Как кротовые норы помогают решить информационный парадокс черных дыр?

Существует вопросы, ответы на которые мы никогда не узнаем. Взять, к примеру, черные дыры – эти таинственные космические объекты встречаются по всей Вселенной. Их гравитация настолько сильна, что все расположенные поблизости объекты будут неизбежно ими поглощены. И если мы в состоянии обнаружить черные дыры и предположить что происходит внутри, то узнать что именно находится за горизонтом событий не представляется возможным. Ни один живой организм никогда не сможет оказаться внутри этих космических монстров. Наука, однако, позволяет делать определенные предположения. Так, общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) гласит, что все объекты поглощенные черной дырой остаются в ней навсегда. Даже кванты самого света не способны вырваться наружу. Но в 1970-х годах ХХ столетия физик-теоретик Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры должны испускать излучение, тем самым создавая парадокс.

Информационный парадокс — потеря информации в результате формирования, излучения и распада черных дыр.

Испаряются ли черные дыры?

Звучит немного странно, но черные дыры на самом деле испускают слабое излучение. Именно оно в конечном итоге уносит энергию прочь от черной дыры. Более того, это слабое свечение полностью истощает черную дыру, знаменуя тем самым ее исчезновение. Все, что от нее остается – это свет.

В 1970-х годах расчеты ученых предполагали, что свет почти не содержит в себе информации. Черные дыры, казалось, уничтожали не только поглощенные объекты, но и любые данные о том, чем эти объекты были. И все же существует небольшая проблема – согласно квантовой механике, это попросту невозможно.

Черные дыры испаряются, но как именно – большой вопрос

Напомним, что основной принцип квантовой механики заключается в изучении поведения частиц на субатомном уровне. Если вы знаете текущее состояние любой системы, то знаете все, что нужно знать о ее прошлом и будущем.

Каким-то образом черные дыры, казалось, уничтожали информацию, которая, согласно квантовой теории, не может быть уничтожена. Эта проблема – самый настоящий информационный парадокс, который сбивал физиков с толку на протяжении десятилетий.

Но за последние несколько лет физики-теоретики определили ключевые моменты, упущенные из виду в первоначальных расчетах Хокинга. Расчеты, завершенные в 2019 году, наконец дали ученым представление о том, как эта информация может сохраниться. К тому же, изучение того, как именно работают квантовые вычисления, может подарить новые знания о том, что представляет собой теория квантовой гравитации.

Связаны ли черные дыры и червоточины?

Недавно исследователи обнаружили кое-что интересное: кротовые норы или червоточины могут соединять разные отдаленные регионы Вселенной. Это может пролить свет на то, что все-таки происходит с информацией о материи, поглощаемой черными дырами.

Кротовая нора (или червоточина) – гипотетическая структура, которая позволяет пройти сквозь пространство-время и оказаться в другой галактике. Интересно, что червоточины существуют благодаря гравитационному воздействию черных дыр.

Кротовые норы могут быть порталом в другие галактики

В конце концов черная дыра полностью испарится как и любая информация о ее поглощенном содержимом. Но это противоречит фундаментальному изречению квантовой физики: информация не может исчезнуть из Вселенной.

И вновь это означает, что общая теория относительности и квантовая механика в их нынешнем виде несовместимы друг с другом. Мы должны найти единую структуру для квантовой гравитации – пишут авторы нового исследования.

Многие физики также подозревают, что информация ускользает из черных дыр несколько необычно – каким-то образом она остается закодированной в излучении. Чтобы узнать так это или нет, исследователи вычисляют энтропию излучения, которая измеряет, сколько информации теряется за пределами черной дыры. Напомним, что энтропия — это мера беспорядка, хаоса.

В 1993 году физик Дон Пейдж подсчитал, что если информация не будет потеряна, энтропия сначала возрастет, но затем упадет до нуля – это будет происходить по мере исчезновения черной дыры.

Выходит, когда физики просто объединяют квантовую механику со стандартным описанием черных дыр в общей теории относительности, они, вероятно, ошибаются – энтропия постоянно растет по мере того, как черная дыра сжимается – то есть, теряет информацию.

Представить кротовую нору можно, сложив листок бумаги пополам, а затем проткнуть его. Это отверстие и будет подобием кротовой норы.

Недавно исследователи смогли изучить как черные дыры имитируют червоточины, обеспечивая путь эвакуации информации. Необходимо понимать, что это – не червоточина в реальном мире, а способ математического вычисления энтропии излучения. Таким образом червоточина соединяет внутреннюю часть черной дыры и излучение снаружи, словно мост.

Что происходит с информацией?

После проведения подробного анализа, авторы научной работы объединили стандартное описание и изображение червоточины. Полученный результат совпал с ранними предсказаниями, так что физики, вероятно, правы, предполагая, что информация сохраняется даже после гибели черной дыры.

«Мы обнаружили новую геометрию пространства-времени со структурой, подобной червоточине, которая была упущена из виду при стандартных вычислениях», – объясняют физики. «Энтропия, вычисленная с использованием новой геометрии, дает совершенно другой результат».

Изучение черных дыр может дать ответы на самые большие вопросы по происхождению нашей Вселенной

Несмотря на возросшее количество вопросов и желание разобраться в том, как возникла и как устроена Вселенная, гравитацию придется рассматривать как квантовое явление. Все потому, что без теории квантовой гравитации понять что происходит с информацией невозможно, а значит будем ждать дальнейших открытий.