Различные варианты судьбы Вселенной, среди которых наш реальный вариант с ускорением показан справа
Возможно, крупнейший сюрприз, связанный с нашей Вселенной, ждал нас в конце XX века: тогда было сделано открытие тёмной энергии и ускоренного расширения. Самые удалённый от нас галактики Вселенной вовсе не притягиваются к нам из-за гравитации, а с ускорением удаляются от нас со всё возрастающими скоростями, и им суждено исчезнуть из поля нашего зрения. Но не создаёт ли это некую форму информационного парадокса? Один из наших читателей спрашивает:
Расширение вселенной означает, что наш горизонт видимости отступает – за ним постоянно исчезают из виду удалённые объекты. Из этого вроде бы следует, что мы теряем информацию о вселенной. Так почему идея о потере информации за горизонтом событий чёрной дыры вызывает столько споров, если мы постоянно теряем информацию за другим горизонтом?Это довольно многогранный вопрос, так что начнём с ускоряющегося расширения Вселенной.
После Большого взрыва Вселенная была почти идеально однородной, и быстро расширялась, будучи заполненной материей, энергией и излучением
Если вы захотите представить раннюю Вселенную, вам нужно будет нарисовать в своём воображении нечто очень сильно отличающееся от сегодняшней картинки. Вместо звёзд и галактик, разделённых огромными космическими расстояниями, где есть практически только пустота, молодая Вселенная была горячей, плотной, заполненной материей и излучением, и чрезвычайно быстро расширялась. С удивительной скоростью Вселенная становилась менее плотной, и в среднем все частицы разлетались друг от друга. Но со временем это расширение замедлилось, и гравитационное воздействие материи и энергии пыталось заново сжать Вселенную.
Если бы у Вселенной была лишь немногим большая плотность (красный), она бы уже сжалась обратно. Если бы она была чуть менее плотной, она бы расширялась быстрее и стала бы гораздо крупнее (зелёный).
Гонка была напряжённой, и если бы во Вселенной совсем немного нарушился баланс, она бы могла расшириться, не дав сформироваться звёздам и галактикам, или же сжалась бы обратно, что привело бы к фантастическому Большому сжатию. Но ни одной из этих возможностей реализовано не было. Миллиарды лет всё выглядело так, что Вселенная была почти ровно посередине между ними, демонстрируя критический случай, в котором она бы и не расширялась вечно, и не сжималась бы вновь. Вместо этого скорость расширения асимптотически стремилась бы к нулю.
Четыре возможных судьбы Вселенной, самый нижний пример лучше всего соответствует нашим данным: Вселенная с тёмной энергией
Но всё поменялось в 1990-х. Пронаблюдав за удалёнными сверхновыми и измерив, как Вселенная расширялась миллиарды лет, астрономы обнаружили нечто удивительное, загадочное и неожиданное. После порядка семи миллиардов лет уменьшения скорости расширения, когда гравитация боролась с давлением, изначально оказанным Большим взрывом, удалённые галактики перестали замедляться в своём удалении от нас. Они начали делать это ускоренно, и улетают всё быстрее и быстрее. Это ускоренное расширение Вселенной не только продолжалось после этого, но и позволило нам предсказать удалённое будущее дальних краёв Вселенной. И в нём нет ничего хорошего.
Наблюдаемая (жёлтый) и достижимая (фиолетовый) части Вселенной, являющиеся таковыми благодаря расширению пространства и энергетическим компонентам Вселенной.
Галактики удалённые от нас более, чем на 15 млрд световых лет, уже недостижимы для нас. Испускаемый нами свет, сейчас, через 13,8 млрд лет после Большого взрыва, никогда их не достигнет, а испускаемый ими свет никогда не достигнет нас. Если изучить всю наблюдаемую Вселенную, окажется, что практически 97% всех галактик в ней уже находятся в таком положении. Они навсегда останутся недостижимыми для нас, даже если бы сегодня отправились к ним со скоростью света.
Но означает ли это, что информация исчезает? Мы, возможно, и не сумеем достичь этих галактик, но эквивалентно ли это потере информации о них?
Удалённые галактики, например те, что находятся в галактическом скоплении Геркулес, с ускорением удаляются от нас. В результате в какой-то момент времени мы перестанем принимать их свет
Не совсем. Со временем самые удалённые галактики будут исчезать в практическом смысле, но не в абсолютном. Физические галактики могут исчезнуть, но информация о них продолжит существование в нашей Вселенной. Фотоны, покинувшие удалённую галактику давным-давно, растягиваются из-за расширения Вселенной. Длины их волн растут, энергия падает, и количественная плотность фотонов уменьшается. Но со временем информация от тех удалённых галактик продолжает прибывать к нам, и в удалённом будущем даже появятся звёзды и галактики, чей свет мы сможем увидеть впервые.
Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас из-за расширения, и тем больше её света испытывает красное смещение
Информация ни в каком смысле не уничтожается; мы просто с какого-то момента не получаем информации об этих галактиках. Космический горизонт отдаляется от нас, но даже когда галактики уходят из доступного нам пространства, не происходит никакой потери информации, существовавшей до этого с нашей точки зрения. Она остаётся во Вселенной, в принципе доступная для достаточно большой обсерватории, работающей на правильной длине волны. Чтобы увидеть её через 100 млрд лет, вам может понадобиться телескоп, размером с галактику – но информация никуда не денется.
Аналогия с чёрной дырой, кстати, почти идеальная – если бы не квантовая физика, она вела бы себя почти так же, как наша Вселенная.
Когда что-либо падает в чёрную дыру, информация сохраняется на поверхности горизонта событий. Это сравнимо с галактикой, вытолкнутой за космический горизонт, с которой после этого ничего не происходит
Кинув книжку в чёрную дыру, вы просто добавляете чёрной дыре массу, из-за чего горизонт событий растёт. Но для информации это не проблема; более крупная и массивная ЧД содержит в себе больше информации в закодированном виде. В частности, информация о содержимом книги – хотя и не в таком виде, из которого её можно восстановить – кодируется на горизонте событий ЧД. С нашей точки зрения, когда мы находимся снаружи ЧД, книге, на то, чтобы упасть, требуется бесконечное, асимптотически долгое время, что означает, что если мы можем измерять фотоны с вызванным гравитацией красным смещением достаточно долго, мы можем не прерывать доступ к информации, содержащейся в книге.
На больших временных промежутках чёрные дыры сжимаются и испаряются благодаря излучению Хокинга. Тогда и происходит потеря информации, поскольку в излучении не содержится информации, которая когда-то была закодирована на горизонте событий
Проблема с потерей информации возникает только при испарении ЧД. В книге содержалось определённое количество протонов, нейтронов, электронов, и т.п. – не говоря уже о словах, предложениях и другой информации – а из ЧД выходит просто случайное излучение чёрного тела. Поток частиц. С исчезновением горизонта событий исчезает и информация. Как выразительно объяснила Сабина Хоссенфельдер, никто не знает, куда уходит информация из ЧД, и сохраняется ли она вообще.
С расширением Вселенной, её эволюцией и ускорением, никакая информация не разрушается из-за ухода за горизонт, а информация, отпечатавшаяся на космическом горизонте, никогда полностью не исчезает
Но Вселенная не испаряется. Удалённые галактики исчезают, но не уничтожаются. Информация от них становится недоступной для нас, но только в практическом смысле, не в абсолютном. Парадок появится только, если какая-нибудь новая физика покажет, что наш космический горизонт испаряется. Вселенная может ускоряться; тёмная энергия может стать на 99,99% доминирующей над всей энергией Вселенной; все галактики могут стать недоступными. Но, несмотря на то, что тёмная энергия настолько неумолимая и контринтуитивная, она, по крайней мере, не нарушает закон сохранения информации.
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Комментарии (23)
alex_ey
25.10.2017 19:07-1Меня тоже всегда интересовала тема. Если путешествовать в прошлое нельзя, то мы хотя бы можем получить информацию из прошлого. Грубо говоря, если сделать звездолет который может лететь быстрее скорости света, и запустить его с земли. То мы сможем наблюдать за нашей планетой, когда она была в прошлом.
Goodkat
25.10.2017 20:41Во-первых, очень сложно сделать звездолёт, который может лететь быстрее скорости света, а во вторых, если даже и получится отлететь достаточно далеко, чтобы нагнать свет из прошлого, то с такого расстояния ничего мы не разглядим.
sHaggY_caT
28.10.2017 21:37если Вы сможете сделать звездолёт, летящий быстрее скорости света, то отлетев на некоторое расстояние быстрее скорости света, и вернувшись обратно, Вы прибудете раньше старта. Сверхсветовое движение это и есть машина времени. А фронт распространения света связан с распространением времени (его не зря называют конусом событий).
Так как машина времени нарушает причинность, то по этой причине, скорее всего, движение быстрее скорости света невозможно. Либо оно возможно, через какие-нибудь червоточины особого рода, которые позволяют двигаться только в одну сторону (но что будет, если Вы в месте назначения найдёте ещё одну такую же червоточину, только теперь уже домой?)
black_semargl
29.10.2017 00:09Сверхсветовой звездолёт не нарушает причинность, если летает в какой-то отдельной единой системе отсчёта. В которой полёт всегда занимает положительный период времени.
И существование такой выделенной системы отсчёта никак не противоречит известной физике.
askv
28.10.2017 21:53Подходил к остановке, и упустил два троллейбуса нужного мне маршрута.
Но на моей улице дикая пробка, я пошёл вперёд, и пройдя две остановки, сел в третий троллейбус, который ехал перед теми двумя, то есть он отъехал от моей остановки раньше тех двух. Так что в каком-то смысле я путешествовал в прошлое )
askv
25.10.2017 20:56"Но для информации это не проблема; более крупная и массивная ЧД содержит в себе больше информации в закодированном виде"
Не говорите только это ФСБ. Они отправят туда требование о раскрытии ключей шифрования...
black_semargl
25.10.2017 22:05вот всегда интересовало, почему только такие четыре варианта. Ведь переходные процессы — они как правило колебательные.
Вот например график ln(x)+sin(x)
apiksDen
25.10.2017 22:48Это довольно многогранный вопрос, так что начнём с ускоряющегося расширения Вселенной. ))
vanxant
26.10.2017 02:03+1почему только такие четыре варианта
Так матан считать проще
На самом деле, для колебательных процессов нужны обратные связи. Отрицательные, но не суть. Скорость распространения сигналов в ОТО ограничена скоростью света, и галактики «на краях» очень быстро выпали из горизонта событий друг друга. Т.е. влиять друг на друга уже не могут.black_semargl
26.10.2017 03:14А материя тут вообще ни при чём получается, это так сказать «упругость пространства»
sotnikdv
26.10.2017 01:29Мне уже статьи Итана напоминают этот анекдот
Сдает студент экзамен по зоологии, а знает только о вшах. Но знает о них ВСЕ.
Профессор: Тяните билет. Студент тянет, смотрит; собаки.
— Так… Собаки это млекопитающие, хищные, с зубами. У них есть шерсть, в шерсти есть вши. Кстати, о вшах…
Хорошо, тяните другой билет. Студент тянет, смотрит; кошки.
— Так… кошки это млекопитающие, хищные, с хвостами, у них есть шерсть, в шерсти есть вши. А вши…
Профессор догадывается в чем дело, вот вам третьий билет. Студент берет, смотрит; акулы.
— Так… Акулы это рыбы, хищные, они живут в воде, у них нет шерстм. А
вот если б была, в ней были бы вши, это такие...
maa_boo
26.10.2017 21:11Кто-нибудь понял, откуда цифра в 46 миллиардов лет?
MishaRash
27.10.2017 20:02Это сопутствующее расстояние до самых старых видимых нами объектов. Подробнее о расстояниях в космологии см. здесь. Можно ещё посмотреть здесь, для получения похожего числа нужно вводить большие z.
andrexj7
27.10.2017 19:59меня всегда интресовал термин пространства
ведь если в 3х-мерном мире галактики удаляются все от всех — то получается что — расширяется само пространство в котором находится материя
тоесть сама материя в пространсве вообьще может и не двигатся даже
к примеру, можно представить кубический литер воды в котором плавают пещинки, и когда вода нагревается, она начинает занимать больше места в обьеме, и пищинки по аналогии с галактиками отдаляются друг от друга.
Но в таком случае пространство — следует разсматривать как материю другого порядка (или как это сказать?)
где можно почитать посмотреть больше об этом?
stanislavkulikov
Спросите Итана: почему небо голубое?
Это довольно многогранный вопрос, так что начнём с ускоряющегося расширения Вселенной.
kryvichh
Итан «Повторенье Мать Ученья» Сигель.
tundrawolf_kiba
При этом — он рассказал про эффект ускоренного расширения, но при этом нигде не упомянул, что это эффект именно темной энергии.
PwrUsr
Да тут где то уже писали, что если его вызовут в суд (свидетелем, обвиняемым или не важно как), то он свою речь тоже начнет:
"Уважаемый суд, это довольно многогранный вопрос, так что начнём с большого взрыва"
sevikl
«Представьтесь, пожалуйста»
ChiefPilot
Наверное у учёных это одна из основных (или хотя бы заметных) черт характера. Даже сценаристы «Теории Большого взрыва» это подметили: помните, как Шелдон пытался научить Пенни физике? Всё время начиная с: «Это был теплый летний вечер в древней Греции...» :)
voyager-1
Это не особенность учёных — это особенность большинства людей которую ради комичности довели до абсурда. То бишь у каждого человека есть набор «коронных фраз» и жестов которые он использует чаще всего, и чем чаще вы сталкиваетесь с этим конкретным человеком — тем больше и лучше вы начинаете их замечать. Ну а у Итана это приближается к абсурду из-за пары сотен статей которые он непрерывно продолжает писать).
Так что учёные — это просто обычные люди, не более ненормальные чем все остальные).