Исчезновение информации в чёрной дыре
Суть проблемы[править | править код]
Согласно общей теории относительности, чёрная дыра проявляет себя только одним свойством — интенсивностью гравитационного поля, зависящей от массы звезды, которая коллапсировала в данную чёрную дыру. (Кроме того, чёрная дыра может иметь электрический заряд и момент импулься, если таковые имелись у исходной звезды. Но если таковых не было, то других свойств, кроме гравитационного поля, чёрная дыра не может иметь. По этому поводу физики шутят, что «черная дыра не имеет волос»… «Потянув» за которые, её можно было бы обнаружить…) Это означает, что если чёрная дыра поглощает какой-то материальный объект (не обладающий электрическим зарядом и моментом импульса), то все его свойства, кроме массы, полностью исчезают в чёрной дыре, единственное изменение которой при этом состоит в том, что она увеличивает интенсивность своего гравитационного поля пропорционально поглощенной массе. Это противоречит законам квантовой механики, согласно которым квантовые числа объектов (такие как барионный и лептонный заряды) должны сохраняться. К примеру, если одна чёрная дыра поглощает некоторое количество вещества (с нулевым электрическим зарядом и нулевым моментом импульса), а другая чёрная дыра, обладающая такой же интенсивностью гравитационного поля, поглощает такое же количество антивещества (также с нулевым электрическим зарядом и нулевым моментом импульса), то различить их невозможно ником образом, хотя вещество и антивещество имеют противоположные барионный и лептонный заряды.
Тем не менее, это ещё не является проблемой, пока мы остаемся в рамках общей теории относительности (поскольку все эти свойства объектов исчезают только для внешнего наблюдателя чёрной дыры; для внутреннего наблюдателя, пересекшего сферу Шварцшильда, но ещё не столкнувшегося с сингулярностью, они сохраняются). Проблемы начинаются тогда, когда мы учитываем квантовое излучение черных дыр, открытое английским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом в 1973 году. Согласно Хокингу, виртуальные частицы вакуума могут резонировать на сфере Шварцщильда и расходиться в разные стороны на любое расстояние, вплоть до бесконечного. При этом одна из частиц уходит во внешнее пространство чёрной дыры и выходит из сферы её тяготения, а другая частица ускоряется в сторону сингулярности. В результате чёрная дыра теряет массу, испаряется до тех пор, пока полностью не исчезнет из нашей Вселенной. Такое испарение тем более интенсивно, чем меньше масса чёрной дыры. В случае полного испарения чёрной дыры мы получаем нарушение законов сохранения квантовых чисел (поскольку парные значения этих чисел исчезают вместе с чёрной дырой). Получается, что чёрная дыра уничтожила информацию. Прежде всего, информацию о свойствах звезды, которая коллапсировала в данную чёрную дыру. Но что ещё более интересно — информацию о свойствах объектов, которых поглотила данная чёрная дыра.
Возражения[править | править код]
Строго говоря, данная проблема не является парадоксом. Как и ГЗК-парадокс, она является обычной проблемной ситуацией в науке, свидетельствующей о несовершенстве имеющейся теории. В данном случае — общей теории относительности и квантовой механики.
Во-первых, с точки зрения внешнего наблюдателя информация в чёрной дыре не уничтожается, поскольку с его точки зрения любое тело, падающее в чёрную дыру, никогда не достигает сферы Шварцшильда. По мере приближения к ней внутреннее время данного тела все больше замедляется (с точки зрения внешнего наблюдателя), и на некотором малом расстоянии от неё практически останавливается. При этом тело застывает над сферой Шварцшильда, сохраняя все свои свойства, которые внешний наблюдатель, в принципе, может обнаружить (например, если это тело испускает в его сторону электромагнитные волны с энергией, достаточной для того, чтобы преодолеть поле тяготения чёрной дыры). С точки зрения внутренего наблюдателя, конечно, падение данного тела не останавливается, и оно неизбежно пересекает сферу Шварцшильда. При этом информация о состоянии данного тела неизбежно теряется для внешнего наблюдателя. Проблема в том, что никто пока что не смог совместить эти две системы отсчета (то есть системы отсчета внешнего и внутреннего наблюдателей чёрной дыры) непротиворечивым образом. Так, например, внутренний наблюдатель, падающий в чёрную дыру, пересекает сферу Шварцшильда в бесконечный момент времени внешнего наблюдателя. Говорить что-либо о состоянии внешней Вселенной в этот момент времени он (внутренний наблюдатель) не может (поскольку Вселенная в этот момент времени, возможно, вообще перестает существовать), а значит не может говорить и об исчезновении информации о своем состоянии для внешнего наблюдателя.
Во-вторых, черные дыры никто ещё не наблюдал непосредственно, то есть в прямом эксперименте по обнаружению и измерению их свойств (прежде всего, по наблюдаемому падению в них различных объектов). Существуют только немногочисленные кандидаты в черные дыры, зачисленные в таковые по косвенным признакам (прежде всего, по наблюдаемому движению вокруг них видимых звезд). Но все эти признаки можно объяснить и другими причинами (например, движением этих звезд вокруг нейтронных звезд). Между тем, согласно общей теории относительности, черные дыры являются чрезвычайно устойчивыми объектами, и если уж они образовались, то должны сохраняться во Вселенной практически до её конца. Существует множество видимых звезд, которые, теоретически, могли бы коллапсировать в черные дыры. Следовательно, такие звезды могли коллапсировать в черные дыры и раньше, начиная с самых ранних стадий эволиции Вселенной. И это никак не вяжется с тем, что мы наблюдаем в действительности (то есть с немногочисленными, да ещё и сомнительными кандидатами в черные дыры).
Одно из объяснений такого положения дел состоит в том, что черные дыры являются неустойчивыми объектами и исчезают из нашей Вселенной на заключительной стадии гравитационного коллапса. К примеру, гипотеза так называемых кротовых нор рассматривает черные дыры как начало гиперпространственного тоннеля, связывающего нашу Вселенную с какой-то другой вселенной или одну точку нашей Вселенной с другой её точкой. На другом конце такого тоннеля находится так называемая белая дыра, свойства которой противоположны свойствам чёрной дыры — если последняя может только поглошать материю, то первая может её только испускать. Как утверждает общая теория относительности, кротовые норы крайне неустойчивы и исчезают вскоре после своего возникновения.
В связи с этим представляет интерес доклад Стивна Хокинга, сделанный им 21 июля 2004 года на 17-й конференции по гравитации и общей теории относительности. В этом докладе он попытался доказать, что в реальных процессах образования и испарения черных дыр информация не теряется. Ключевой момент доказательства — утверждение о том, что в гравитационном коллапсе не образуется классическая чёрная дыра общей теории относительности. То, что может образоваться в нашем мире — это объект, который только похож на классическую чёрную дыру, но не обладает сингулярностью.
В-четвертых, излучение Хокинга — это достаточно умозрительная гипотеза. Поскольку черные дыры никто ещё не наблюдал непосредственно, то тем более никто не наблюдал и их испарение. Кроме того, резонанс виртуальных частиц вакуума, лежащий в основе излучения Хокинга, может достигать больших амплитуд (выводящих частицы из сферы тяготения чёрной дыры) чрезвычайно редко. Поэтому достаточно интенсивным это излучение может быть только у микроскопических черных дыр. У обычных черных дыр оно практически несуществененно. Но микроскопические черные дыры, согласно общей теории относительности, не могут образовываться в обычном гравитационном коллапсе соответствующих небесных тел — для этого последние обладают недостаточной массой. А в каких процессах могли бы образовываться такие черные дыры — пока не известно…
Прежде чем привести пятое возражение, нужно сделать уточнение. Дело в том, что уничтожение информации в чёрной дыре — это неунитарный процесс, который не может описываться унитарными преобразованиями, лежащими в основе квантовой механики. Любое преобразование свойств частиц в квантовой механике унитарно, что автоматически наделяет парадоксальными свойствами излучение Хокинга. Так вот, в-пятых, требование унитарности уравнений квантовой механики является не таким уж и жестким. Существует Брюссельская интерпретация квантовой механики, (развиваемая школой Пригожина), в которой неунитарность закладывается в квантовую механику изначально (на микроскопическом уровне!), как отражение реально существующей необратимости времени…
Пока все эти нестыковки не объяснены, не имеет смысла переходить к проблеме уничтожения информации в чёрной дыре. Да, такая проблема есть, но — лишь как следствие данных нестыковок…