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].
Источник
