Вы, наверно, думаете, что для того, чтобы вырваться из гравитационного притяжения нашей Земли, нужно очень много энергии. Но притяжение нашей планеты ничто по сравнению со многими другими объектами Вселенной. Даже такие вещи, как Солнце, целая галактика или нейтронная звезда меркнут перед небольшим, компактным районом космоса, наполненным таким количеством материи и энергии, что вам пришлось бы двигаться быстрее света, чтобы вырваться из его гравитации. Это и есть чёрная дыра — район, где гравитация так сильна, что ничто, даже свет, не сможет вырваться оттуда.
Чёрная дыра, возникающая обычно после коллапса сверхмассивного ядра звезды, неизбежно схлопывается в сингулярность, условий которой никакая материя, включая элементарные частицы, не смогут выдержать. Несколько пространственных измерений сворачиваются в точку или кольцо, и известные законы физики перестают работать.
Проблема чёрных дыр связана с информацией, падающей в них. По нашим представлениям, во Вселенной существуют конкретные свойства материи и энергии, содержащие информацию. Частица вроде протона или электрона имеет не только массу, электрический заряд и спин, но и квантовые свойства – барионное число, лептонное число, слабый гиперзаряд, цветной заряд и квантовую запутанность, связывающую частицы. Если вы создадите чёрную дыру из кучи частиц (обычно для этого нужно 1058 частиц), и у каждой будут свои особые свойства,– причём, это могут быть не только протоны и электроны, но и нейтроны, фотоны, нейтрино, антинейтрино, позитроны, и прочие,– то их информация должна неким осмысленным образом попасть в чёрную дыру.
Но чёрные дыры ничего этого не помнят. Судя по всему, они описываются лишь массой (определяемой суммарным количеством массы и энергии, которую они поглотили), электрическим зарядом и угловым моментом (описывающим их спин).
Так куда девается вся информация? Чёрная дыра, возникшая из коллапса обычной звезды, по закодированной внутри информации в принципе должна очень сильно отличаться от дыры, произошедшей от звезды, состоящей из антиматерии — и всё же, эта информация не оказывается закодированной в чёрной дыре! Если взять две идентичные чёрные дыры, добавить в одну кучу нейтронов, а в другую – равную смесь протонов с электронами, так, чтобы их массы сравнялись, у них должны были бы быть разные свойства, поскольку они должны были бы содержать разные барионные и лептонные числа. Но известно, что никакой разницы между ними не будет. Невозможно будет различить их.
Можно решить, что спасение содержит в себе горизонт событий, поскольку эта граница, за которую не может выйти свет, кажется «замороженной» в том смысле, что всё, что упадёт на него, навсегда останется в виде закодированной информации на поверхности. Это её свойство было открыто в 1939 году. Но в 1974 году Стивен Хокинг показал, что это не так. На длительных промежутках времени квантовая сущность Вселенной и тот факт, что в искривлённом пространстве горизонта событий происходят флуктуации частиц и античастиц, означают, что чёрные дыры будут излучать как абсолютно чёрное тело, что в итоге приведёт к их испарению.
И это является большой проблемой современной физики, поскольку та квантовая информация, которая попадает в чёрную дыру, должна сохраняться по фундаментальным законам. Но то, что исходит из чёрной дыры, — излучение абсолютно чёрного тела, — не содержит никакой информации!
Вот вам и парадокс. Как его решить? Физики считают, что существует некий неизвестный нам способ (возможно, требующий квантовой теории гравитации), который всё-таки кодирует информацию, «замороженную» на горизонте событий, в исходящем излучении. Но кодирует ли? И если да, то как? Никто не знает. Недавнее объявление Стивена Хокинга было небольшим шагом к ответу на этот вопрос, и, скорее всего, тупиковой ветвью развития идеи – как и большинство гипотетических идей на этом поприще.
Как только появляется конфликт между предсказаниями теорий:
то он представляет угрозу научному развитию. Этот парадокс являет собою проблему, поскольку он говорит, что наше текущее представление о чём-либо неполно. Есть ли новый закон физики? Есть ли новое приложение известных законов, которое мы пропустили? Или же эти свойства всё-таки не сохраняются? Кодируется ли информация в конечном состоянии? Прояснит ли этот вопрос квантовая гравитация?
Мы надеемся, что получим ответ на эти вопросы. А пока наличие парадокса означает, что у нас есть проблема, и значит, нам есть, чему учиться. И для всех интересующихся научными истинами о Вселенной это является доказательством того, что есть ещё много всего, что нам предстоит понять.
Чёрная дыра, возникающая обычно после коллапса сверхмассивного ядра звезды, неизбежно схлопывается в сингулярность, условий которой никакая материя, включая элементарные частицы, не смогут выдержать. Несколько пространственных измерений сворачиваются в точку или кольцо, и известные законы физики перестают работать.
Проблема чёрных дыр связана с информацией, падающей в них. По нашим представлениям, во Вселенной существуют конкретные свойства материи и энергии, содержащие информацию. Частица вроде протона или электрона имеет не только массу, электрический заряд и спин, но и квантовые свойства – барионное число, лептонное число, слабый гиперзаряд, цветной заряд и квантовую запутанность, связывающую частицы. Если вы создадите чёрную дыру из кучи частиц (обычно для этого нужно 1058 частиц), и у каждой будут свои особые свойства,– причём, это могут быть не только протоны и электроны, но и нейтроны, фотоны, нейтрино, антинейтрино, позитроны, и прочие,– то их информация должна неким осмысленным образом попасть в чёрную дыру.
Но чёрные дыры ничего этого не помнят. Судя по всему, они описываются лишь массой (определяемой суммарным количеством массы и энергии, которую они поглотили), электрическим зарядом и угловым моментом (описывающим их спин).
Так куда девается вся информация? Чёрная дыра, возникшая из коллапса обычной звезды, по закодированной внутри информации в принципе должна очень сильно отличаться от дыры, произошедшей от звезды, состоящей из антиматерии — и всё же, эта информация не оказывается закодированной в чёрной дыре! Если взять две идентичные чёрные дыры, добавить в одну кучу нейтронов, а в другую – равную смесь протонов с электронами, так, чтобы их массы сравнялись, у них должны были бы быть разные свойства, поскольку они должны были бы содержать разные барионные и лептонные числа. Но известно, что никакой разницы между ними не будет. Невозможно будет различить их.
Можно решить, что спасение содержит в себе горизонт событий, поскольку эта граница, за которую не может выйти свет, кажется «замороженной» в том смысле, что всё, что упадёт на него, навсегда останется в виде закодированной информации на поверхности. Это её свойство было открыто в 1939 году. Но в 1974 году Стивен Хокинг показал, что это не так. На длительных промежутках времени квантовая сущность Вселенной и тот факт, что в искривлённом пространстве горизонта событий происходят флуктуации частиц и античастиц, означают, что чёрные дыры будут излучать как абсолютно чёрное тело, что в итоге приведёт к их испарению.
И это является большой проблемой современной физики, поскольку та квантовая информация, которая попадает в чёрную дыру, должна сохраняться по фундаментальным законам. Но то, что исходит из чёрной дыры, — излучение абсолютно чёрного тела, — не содержит никакой информации!
Вот вам и парадокс. Как его решить? Физики считают, что существует некий неизвестный нам способ (возможно, требующий квантовой теории гравитации), который всё-таки кодирует информацию, «замороженную» на горизонте событий, в исходящем излучении. Но кодирует ли? И если да, то как? Никто не знает. Недавнее объявление Стивена Хокинга было небольшим шагом к ответу на этот вопрос, и, скорее всего, тупиковой ветвью развития идеи – как и большинство гипотетических идей на этом поприще.
Как только появляется конфликт между предсказаниями теорий:
- что существуют свойства, которые должны сохраняться
- и что финальное состояние системы содержит отличные значения этих свойств по сравнению с начальным состоянием
то он представляет угрозу научному развитию. Этот парадокс являет собою проблему, поскольку он говорит, что наше текущее представление о чём-либо неполно. Есть ли новый закон физики? Есть ли новое приложение известных законов, которое мы пропустили? Или же эти свойства всё-таки не сохраняются? Кодируется ли информация в конечном состоянии? Прояснит ли этот вопрос квантовая гравитация?
Мы надеемся, что получим ответ на эти вопросы. А пока наличие парадокса означает, что у нас есть проблема, и значит, нам есть, чему учиться. И для всех интересующихся научными истинами о Вселенной это является доказательством того, что есть ещё много всего, что нам предстоит понять.
