксом черных дыр. Эта информация существует, как и энтропия, и она попадает в черную дыру как при ее образовании, так и по мере ее роста. Основной вопрос, который вызывает споры, заключается в том, возвращается ли эта информация обратно или нет.

Метод, которым физики вычисляют, что выходит из черной дыры через излучение Хокинга, за последние 50 лет не претерпел значительных изменений. Для этого используются теория относительности Эйнштейна и квантовая теория. В результате становится известно, что излучение Хокинга имеет температуру, спектр, энтропию и другие свойства, включая тот факт, что оно не кодирует начальную информацию. Со временем черная дыра теряет массу, что приводит к увеличению интенсивности излучения, а также температуры и энтропии излучения, пока черная дыра полностью не исчезнет.

Куда исчезает информация черной дыры?

Так куда же уходит вся первоначальная информация, если она каким-то образом не проявляется в излучении? Или она все же существует в излучении? Рассматриваются три варианта:

• Информация теряется, но это не является проблемой из-за какого-то процесса, который ученые не понимают, и который позволяет утрачивать информацию без парадоксов.
• Несмотря на то, что черные дыры выделяют излучение так, как принято считать, информация не теряется и каким-то образом закодирована в этом излучении, что подразумевает, что физики, вероятно, делают неверные выводы, основываясь на своих предположениях.
• Вполне возможно, что что-то не так с основными предположениями, которые были сделаны при формулировании информационного парадокса, и физики вообще не понимают энтропию черной дыры правильно.

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

Пространство за пределами черной дыры чрезвычайно сложное, даже если рассматривать его как идеализированную, а не реалистичную систему. Важный момент заключается в том, 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, создающие излучение Хокинга, имеют большое значение. Но любые квантовые эффекты, возникающие при рассмотрении пространства как классического фона, которым оно может и не быть, можно игнорировать. Физики используют такой подход для объяснения парадокса Хокинга. Однако он не является полностью правильным.

Парадокс Хокинга так и не решен

Несмотря на периодические и многократные заявления ученых о том, что информационный парадокс черных дыр практически решен, это не так. До сих пор не получены точные ответы на вопросы, касающиеся правильных квантовых свойств для выходящего излучения Хокинга и того, где именно оказывается информация, когда черная дыра полностью распадается. Физики до сих пор не выяснили, сохраняется ли информация черной дыры, и если да, то каким образом?

Хорошая новость заключается в том, что ученые достигли прогресса в решении основного вопроса информационного парадокса черной дыры. Теперь можно с достаточной уверенностью утверждать, что одно из предположений, легших в основу проблемы, является неверным. Нельзя просто рассматривать 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.

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