Исчезновение информации в чёрной дыре
Исчезновение информации в чёрной дыре — предположение, допускающее факт того, что информация может исчезать в чёрных дырах.
Общая информация[править]
Согласно общей теории относительности, черная дыра проявляет себя интенсивностью гравитационного поля, зависящей от массы звезды, которая коллапсировала в данную черную дыру. Кроме того, черная дыра может иметь электрический заряд и момент импулься, если таковые имелись у исходной звезды.
Это означает, что если черная дыра поглощает какой-то материальный объект (не обладающий электрическим зарядом и моментом импульса), то все его свойства, кроме массы, полностью исчезают в черной 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 черная дыра поглощает некоторое количество вещества (с нулевым электрическим зарядом и нулевым моментом импульса), а другая черная 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. В рамках общей теории относительности это не является проблемо (поскольку все эти свойства объектов исчезают только для внешнего наблюдателя черной дыры; для внутреннего наблюдателя, пересекшего сферу Шварцшильда, но еще не столкнувшегося с сингулярностью, они сохраняются).
Но, если учитывать квантовое излучение черных дыр, открытое английским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом в 1973 году, 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 черной дыры и выходит из сферы ее тяготения, а другая частица ускоряется в сторону сингулярности. В результате черная дыра теряет массу, испаряется до тех пор, пока полностью не исчезнет из нашей Вселенной. Такое испарение тем более интенсивно, чем меньше масса черной дыры. В случае полного испарения черной дыры получается нарушение законов сохранения квантовых чисел (поскольку парные значения этих чисел исчезают вместе с черной дырой).
Создаётся впечатление, что чёрная дыра уничтожила информацию о свойствах звезды, которая коллапсировала в данную черную дыру и о свойствах объектов, которых поглотила данная черная дыра.
Возражения[править]
Данная проблема не является парадоксом. Как и ГЗК-парадокс, она является обычной проблемной ситуацией в науке, свидетельствующей о несовершенстве общей теории относительности и квантовой механики.
Во-первых, с точки зрения внешнего наблюдателя информация в черной дыре не уничтожается, поскольку с его точки зрения любое тело, падающее в черную 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 нее 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 черной дыры). С точки зрения внутреннего 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 черной дыры) непротиворечивым образом. Так, например, внутренний наблюдатель, падающий в черную 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 еще 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 ее 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 эволюции Вселенной. И это никак не вяжется с тем, что мы наблюдаем в действительности (то есть с немногочисленными, да еще 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 ее точкой. На другом конце такого тоннеля находится так называемая белая дыра, свойства которой противоположны свойствам черной дыры — если последняя может только поглошать материю, то первая может ее только испускать. Как утверждает общая теория относительности, кротовые норы крайне неустойчивы и исчезают вскоре после своего возникновения.
В связи с этим представляет интерес доклад Стивена 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 черная дыра общей теории относительности. То, что может образоваться в нашем мире — это объект, который только похож на классическую черную дыру, но не обладает сингулярностью.
В-четвертых, излучение Хокинга — это достаточно умозрительная гипотеза. Поскольку черные дыры никто еще 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 черной дыры) чрезвычайно редко. Поэтому достаточно интенсивным это излучение может быть только у микроскопических черных дыр. У обычных черных дыр оно практически несущественно. 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 черной 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.
Ссылки[править]
- Природа пространства и времени. http://www.scientific.ru/journal/hawking_penrose/hp.html
- Сколько ангелов может танцевать на булавочной головке? http://www.scientific.ru/journal/translations/angel.html
