Парадокс Хокінга: чому фізики досі не розгадали інформаційну загадку чорних дір?

Ще в 1974 році відомий фізик Стівен Гокінг виявив, що чорні дири не є вічно стабільними об'єктами, а втрачають масу завдяки випромінюванню, яке пізніше було названо випромінюванням Гокінга, поки повністю не випаруються. Пізніше було доведено, що чорні діри кодують величезну кількість інформації на своїх поверхнях, тоді як випромінювання Гокінга не повинно містити жодної додаткової інформації. Чи знищується тоді інформація, яка була використана для створення чорної діри? Або вона якимось чином кодується в вихідному випромінюванні? Це називається інформаційним парадоксом чорної діри або парадоксом Гокінга. Навіть у 2024 році цю загадку фізики так і не розгадали, пише Big Think.

Інформаційний парадокс чорної діри

Відомо, що ентропія у Всесвіті завжди збільшується. З іншого боку, загальний обсяг інформації у фізичній системі може лише залишатися незмінним або збільшуватися, але ніколи не може зменшуватися.

Але для чорних дір виникає парадокс. Якщо кинути в чорну діру будь-який об'єкт, він буде зберігати інформацію. Вона потрапить у чорну діру і додасть їй маси та розміру. Коли чорна діра випаровується завдяки випромінюванню Гокінга, інформація, закодована у цьому випромінюванні, як передбачають теорії, буде абсолютно випадковою, так ніби інформація була стерта. Незважаючи на постійні заяви про те, що інформаційний парадокс чорних дір вирішено, насправді це не зовсім так.

Кожна частинка і система частинок, які існують у Всесвіті, мають певну кількість інформації. Деякі з цих властивостей є статичними, такими як маса, заряд, кількість протонів, нейтронів та електронів тощо. Але інші властивості залежать від системи, частиною якої є частинка, а також від історії її взаємодій. Якби фізики могли знати точний квантовий стан кожної частинки, що входить до системи, у будь-який момент часу, то можна було б отримати всю інформацію про частинку. В реальності це ні фізично, ні практично неможливо.

Замість того, щоб думати про ентропію як про міру безладу, правильніше думати про неї як про кількість відсутньої інформації, необхідної для визначення конкретного мікростану системи. Це визначення ентропії є ключем до розуміння ідеї квантової інформації.

У нашій Всесвіті ентропія повної фізичної системи ніколи не може зменшитися, а лише збільшитися або залишитися незмінною. Ось чому інформаційний парадокс чорної діри є справжньою головоломкою.

Інформація в чорній дірі

Що відбувається з інформацією, що потрапила в чорну діру? В принципі, вона може бути закодована на поверхні самої чорної діри. Але ентропія чорної діри не дозволяє зберігати інформацію вічно. З часом чорна діра зникає завдяки випромінюванню Гокінга. Але це випромінювання ніяк не кодує інформацію, яка спочатку була використана для створення чорної діри. Десь інформація була знищена. Це ключова загадка, що стоїть за інформаційним парадоксом чорних дір. Ця інформація існує, як і ентропія, і вона потрапляє в чорну діру як при її створенні, так і в процесі її зростання. Що є предметом суперечок, і що насправді є великим питанням, що стоїть за парадоксом, так це те, чи повертається ця інформація назад, чи ні.

Спосіб, яким фізики обчислюють, що виходить з чорної діри за допомогою випромінювання Гокінга, не сильно змінився за останні 50 років. Для цього використовують теорію відносності Ейнштейна та квантову теорію. Виходячи з цього стає відомо, що випромінювання Гокінга має температуру, спектр, ентропію та інші властивості, якими воно володіє, включаючи той факт, що воно не кодує початкову інформацію. З плином часу чорна діра втрачає масу, в результаті чого інтенсивність випромінювання, а також температура і ентропія випромінювання збільшуються, поки чорна діра повністю не зникне.

Куди зникає інформація чорної діри?

Отже, куди поділася вся первісна інформація, якщо вона якимось чином не з'являється у випромінюванні? Або вона все ж таки існує у випромінюванні? Передбачаються три варіанти:

• Втрата інформації відбувається, але не є проблемою через якийсь процес, який вчені не розуміють, і він дозволяє втраті інформації відбуватися без парадоксів.
• Незважаючи на те, що чорні діри випромінюють випромінювання так, як вважається, інформація не втрачається і якимось чином закодована в цьому випромінюванні, що означає, що фізики, ймовірно, роблять невірні висновки, спираючись на зроблені припущення.
• Цілком можливо, що щось не так із фундаментальними припущеннями, які були зроблені при формулюванні інформаційного парадокса, і фізики взагалі не розуміють ентропію чорної діри правильно.

Хоча запропоновані рішення необов'язково обмежуються цими трьома варіантами, більшість фізиків зазвичай очікують, що щось цікаве відбувається або у другому, або в третьому випадку.

Простір за межами чорної діри надзвичайно складне, навіть якщо розглядати його як ідеалізовану, а не реалістичну систему. Важливим фактом є те, що цей простір веде себе як не статична, що рухається сама по собі сутність. Фізики припускають, що закони загальної теорії відносності все ще абсолютно точні для опису динаміки простору на квантовому рівні. Передбачається, що квантові ефекти, які створюють випромінювання Гокінга, важливі. Але будь-які квантові ефекти, що виникають при розгляді простору як класичного фону, яким він може і не бути, можна ігнорувати. Фізики працюють з таким підходом для пояснення парадокса Гокінга. Але він не є повністю правильним.

Парадокс Гокінга так і не вирішено

Незважаючи на періодичні та неодноразові заяви вчених про те, що інформаційний парадокс чорних дір практично вирішено, це не так. Досі не отримано точних відповідей на питання, які стосуються правильних квантових властивостей для вихідного випромінювання Гокінга і того, де саме інформація опиняється, коли чорна діра повністю розпалася. Досі фізики не з'ясували, чи зберігається інформація чорної діри, і якщо так, то як?

Доброю новиною є те