Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

Хокинг продемонстрировал: черные дыры испускают излучение в определенном спектре (спектр абсолютно черного тела) и на конкретной температуре, определенной массой черной дыры. Со временем это излучение энергии приводит к потере черной дырой ее массы, согласно известному уравнению Эйнштейна: E=mc 2. Если энергия испускается, она должна откуда-то исходить, а это «где-то» должно быть самой черной дырой. Со временем черная дыра будет терять свою массу быстрее и быстрее и в один момент — в далеком будущем — она полностью испарится в яркой вспышке света.

Но если черная дыра испаряется в излучении абсолютно черного тела, определенном только ее массой, что же происходит со всей информацией и энтропией, записанной на ее горизонте событий? Ведь нельзя просто уничтожить эту информацию?

Это корень информационного парадокса черных дыр. Черная дыра должна обладать высокой энтропией, включающей в себя всю информацию о том, что ее создало. Информация о падающих в нее объектах записывается на поверхности горизонта событий. Но при распаде черной дыры посредством излучения Хокинга горизонт событий исчезает, оставляя за собой только излучение. Это излучение, как предполагают ученые, зависит только от массы черной дыры.

Представим, что у нас есть две книги — об абсолютной бессмыслице и «Граф Монте-Кристо» — содержащие разные объемы информации, но идентичные по массе. Мы кидаем их в идентичные черные дыры, от которых ожидаем получить эквивалентное излучение Хокинга. Для стороннего наблюдателя все выглядит так, будто информация уничтожается, а учитывая то, что мы знаем об энтропии, это невозможно, так как нарушило бы второй закон термодинамики.

Если мы сожжем эти две книги одинакового размера, то вариации молекулярных структур, порядок букв на бумаге и другие мелкие различия содержали бы в себе информацию, при помощи которой мы могли восстановить информацию в книгах. Она может прийти в полный беспорядок, но сама по себе никуда не денется. Тем не менее информационный парадокс черных дыр представляет собой реальную проблему. Как только черная дыра испаряется, от этой изначальной информации не остается ни следа в наблюдаемой Вселенной.

Симулированный распад черной дыры приводит не только к испусканию излучения, но и распаду центральной вращающейся массы, удерживающей стабильность большинства объектов. Черные дыры — нестатичные объекты, изменяющиеся со временем. Однако на горизонтах событий черных дыр, сформировавшихся из разных материалов, должна сохраняться разная информация.

Этот парадокс представляет серьезную проблему для физики. Тем не менее есть два варианта его возможного решения:

1. Информация полностью уничтожается при испарении черной дыры, а значит, с этим процессом связаны новые физические законы.

2. Испускаемое излучение каким-то образом содержит в себе эту информацию, следовательно, излучение Хокинга представляет собой нечто большее, чем известно науке.

Большинство людей, работающих над этой проблемой, считают, что должен существовать некий способ, при помощи которого сохраненная на поверхности черной дыры информация «отпечатывается» в исходящем излучении. Однако никто пока не знает, как именно это происходит. Возможно, информация на поверхности черной дыры вносит квантовые поправки в исключительно тепловое состояние излучения Хокинга? Может быть, но это пока не доказано. На сегодня есть множество гипотетических решений этого парадокса, но ни одно из них еще не было подтверждено.

Информационный парадокс черных дыр не зависит от того, является ли природа квантовой Вселенной детерминистической или недетерминистической, какую квантовую интерпретацию вы предпочитаете, существуют ли скрытые переменные и множества других аспектов природы реальности. И хотя многие предложенные решения включают голографический принцип, пока неизвестно, играет ли он какую-то роль в итоговом решении парадокса.

В сентябре 2007 года Кембриджский университет облетела необычная новость: физик Маркус Вернер решил бросить вызов «гениальному тандему» теоретиков — Роджеру Пенроузу и Стивену Хокингу Профессор Вернер рискнул опубликовать в престижнейшем журнале Nature свои мысли о том, что в нашей Вселенной вполне могут существовать еще более страшные монстры, чем черные дыры, квазары и ядра активных галактик.

Британский ученый предположил, что в глубинах космоса при определенных условиях каннибализм черных дыр может привести к их перерождению в ужасающие «голые сингулярности».

Возникновение голой сингулярности

В «обычной» сингулярности могут происходить всевозможные неизвестные науке процессы, которые никак не влияют на внешний мир. Но все это справедливо лишь для «закрытых» сингулярностей. Космологическая сингулярность открыта по своей сути, и может даже оказаться, что мы живем внутри своеобразной черной дыры.

Принципиальную невозможность разглядеть внутренности черной дыры Роджер Пенроуз окрестил в конце 60-х годов прошлого века «космической цензурой». Против космических цензоров решительно выступила группа ученых, возглавляемая индийским космологом Панкаджем Джоши. Он считал, что достаточно массивная звезда может, безудержно проваливаясь внутрь самой себя под действием силы тяжести, породить самую настоящую голую сингулярность.

Идеи Пенроуза и Джоши объединил и развил профессор Хокинг. Он считал, что в случае голой сингулярности вещество и излучение могут как попадать внутрь, так и уходить из нее, в то время как для обычной сингулярности движение возможно только в одну сторону. Таким образом, существует принципиальная возможность подобраться к обнаженной сингулярности достаточно близко, чтобы детально исследовать ее структуру. Между тем существование голых сингулярностей оказало бы очень важное влияние на современную физику.

Дело в том, объяснял профессор Хокинг, что у обнаженных сингулярностей нет сдерживающего барьера, горизонта событий. Это означает, что загадочные процессы, происходящие вблизи этих бездонных (в буквальном смысле) провалов пространства-времени, могли бы вторгнуться во внешний мир, неузнаваемо изменив Вселенную.

Таким образом, решив загадку природы сингулярного состояния материи, наука будущего не только выяснит, как произошло «нечто», подтолкнувшее досингулярную материю к рождению нашего Мира, но и откроет новые перспективы в познании окружающей нас физической реальности. Ведь кроме вселенской космологической сингулярности теоретически могут существовать и ее «младшие сестры», спрятанные внутри замерзших звезд, ядер галактик и даже элементарных частиц.