Судя по всему, Эйнштейн ошибся дважды, когда сказал, что Бог не играет в кости. Бог не только однозначно играет в них, но иногда ещё и запутывает нас, кидая их там, где мы их не можем увидеть.
— Стивен Хокинг
Каждую неделю я просматриваю присланные вами вопросы, и отдаю предпочтение тем, что поддерживает нас через краудфандинг Patreon, особенно когда их вопросы хороши. За неделю до написания статьи прошло объявление о том, что Стивен Хокинг решил информационный парадокс чёрных дыр, хотя работа пока ещё не опубликована. Наш читатель и спонсор Дениер хочет знать:
Как теория Хокинга о хранении чёрными дырами информации на оболочке горизонта событий отличается от того, что Сасскинд говорил много лет назад? Неужто Хокинг повёл себя, как Стив Джобс и объявил новым то, что на Android уже давно появилось? Или это действительно что-то новое?
Чёрные дыры (ЧД) – это интересные объекты, так что вернёмся к началу и поговорим о том, что представляет собой этот парадокс.
С одной стороны, ЧД, в теории, довольно легко создать. Нужно всего лишь поместить достаточно массы (или энергетического эквивалента, согласно E = mc2) в достаточно малый район пространства, и вот оно! Обычно массивная звезда с коллапсирующим ядром, не способным сдерживать себя под действием гравитации – лучший способ это сделать. Если начать со звезды в 20 раз массивнее Солнца, то когда она закончит существование во взрыве сверхновой типа II, от неё останется ЧД.
Со временем ЧД могут либо поглотить больше вещества, либо объединяться с другими объектами (в т.ч. и ЧД) и расти. У некоторых галактик, в частности, у нашей, в центре есть ЧД массой в миллионы солнечных, а самые крупные из них могут достигать миллиардов и даже десятков миллиардов солнечных масс.
Но глядя на ЧД снаружи, мы не можем узнать, как она появилась. Насколько мы знаем, у ЧД можно различить очень мало свойств:
• Массу,
• Электрический заряд,
• Угловой момент (спин).
И всё!
Это может вас насторожить. Если сделать ЧД только из нейтронов, её информация должна отличаться от ЧД, сделанной из антинейтронов, или от той, что состоит из смеси электронов и позитронов. Ведь «барионное число» – важная часть информации квантового мира, и если у ЧД барионное число будет 1058, у другой ноль, у третьей -1058, эта информация где-то должна сохраниться.
В самом деле существует шанс её сохранения. Представьте, что у вас есть ЧД, и в неё что-то упало. Протон, антипротон, фотон, два фотона… Может, даже человек!
Падая, эта вещь увеличивает массу ЧД, а её информация кодируется на поверхности горизонта событий ЧД. Хотя наблюдатель (частица, фотон, человек), падая в дыру, не заметит пересечения горизонта, сторонний наблюдатель увидит у него увеличивающееся красное смещение, он будет становиться темнее и краснее, но горизонт никогда не пересечёт. Вместо этого их информация кодируется на поверхности ЧД, где и сохраняется, вероятно, вечно.
Так что, если бы ЧД были вечными, никакого информационного парадокса не существовало бы. Нечто падает внутрь, и информация о том, что это было, кодируется на поверхности ЧД.
Но затем необходимо обратиться к квантовому миру, где и родилась проблема. Видите ли, ЧД – источники сильнейшей гравитации, поскольку вся их масса упакована в небольшой объём. В результате пространство вокруг ЧД чрезвычайно искривлено, а квантовая Вселенная ведёт себя в искривлённом пространстве не так, как в плоском.
В частности, одним из свойств плоского пространства является ненулевая квантовая энергия: пары частица-античастица возникают и пропадают. При нормальных условиях они существуют очень короткое время, а затем реаннигилируют и исчезают в вакууме. Сравнение состояний «до» и «после» разницы не выявит. Но в искривлённом пространстве такие пары частица-античастица могут возникнуть на разных сторонах горизонта событий. При правильных условиях – редких, но возможных – вы получите небольшой низкоэнергетический квант излучения, испускаемый в результате этого, при этом частица из одной виртуальной пары аннигилирует с античастицей из другой пары, что в результате и приводит к возникновению излучения чёрного тела.
Процесс медленный и долгий: для испарения ЧД солнечной массы потребуется 1067, а для сверхмассивной — 10100 лет, но Вселенная терпеливая и времени у неё полно. В итоге от ЧД не останется ничего, лишь море теплового излучения чёрного тела. Благодаря этому излучению – излучению Хокинга – ЧД исчезает.
Но что хуже всего, у этого излучения отсутствует информация о том, что падало в ЧД. В этом и состоит парадокс информации ЧД: информация попадает в ЧД, но со временем теряется. Так как информация не должна так вот просто пропадать, у нас получается парадокс.
Обычно предполагается, что информация сохраняется. До сих пор никто не знал, как именно, хотя идеи и были. Предполагалось, что информация с поверхности ЧД как-то кодируется в исходящем излучении Хокинга. Стивен Хокинг, совместно с Малькольмом Перри и Эндрю Стромингером, предположил, что всё дело в одном из свойств теории струн, под названием сверхтрансляции.
Сверхтрансляция, проще говоря, основывается на том, что классический вакуум в общей теории относительности сильно вырожден. Могут существовать различные состояния вакуума с одинаковыми свойствами, то есть, неотличимые друг от друга. Различные вакуумы, соответствующие различным состояниям, соотносятся друг с другом при помощи нарушенной симметрии, определённой Бонди, ван дер Бургом и Метцером ещё в 1962 году. Эти нарушенные симметрии – и есть сверхтрансляции, изучаемые Стромингером, и они могут описать распространение изменений в гравитационном поле.
В апреле 2014 Хокинг услышал доклад Стромингера, и решил, что из него вытекает, что падающие на горизонт ЧД частицы вызывают сверхтрансляции, а эти сверхтрансляции могут отображаться на исходящем излучении Хокинга. Это и будет описано в работе.
Но между наличием идеи и признанием этой идеи решением проблемы есть большая разница, и у нас пока есть всего лишь идея. К примеру, появились кое-какие новые уточнения:
• В работе описывается классическая картина, не учитывающая такую квантовую информацию, как барионные числа.
• Предполагается бесконечное количество зарядов, а не реальное их количество для ЧД, следующее из энтропии Бекенштейна-Хокинга.
• Отсутствует квантовая версия упомянутых симметрий или сверхтрансляций.
• Отсутствует квантовая версия передачи информации в исходящее излучение – это просто идея.
Кроме того, Сабина Хоссенфелдер [Sabine Hossenfelder], работающая над квантовой гравитацией в искривлённых пространствах, обеспокоена следующим:
Меня беспокоит то, что если взглянуть на картину с квантовой точки зрения, BMS-заряды (Bondi-Metzner-Sachs) в бесконечности окажутся запутанными с зарядами, падающими в ЧД, в результате чего парадокс информации ЧД вновь возникнет.
Так что, да, Дениер, Хокинг придумал новую штуку насчёт информационного парадокса ЧД. Но это вряд ли можно назвать решением парадокса. Поэтому нельзя сказать, что парадокс разрешён. Можно отметить, что была предложена новая идея его разрешения, находящаяся в зародышевом состоянии.
По моему мнению, если бы эту идею предложил человек, которого звали бы не Стивен Хокинг, на неё бы мало кто обратил внимание, поскольку её пока можно назвать лишь зародышем, искрой возможности. Но она стоит дальнейших исследований – хотя и большинство подобных идей в результате не оправдываются. Возможно, что из неё что-либо вырастет, но пока кто-нибудь не проработает всю теоретическую часть от начала и до конца, нет смысла считать, что с парадоксом в обозримом будущем будет покончено.
Комментарии (24)
Alexsandr_SE
07.11.2016 18:10Дыра испаряется, но пока есть горизонт событий информация остаётся, при исчезновении горизонта события (знак бесконечности исчезает?) информация освобождается. аналогично если горизонт события уменьшается в диаметре. У нас получается проблема в том, что дыра испаряется без информации о содержимом?
vedenin1980
07.11.2016 18:38Да, квантовая физика запрещает потерю «информации». Если бы дыра просто была сама по себе можно было предполагать что информация внутри есть просто мы её не можем наблюдать, но вот безвозвратной потеря «информации» быть не должно, это значит что либо не верно наше знание процессов квантовой физика или мы что-то не знает о ЧД.
zookko
07.11.2016 19:27Но ведь по сути, мы и так о них ничего не знаем — есть только предположения, повторяемого эксперимента для подтверждения пока нет у нас.
napa3um
07.11.2016 19:59«Повторяемым экспериментом» в теоретической физике часто является вычислительный. Считаем по разным формулам, получаем один результат, делаем вывод, что «эксперимент» удался. Конечно, рано или поздно развивающаяся физическая теория обязана (согласно научному методу) выдать предсказания, которые можно проверить и физическим опытом, а не только вычислениями. Иначе теория получится не физическая, а метафизическая.
saboteur_kiev
07.11.2016 20:20Если я положил в стакан ледяную фигурку бэтмена и ледяную фигурку супермена одинакового веса, подожду и смешаю одного миксером, а второго ложкой, затем выжду, пока колебания успокоятся.
Как, теоретически, можно извлечь из них информацию, и понять кто есть кто?
Я никак не могу понять, почему смешать в черной дыре что-то, означает парадокс и чем это отличается от вышеприведенного примера.napa3um
07.11.2016 20:34Если у Бэтмена и Супермена различные квантовые параметры, то в результате и смеси с водой получатся измеримо разные. Это и отличает квантовые параметры системы от «классических» (потеря квантового параметра — это когда из 2*2 вдруг получилось -4, а не 3.99999, как в классических измерениях и потерях).
saboteur_kiev
07.11.2016 23:04Обе фигурки изо льда. Если вы пытаетесь сложить 2*2, то ЧТО ИМЕННО? капли? молекулы? электроны?
А если вода не дистилированная, то в ней будут происходит химические реакции.
Так и с ЧД — вполне возможно, что условия внутри полностью разрушают структуру того, что в нее попадает. Не информацию, а ее структуру — составные части никуда не деваются, просто деляться на минимально возможные (фотоны? бозоны? кварки? etc)
Пока что я не понял, в чем именно парадокс.vedenin1980
08.11.2016 01:19Проблема в том что предположим что в одна фигурка, получилась из льда небольшой примесью свинца, в вторая, получилась из льда с небольшой примесью золота. А вот результат смеси это чистый лед без всяких примесей.
С точки зрения квантовой физики в ЧД нарушается закон сохранения квантовых чисел, а это примерно равносильно превращению свинца в золото используя только миксер.Ну или что в вашем миксере будут нарушаться законы сохранения энергии или массы.
В теории это все возможно, но это значит, что современную квантовую механику можно списать в утиль, как неработающую теорию, так как она не позволяет нарушать этот закон сохранения. Это равносильно что в ЧД нарушались бы законы сохранения энергии или массы.saboteur_kiev
08.11.2016 02:00Если результат смеси — чистый лед без примесей, но с весом, который соответствовал весу с примесями — то нет ничего. Все было разобрано на какие-нибудь кварки, потом собрано в дистилированную воду. Ничего лишнего не пропало, ничего нового не получилось.
Другими словами — я вполне верю, что в определенных условиях (а внутри ЧД условия, которые даже гипотетически описать сложно), частицы могут разлагаться на составные части, а те на свои составные части. А покидая ЧД, они будут складываться назад, но в этом процессе они теряют изначальную структуру.
При этом потери именно массы с энергией не происходит.
mihailfilatov
08.11.2016 08:38У этого чистого дистилята будет уникальный набор атомов, состоящий из разных протонов, нейтронов и электронов с разными спинами, энергией и массой, как бы тщательно вы бэтмена не расчленяли
Delics
07.11.2016 23:34+1Я читал Хокинга в оригинале.
Удивительно, но там он говорит о совсем другом «информационном парадоксе», который ему приписывают.
Нет никакой проблемы с потерей информации о частице, попавшей в черную дыру.
Проблема как раз в другой частице — той, что «испарилась» с границы горизонта событий. Хоть эта частица и не попадает в черную дыру, информация о её спине, энергии и пр — теряется.
Это и есть парадокс Хокинга.
Любопытно, получается, Итан комментирует не оригиналы, а научпоп перепечатки.
napa3um
07.11.2016 19:54Может быть, парадокс решается не на уровне спекуляций с симметриями и трансляциями (ЧД — лишь частность, потерю информации можно и без ЧД сформулировать, например, улетающим в расширяющееся пространство фотоном, который будет вечно лететь к «границе», но никогда её не достигнет), а путём формализации онтологии физических законов, информация о параметрах которых и считается «исчезающей/неисчезающей». Ведь на уровне гипотетической «вселенской волновой функции», описывающей все возможные эволюции вселенной начиная от точки сингулярности, «глобальная» информация никогда никуда не девается, даже если какая-то локальная физическая структура внутри вселенной безвозвратно сгинет в чёрной дыре. Вся информация вселенной в физическом смысле заключается только в «номере» актуальной траектории эволюции вселенной, отличном от всех остальных номеров потенциальных траекторий («номер актуальной вселенной»). Этот номер и «хранит» (правда, уже не физически, а математически, в духе демона Лапласа) в себе всю информацию о безвозвратно уничтоженной в ЧД физической структуре (ведь в этом конкретном «номере вселенной» «предусмотрена» только такая судьба этой структуры). Подозреваю, что мой философский манёвр требует усложнения («глобализации») определений детерминизма и необратимости в физических процессах, чтобы «судьбы» фрагментов вселенной стали объективным и измеримым явлением (т.е., физически содержащим информацию, которую можно извлечь). Или на пути к этой формализации прийти к её невозможности (и, следовательно, обосновать несостоятельность закона об неуничтожимости «локальной» информации).
Rikkitik
07.11.2016 21:03+1Напоминает архиватор Бабушкина. Хорошо описан здесь:
Подам отличную идею — уже сейчас делить разные числа одно на другое, конвертить остатки в avi и смотреть еще не вышедшие фильмы :)
napa3um
07.11.2016 21:13Вам его будет напоминать любое сведение информации о конфигурации системы к порядковым номерам, видимо. Хотя само по себе это сведение в архиваторе Бабушкина проблемой не является. Проблемой в нём является то, что номер этот занимает больше места, чем исходная информация, и на его подбор требуются триллиарды лет. Однако ж мои рассуждения в контексте детерминированной вселенной не требуют вычисления этого номера, это лишь способ постулировать перечислимость (счётность) этих номеров. По сути, это определение фазового пространства всей вселенной всего лишь.
Arxitektor
07.11.2016 22:23-1Как я понял температура излучения черной дыры зависит от массы.
Значит ли это что существуют настолько массивные черные дыры что они растут поглощая фотоны реликтового излучения? И чем массивнее черная дыра тем при меньшей температуре она начнет испаряться?
Если расширение будет продолжиться вечно то даже дыры массой великого акретора всё равно испаряться.
Но на это уйдет просто бездна времени но у вечности его все равно слишком много и она умеет ждать )
Если предположим осталось одно излучение и процес расширения пошел в обратном направлении
то температура начнет расти плотность излучения тоже настанет момент когда плотность достигнет достаточной величина для образования королевы всех черных дыр.
Но у неё будет очень низкая плотность. Вроде у черных дыр есть такая особенность чем больше массы тем ниже её плотность объём под горизонтом событий /
Но пространство продолжит сжиматься… ))
И что тогда будет ведь черную дыру сжать вроде нельзя ??
Новый большой взрыв?
DrZlodberg
08.11.2016 09:38Давно пытаюсь понять момент с виртуальными частицами и излучением. Ведь при аннигиляции должны получаться фотоны? И почему при добавлении массы в ЧД её масса уменьшается? Или виртуальные частицы изначально состоят из непонятной отрицательной энергии (по логике да, если они получаются из вакуума, но понимания это не облегчает)
Или они и есть неуловимая тёмная энергия? Что частично подходит, поскольку они, судя по всему, взаимодействуют с окружением только гравитационно и сами с собой взаимодействовать не могут, т.к. не существуют достаточно долго.
Arxitektor
08.11.2016 10:28Есть пара виртуальных частиц. Они родились и тут же исчезли может аннигилировали может еще что.
Но в реальном мире следов не осталось ничего не берётся из ниоткуда закон сохранения энергии.
Но при очередном событии (появление пары частиц) 1 из частиц появилась под горизонтом событий.
Вторая над и смогла аннигилировать с частицой из другой пары а может и из нашего мира.
В результате мы имеем нарушение закона сохранения энергии.
Для предотвращения этого масса черной дыры уменьшается на энергию появившуюся в результате события.
Я не знаю какие частицы рождаются при кипении вакуума вблизи горизонта событий.
Но как я понимаю чем менее массивна черная дыра тем интенсивнее происходят события.
И как я понял энергия родившихся квантов тоже растёт.
Arxitektor
08.11.2016 10:42Хочу задать вопрос Итану.
Как я понял плотность сингулярность бесконечна.
Откуда это следует?
как я понял есть так называемые планковские черные дыры.
То есть может существовать предел плотность вещества например равный плотности планковской черной дыры.
И в центре черной дыры находиться сгусток энергии с колоссальной но не бесконечной плотностью. 10^94 кг/м3vedenin1980
08.11.2016 11:35Это перевод, чтобы задать вопрос Итану нужно писать на английском и на авторском сайте.
Но плотность сингулярности бесконечна потому что пространство и время внутри сингулярности вырождается в бесконечно малую точку с бесконечно малой плотностью (собственно там не работают понятия пространства и времени). Нет, это не планковская ЧД, это именно сингулярность в центре ЧД (впрочем, существование подобных сингулярностей спорно).
Следует бесконечность плотности из определения сингулярности, так как сингулярность это бесконечно малая точка пространства, то и плотность математически должна быть бесконечно большой (если такая сингулярность вообще существует, конечно).
HedgeInSmog
Объясните нетямущему, реальна ли такая картина:
Постепенно огромное количество звезд превратится в черные дыры, которые, в свою очередь, могут объединиться в сверхмассивные ЧД. Будут ли они дальше собираться в одну супермассивную ЧД, препятствуя расширению вселенной и постепенно поглощая всё доступное вещество? А дальше Большой взрыв (или просто постепенное рассеивание ЧД) и все по новой...?
vedenin1980
Нет, не реальна. Расширение вселенной слишком сильно и все время ускоряется. Гравитация слишком слабая сила на дальних расстояниях, ни одна такая гиганская ЧД не сможет притянуть, например, нашу галактику.
Есть такая штука как Великий аттрактор, он притягивает нашу галактику, но скорость расширения Вселенной все равно много выше. Вот в пределах Великого аттрактора вполне возможно большинство галактик сольются в гигантскую ЧД, но её судьба будет такой же как и всех других ЧД — испариться под действием излучения Хокинга через бездну лет.
HedgeInSmog
Спасибо, разобрался. Просто как раз фраза из Википедии про Великий аттрактор
и привела меня к такой идеи.
Mad__Max
Однако там же написано, что несмотря на то что этот неизвестный объект (что это такое до конца еще не ясно — наша собственная галактика закрывает его прямые наблюдения) очень сильно притягивает и нас и все ближайшие галактики, мы все равно удаляемся от него.
Потому что расширение вселенной (как считается на данный момент из-за темной энергии) проходит быстрее, чем гравитационное притяжение даже таких сверхтяжелых объектов как Великий аттрактор собирает материю вместе.
Например для нашей галактики расстояние до него составляет около 65 миллионов парсек (250 млн. световых лет). А это значит пространство между нами расширяется со скоростью порядка 65*68 = 4420 километров в секунду (постоянная Хаббла около 68 км/с на мегапарсек).
Это намного больше чем скорость придаваемая окружающим галактикам его гравитационным притяжением(порядка нескольких сотен км/с), так что несмотря на то что наша и соседние галактики летят в его сторону расстояние до него со временем только увеличивается.
Прямо как у Черной королевы из Алисы в стране чудес: нужно очень быстро бежать, чтобы хотя бы оставаться на одном месте. Ну вот в случае великого аттрактора — бежим недостаточно быстро, чтобы хотя бы начать сближаться с ним.
Ну а то что написано в цитате — это так называемые пекулярные скорости — скорости без учета расширения пространства.