Парадокс исчезновения информации в черной дыре.

Для науки противоречивые результаты наблюдений или опытов - это пожалуй лучший подарок, так как именно такие результаты заставляют науку двигаться вперед. Так парадокс Ольберса потребовал теории большого взрыва для своего объяснения, парадокс Ферми помогает нам понять насколько могут быть редки разумные цивилизации во Вселенной. Парадокс исчезновения информации в черной дыре может стать ключом к квантовой теории гравитации, которая объединит физику.

Источник: ESA/HUBBLE
Источник: ESA/HUBBLE

Однако рассуждая об этом парадоксе стоит на минутку остановиться на том, как физики понимают информацию. В повседневной жизни мы понимаем информацию как слова в книге или например единицы и нули на магнитном диске. И это представление верно с точки зрения компьютерных наук или теории информации.

Энтропия как информация

Однако такое традиционное восприятие информации не является в общем и целом физической величиной поддающейся строгому измерению. В физике эквивалентом информации является энтропия. Вместо того, чтобы рассматривать энтропию как количественную меру хаоса, мы должны рассматривать ее как количество недостающей информации, необходимой чтобы определить истинное микросостояние некой замкнутой системы.

Источник: quora.com
Источник: quora.com

Второе начало термодинамики гласит, что энтропия замкнутой системы никогда не убывает. На практике это значит что ничто во вселенной самопроизвольно не переходит из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. Например фарш самопроизвольно не станет куском мяса, сожженная книга не может сама по себе восстать из пепла, а молоко и кофе смешанные в кружке никогда сами не разделятся.

Черные дыры и энтропия

Но что же происходит в черных дырах когда они поглощают материю? Давайте представим, что мы бросим книгу в черную дыру. Единственные свойства которыми обладает черная дыра это масса, электрический заряд и импульс. Книга же содержит информацию, но когда мы бросаем книгу в черную дыру единственное изменение, которое происходит с черной дырой это изменение ее массы. Ранее считалось, что энтропия черных дыр равна нулю, однако в таком случае падение любого тела в черную дыру нарушает второй закон термодинамики, что невозможно. Как же тогда быть с энтропией черных дыр?

Как известно время вблизи черных дыр течет медленнее (смотрели Интерстеллар? Да все так и есть!). Тогда давайте рассмотрим падение тела на черную дыру с точки зрения стороннего наблюдателя. Для наблюдателя находящегося достаточно далеко от черной дыры тело падающее на нее будет асимптоматично приближаться к горизонту событий в течении бесконечного времени, но никогда его не достигнет. Таким образом информация обо всем, что когда-либо упало на черную дыру будет зашифровано в поверхности самой черной дыры.

Источник: medium.com
Источник: medium.com

Казалось бы эта модель вполне элегантно решает парадокс исчезновения информации в черной дыре. В этом варианте информация накапливается на горизонте событий. Вместо нуля энтропия черной дыры внезапно становится огромной. Энтропия растет, информация сохраняется, законы термодинамики довольны. Можно расходится по домам!

Проблема только в том, что это не решает парадокс исчезновения информации в черной дыре. Раз черные дыры имеют энтропию, они стало быть имеют и температуру. Раз они имеют температуру - они должны испускать излучение. Как было продемонстрировано Стивеном Хокингом черные дыры испускают радиацию названную излучением Хокинга. Излучение требует энергии, а так как энергия эквивалентна массе E=mc² (привет Эйнштейну!), излучение энергии неминуемо ведет к уменьшению массы. Этот процесс называется "испарением" черных дыр.

Кадр из фильма "Интерстеллар"
Кадр из фильма "Интерстеллар"

Скорость испарения черных дыр зависит от их массы - чем больше масса, тем медленнее испарение т.е. черная дыра испаряется с ускорением. На практике это означает, что на финальных стадиях существования черной дыры они будут испаряться все быстрее излучая все больше энергии и теряя все больше массы, пока не испаряться полностью в величественной вспышке чистой энергии.

Однако если черная дыра испарится полностью - что будет с информацией? Значит ли это, что ифнормация будет полностью и безвозвратно уничтожена? В этом суть парадокса:

Черные дыры имеют огромную энтропию, которая включает в себя всю информацию о веществе породившем черную дыру. Информация "кодируется" на поверхности горизонта событий, но с испарением черной дыры горизонт событий исчезает оставляя после себя только излучение. Это излучение в сегодняшнем его понимании зависит исключительно от массы черной дыры и больше ни от чего.

На практике это означает, что если мы бросим в черную дыру Библию, Махабхарату, "Капитал" Карла Маркса или "20 тысяч лье под водой" Жюля Верна - все они с течением времени превратятся в совершенно одинаковое излучение (при условии, что их масса была одинакова). Для стороннего наблюдателя это выглядит так, словно информация уничтожается в черной дыре, что нарушает второе начало термодинамики.

Источник: Flickr.com
Источник: Flickr.com

Если мы например сожжем две совершенно одинаковые по массе, но разные по содержанию книги мы в теории затратив достаточное количество усилий можем считать микроскопические следы чернил в пепле, и по особенностям молекулярной структуры пепла мы сможем восстановить информацию из этих книг. Это примерно как собрать паззл. Информация может быть в дезорганизованном состоянии, но она никогда не теряется. В черной же дыре по современным представлениям именно это и происходит.

На текущий момент у нас нет ответа на этот парадокс, но он является одной из главных проблем современной физики. На текущий момент предложено множество возможных решений этого парадокса, но пока нет никакого способа проверить какое из этих решений является верным. Два главных решения этого парадокса следующие:

  • Либо информация действительно уничтожается в черной дыре и это означает, что известные нам законы физики в частности второе начало термодинамики и следствия из него требуют пересмотра
  • Или же радиация, излучаемая черной дырой в том или ином виде содержит информацию, следовательно излучение Хокинга более сложно, чем мы думали ранее.

Большинство ученых работающих над этим парадоксом склоняются ко второму варианту, т.е. считают, что информация как-то отпечатывается в испускаемом излучении. То как это происходит пока никто не понимает. Возможно каким-то образом информация закодированная на горизонте событий черной дыры накладывает коррекции на квантовом уровне на испускаемое излучение.

До тех пор пока мы не сможем понять как на самом деле информация кодируется в испускаемом излучении парадокс останется нерешенным.

Ставьте палец вверх если хотите видеть в своей ленте больше статей о космосе!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал в телеграме. Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос.