Спросите Итана №103: Разрешили Ли Мы Информационный Парадокс?

Судя по всему, Эйнштейн дважды ошибся, когда сказал, что Бог не играет в кости.
Бог не только явно играет ими, но иногда и сбивает нас с толку, бросая туда, где мы их не видим.
- Стивен Хокинг Каждую неделю я просматриваю вопросы, которые вы задаете, и отдаю предпочтение тем, кто поддерживает нас через краудфандинг на Patreon, особенно когда их вопросы хороши.
За неделю до написания статьи появилось объявление о том, что Стивен Хокинг решил информационный парадокс черных дыр, хотя работа еще не была опубликована.
Наш читатель и спонсор Denier хочет знать: Чем теория Хокинга о черных дырах, хранящих информацию на краю горизонта событий, отличается от того, что сказал Сасскинд много лет назад? Действительно ли Хокинг повел себя как Стив Джобс и заявил о чем-то новом, что уже давно появилось на Android? Или это действительно что-то новое? Черные дыры (ЧД) — интересные объекты, поэтому давайте вернемся к началу и поговорим о том, в чем же заключается этот парадокс.

С одной стороны, черные дыры теоретически создать довольно легко.
Вам просто нужно положить достаточно массы (или эквивалента энергии, согласно E = mc² ) на достаточно небольшой участок пространства, и вот оно! Обычно лучшим способом сделать это является массивная звезда с коллапсирующим ядром, которое не может удержаться под действием гравитации.
Если вы начнете со звезды, которая в 20 раз массивнее Солнца, то, когда она закончится взрывом сверхновой типа II, останется черная дыра.
Со временем черные дыры могут либо поглотить больше материи, либо объединиться с другими объектами (включая черные дыры) и вырасти.
Некоторые галактики, в частности наша, имеют в центре черные дыры с массой в миллионы солнечных масс, а самые крупные из них могут достигать миллиардов и даже десятков миллиардов солнечных масс.

Но глядя на черную дыру снаружи, мы не можем узнать, как она появилась.
Насколько нам известно, от черных дыр можно отличить очень мало свойств: • Масса, • Ээлектрический заряд, • Угловой момент (спин).
Вот и все!

Это может вас беспокоить.
Если вы создадите черную дыру только из нейтронов, ее информация должна отличаться от информации черной дыры, состоящей из антинейтронов, или от информации, состоящей из смеси электронов и позитронов.
Ведь «барионное число» — важная часть информации квантового мира, и если у черной дыры барионное число равно 10⁵⁸ , у другого ноль, у третьего -10⁵⁸ , эта информация должна быть где-то сохранена.
На самом деле, есть шанс на его сохранение.
Представьте, что у вас есть черная дыра и в нее что-то упало.
Протон, антипротон, фотон, два фотона.
Может быть, даже человек!

Падая, эта штука увеличивает массу черной дыры, а ее информация закодирована на поверхности горизонта событий черной дыры.
Хотя наблюдатель (частица, фотон, человек), падающий в дыру, не заметит пересечения горизонта, сторонний наблюдатель увидит, что его красное смещение увеличивается, он станет все темнее и краснее, но никогда не пересечет горизонт. Вместо этого их информация закодирована на поверхности черной дыры, где она хранится, вероятно, навсегда.
Итак, если бы черные дыры были вечными, никакого информационного парадокса не существовало бы.
Что-то попадает внутрь, и информация о том, что это было, закодирована на поверхности черной дыры.

Но тогда нам нужно обратиться к квантовому миру, где и родилась проблема.
Видите ли, черные дыры являются источниками сильнейшей гравитации, поскольку вся их масса упакована в небольшой объем.
В результате пространство вокруг черной дыры чрезвычайно искривлено, и квантовая Вселенная ведет себя в искривленном пространстве иначе, чем в плоском пространстве.
В частности, одним из свойств плоского пространства является ненулевая энергия квантов: пары частица-античастица возникают и исчезают. В обычных условиях они существуют очень короткое время, а затем вновь аннигилируют и исчезают в вакууме.
Сравнение состояний «до» и «после» не выявит никакой разницы.
Но в искривленном пространстве такие пары частица-античастица могут возникать по разные стороны горизонта событий.
При правильных условиях - редко, но возможно - в результате вы получите небольшой низкоэнергетический квант излучения, при этом частица из одной виртуальной пары аннигилирует с античастицей из другой пары, что приводит к излучению черного тела.

Процесс медленный и долгий: потребуется 10⁶⁷ , а для сверхмассивных - 10¹⁰⁰ лет, но Вселенная терпелива и у нее достаточно времени.
В результате от черной дыры ничего не останется, только море теплового излучения черного тела.
Благодаря этому излучению – излучению Хокинга – черная дыра исчезает. Но хуже всего то, что этому излучению не хватает информации о том, что упало в черную дыру.
В этом заключается парадокс информации о черной дыре: информация попадает в черную дыру, но со временем теряется.
Поскольку информация не должна просто так исчезать, мы приходим к парадоксу.

Обычно предполагается, что информация сохраняется.
До сих пор никто не знал, как именно, хотя идеи были.
Предполагалось, что информация с поверхности черной дыры каким-то образом закодирована в исходящем излучении Хокинга.
Стивен Хокинг вместе с Малкольмом Перри и Эндрю Строминджером предположили, что все это произошло из-за одного из свойств теории струн, называемого суперпереводом.
Проще говоря, супертрансляция основана на том факте, что классический вакуум в общей теории относительности сильно вырожден.
Могут существовать разные состояния вакуума с одинаковыми свойствами, то есть неотличимые друг от друга.
Различные вакуумы, соответствующие разным состояниям, связаны друг с другом с помощью нарушенной симметрии, определенной Бонди, ван дер Бургом и Метцером еще в 1962 году.
Эти нарушенные симметрии представляют собой супертрансляции, изученные Стромингером, и они могут описывать распространение изменений в гравитационном поле.
.

В апреле 2014 года Хокинг выслушал доклад Строминджера и решил, что из него следует, что частицы, падающие на горизонт черной дыры, вызывают супертрансляции, и эти супертрансляции могут отражаться в исходящем излучении Хокинга.
Об этом будет рассказано в работе.

Но есть большая разница между наличием идеи и признанием этой идеи как решения проблемы, и на данный момент у нас есть просто идея.
Например, есть некоторые новые уточнения: • Работа описывает классическую картину, не учитывающую квантовую информацию, такую как барионные числа.
• Предполагается бесконечное число зарядов, а не фактическое число зарядов для черной дыры, которое следует из энтропии Бекенштейна-Хокинга.
• Не существует квантовой версии упомянутых симметрий или супертрансляций.
• Квантовой версии передачи информации в исходящее излучение не существует – это всего лишь идея.
Кроме того, Сабина Хоссенфельдер, которая занимается квантовой гравитацией в искривленных пространствах, обеспокоена следующим: Меня беспокоит то, что если мы посмотрим на картину с квантовой точки зрения, заряды БМС (Бонди-Мецнера-Сакса) на бесконечности в конечном итоге перепутаются с зарядами, падающими в ЧД, что приведет к повторному возникновению информационного парадокса ЧД.

Итак, да, Денайер, Хокинг придумал новую вещь об информационном парадоксе черной дыры.
Но вряд ли это можно назвать решением парадокса.
Поэтому нельзя сказать, что парадокс разрешен.
Можно отметить, что предложена новая идея ее разрешения, находящаяся в зачаточном состоянии.
На мой взгляд, если бы эту идею предложил человек, которого звали не Стивен Хокинг, мало кто обратил бы на нее внимание, поскольку ее еще можно назвать лишь эмбрионом, искрой возможности.
Но это стоит дальнейшего исследования – хотя большинство этих идей в конечном итоге терпят неудачу.
Возможно, из этого что-то вырастет, но пока кто-нибудь не проработает всю теоретическую часть от начала до конца, нет смысла полагать, что с парадоксом в обозримом будущем покончено.