[Перевод] Спросите Итана №103: решили ли мы информационный парадокс?

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.