В этой статье дается краткое введение в парадокс исчезновения информации в черной дыре .
Для краткости некоторые детали опущены.
Кроме того, следует отметить, что нынешнее понимание проблемы настолько запутано, что самую последнюю часть статьи нельзя считать достоверной или стабильной.
Рис.
1
Две противоречивые теории
Считается, что математика квантовой теории, иногда называемая «квантовой механикой», управляет всеми физическими процессами в природе.Его нельзя использовать для предсказания конкретных событий, а только для получения вероятности того, что что-то произойдет. Но вероятности имеют смысл только в том случае, если вы сложите все вероятности всех возможных исходов и получите сумму, равную единице.
Квантовая теория, в которой это не так, не имеет смысла.
Одним из последствий этого является то, что в квантовой теории информация никогда по-настоящему не теряется и не копируется; в принципе, всегда можно определить, где система стартовала (ее исходное состояние), имея полную информацию о том, чем она закончилась (ее конечное состояние).
На рис.
1 изображено столкновение двух частиц и рассеяние нескольких частиц от места столкновения, несущее в зашифрованном виде информацию о природе и свойствах двух исходных частиц.
Общая теория относительности — это теория гравитации Эйнштейна, в которой гравитацию можно рассматривать как эффект искривления пространства и времени.
Общая теория относительности не является квантовой теорией.
Он точно предсказывает, что произойдет, а не дает вероятности различных результатов.
С 1915 по 1958 год постепенно возникло понимание того, что чрезвычайно компактные и массивные объекты превращаются в черные дыры.
Когда они находятся рядом с ними, гравитация становится необычайно сильной — настолько сильной, что пространство-время сильно искривляется, и любой объект, который приближается к ним слишком близко и пересекает горизонт черной дыры — поверхность невозврата — не может ускользнуть.
На рис.
2 показано формирование горизонта черной дыры, в тот момент, когда две оболочки материи становятся достаточно компактными.
Информация об этих двух оболочках движется внутри горизонта и не может выйти наружу – в общую теорию относительности.
Рис.
2 Обратите внимание, что невозможно правильно нарисовать черные дыры и информацию внутри них.
Мои иллюстрации не способны продемонстрировать искривление пространства-времени.
Например, чтобы полностью понять это, вам придется принять во внимание, что часы внутри черной дыры идут совсем не так, как часы за горизонтом, которые, в свою очередь, идут иначе, чем часы на расстоянии.
Не воспринимайте слишком серьезно мои иллюстрации, которые показывают концептуальную, а не техническую сторону вопроса.
Горизонт — не объект, а место, за которым побег становится невозможным.
Известная аналогия – лодка, приближающаяся к водопаду по ускоряющемуся течению.
Когда лодка проходит кривую невозврата (рис.
3), ее мотор становится неспособным бороться с течением, и она неизбежно падает. Но капитан лодки не заметит момента пересечения поворота – это всего лишь обычный участок реки, важность которого станет ясна только тогда, когда капитан попытается избежать катастрофы.
Точно так же, пересекая горизонт в общей теории относительности, вы ничего не заметите; И только когда вы пытаетесь выбраться из черной дыры, вы обнаруживаете, что — упс — вы подошли слишком близко.
Рис.
3
Парадокс исчезновения информации в черной дыре
Парадокс возник после того, как Хокинг в 1974-1975 годах показал, что черная дыра, окруженная квантовыми полями, будет испускать частицы (излучение Хокинга) и сжиматься (рис.4), что приведет к испарению.
Сравните с рис.
2, в котором информация о двух оболочках застряла внутри черной дыры.
На рис.
4 черная дыра исчезает. Куда пропала информация? Если она исчезла вместе с черной дырой, это нарушает квантовую теорию.
Рис.
4: 1) оболочки материи сжимаются; 2) образуется горизонт и появляется излучение Хокинга (в виде безмассовых или маломассивных частиц, например, фотонов, нейтрино или гравитонов); 3) Излучение Хокинга уносит энергию, в результате чего размер и масса черной дыры уменьшаются; 4) со временем черная дыра полностью исчезает, оставляя только излучение Хокинга.
Проще говоря, информация о том, что попадает в черную дыру, исчезает, нарушая принципы квантовой теории.
Нужно ли нам менять квантовую теорию? Возможно, информация вернулась вместе с излучением Хокинга? Проблема в том, что информация не может вырваться из черной дыры.
Она не может попасть в радиацию Хокнига, кроме как скопировав то, что осталось внутри.
Но наличие двух копий информации, одной внутри и одной снаружи, также нарушает квантовую теорию.
Рис.
5: Если информация копируется в излучение Хокинга, это нарушает квантовую теорию.
Конечно, может случиться так, что квантовая теория неполна и физика черных дыр вынуждает нас расширять ее, точно так же, как Эйнштейн расширил законы Ньютона своей теорией относительности.
Именно в это верил Хокинг на протяжении тридцати лет.
Принцип дополнительности: спасение квантовой теории
Однако другие считали, что менять нужно не квантовую теорию, а общую теорию относительности.В 1992 году был предложен «принцип дополнительности», согласно которому информация находится в некотором смысле одновременно и внутри, и снаружи, не нарушая при этом квантовую теорию.
Предложение было развито Зюскиндом и его молодыми коллегами.
В частности, наблюдатели, оставшиеся за пределами черной дыры, видят, как информация накапливается на горизонте, а затем исчезает с излучением Хокинга.
Наблюдатели, падающие в черную дыру, видят информацию внутри (рис.
6).
Поскольку эти два класса наблюдателей не могут общаться, парадокса не возникает. 
Рис.
6: Принцип дополнительности говорит, что все зависит от точки зрения.
Наблюдатель снаружи (2а) видит информацию, хранящуюся снаружи, а (3а) передаваемую в излучение Хокинга.
Наблюдатель, попадающий внутрь (2б), видит информацию внутри.
Однако это предположение потенциально противоречиво и требует нескольких странных вещей, чтобы быть правдой.
Среди них есть так называемая «голография» — идея, разработанная Т Хоофтом, а затем Зюскиндом.
Идея состоит в том, что физику трехмерного содержимого черной дыры, в которой, по-видимому, действует гравитация, посредством загадочного преобразования можно рассматривать как находящуюся чуть выше двумерного горизонта, где она описывается двумя -мерные уравнения, в которые гравитация вообще не входит! 
Рис.
7. Интересно, что можно описать внутреннюю часть черной дыры снаружи; это было показано в конце 1990-х - начале 2000-х годов.
Теория струн, содержащая квантовую версию общей теории относительности, в некоторых случаях может это сделать.
Удивительно, но эта теория получила значительную поддержку в конце 1990-х годов, по крайней мере, в некоторых ситуациях.
В 1997 году Малдасена предположил (и сотни людей по-разному проверяли это предположение), что при определенных условиях струнная теория (квантовое обобщение общей теории относительности, кандидат в теории законов природы нашей Вселенной) эквивалентно квантовой теории (в частности, квантовая теория поля ) без гравитации и в меньшем количестве измерений.
Это соотношение, известное как AdS/CFT или «соответствие поля/строки», заслуживает отдельной статьи.
Успех голографии укрепил веру в истинность принципа дополнительности.
Более того, соответствие поля и струны позволило достаточно убедительно показать, что малые черные дыры могут образовываться и испаряться в теории струн в процессе, который может быть описан соответствующей квантовой теорией поля (хотя и не в деталях) - и поэтому этот процесс как и любой другой процесс в квантовой теории происходит с сохранением информации! К 2005 году даже Хокинг принял эту точку зрения: согласно принципу дополнительности, информация не теряется в черных дырах и что необходимо изменить общую теорию относительности, а не квантовую теорию.
Брандмауэр и нынешняя путаница
Однако в принципе взаимодополняемости имелись противоречия.Испарение черных дыр происходит настолько медленно, что в квантовой теории пока нет уравнений, описывающих этот процесс.
В поисках этих уравнений Альмхейри, Марольф, Полчински и Салли обнаружили, что при разумных предположениях принцип дополнительности содержит внутреннее противоречие, которое возникает, когда черная дыра испаряется примерно наполовину.
Доказательство довольно сложное, оно включает в себя квантовую запутанность, которую Эйнштейн назвал «жуткой» и которая используется в квантовых компьютерах.
Грубо говоря, примерно на полпути процесса из черной дыры исчезает столько информации из-за излучения Хокинга, что ее не хватает для отображения внутренней части черной дыры на горизонте с помощью голографии.
Следовательно, вместо того, чтобы наблюдатель провалился внутрь, спокойно пройдя через безобидный горизонт, как на рис.
6, наблюдатель не обнаружит никаких внутренностей, причем очень сильно - его поджарят, потому что брандмауэр (стена огня) висит прямо над горизонтом ( рис.
8).
Рис.
8 Возможность создания брандмауэра потребует фундаментальных изменений в общей теории относительности.
Если это правда, то оказалось бы, что описание черных дыр в общей теории относительности, с большим внутренним объемом, с горизонтом, является просто точкой невозврата (как на рис.
3), а не каким-то особым местом, где что-то происходит. , оказалось бы совершенно неверным после того, как черная дыра по существу испарилась бы.
Итак, парадокс возвращается! И еще хуже.
Оказывается, если квантовая теория и принцип дополнительности верны, ОТО не нужно менять частично – ее нужно серьезно переделывать! И нет никаких признаков таких изменений в теории струн, предоставившей пример голографии.
Но соответствие поля и струны предполагает, что квантовая теория может описать образование и испарение черных дыр, поэтому информация не исчезает. Можно ли чем-нибудь заменить принцип дополнительности? Или один из аргументов, создающих парадокс, неверен? Все в замешательстве.
Существует множество предположений по поводу решения этой загадки.
Большинство из них не доходят до вас.
Средства массовой информации рассказывают вам о Хокинге, потому что он знаменит, но он всего лишь один из многих голосов, обсуждающих разные идеи.
Все эти идеи страдают от одной проблемы: отсутствия уравнений, которые могли бы доказать и объяснить детали того, как они работают. А поскольку отсутствие уравнений привело к парадоксу брандмауэра, то вряд ли из этой ситуации можно выйти, опираясь на еще одно предположение с недостаточным количеством уравнений! Но хотя Хокинг — лишь один из многих, кто предложил, и хотя в его предложении отсутствуют уравнения и, скорее всего, оно будет неполным и, возможно, неправильным, вы, возможно, захотите узнать, что он предложил.
Без уравнений это довольно сложно понять, но вот как я могу это объяснить (рис.
9).
Хокинг отмечает, что, хотя внешняя часть черных дыр быстро становится проще, их внутренности могут быть очень сложными.
Сложные системы, такие как погода, обладают хаотическими свойствами, которые могут сделать их непредсказуемыми еще до использования квантовой теории.
Он предполагает, что эта сложность дестабилизирует горизонт и позволяет информации, зашифрованной внутри черной дыры, просачиваться наружу.
Поскольку это нарушило бы собственные теоремы Хокинга относительно общей теории относительности, я предполагаю, что это означает, что общую теорию относительности необходимо изменить.
И поскольку его предположение основано на AdS/CFT (соответствии поля и строки), я предполагаю, что он думает, что это должно произойти в теории струн.
А поскольку то, что попадает в черную дыру, все равно выйдет наружу, эти дыры на самом деле не черные — поэтому называйте их «серыми дырами», или «метастабильными связанными гравитационными состояниями», или «кажущимися черными дырами» — но «черными» могут и не быть.
вполне правильный термин.
Рис.
9: Я прошу прощения у Хокинга, поскольку ни я, ни кто-либо из окружающих не знает точно, что он имеет в виду.
Поэтому мне пришлось сделать приблизительный набросок того, что, по моему мнению, он пытается предложить.
Но у этого предложения есть много очевидных проблем, не последняя из которых заключается в том, что тайна брандмауэра проявляется в полуиспарившейся черной дыре, а не в конце ее жизни.
Поэтому черная дыра все еще довольно велика, когда информация начинает просачиваться наружу – и это очень сложно согласовать с предложением Хокинга.
Так что не ожидайте, что по предложению Хокинга будет достигнут консенсус, особенно без решения каких-либо конкретных уравнений.
В любом случае, все, что вы узнали о черных дырах, по сути верно.
Астрофизикам не нужно беспокоиться об изменениях в том, что, по их мнению, они знают о звездных или галактических черных дырах.
По крайней мере, для больших и не очень старых черных дыр предложение Хокинга не приведет к каким-либо измеримым изменениям.
И если вы упадете в яму, вы все равно не сможете выбраться или отправить сообщение кому-либо снаружи.
Итак, даже если окажется, что строгих черных дыр не существует, в центре почти каждой галактики Вселенной все равно будет «достаточно черная» дыра.
Не ждите, что эта 40-летняя загадка будет раскрыта в ближайшее время.
Ее решение, скорее всего, предложит какой-нибудь молодой физик, о котором вы ничего не знаете, или даже еще не родившийся человек.
Теги: #астрономия #Популярная наука #физика #квантовая физика #черные дыры #брандмауэр #излучение Хокинга #теоретическая физика #испарение черных дыр #исчезновение информации
-
Айфон В России. Почти
19 Oct, 24 -
Касперский Все Еще Зависает При Обновлении
19 Oct, 24 -
Openmoko В Qemu
19 Oct, 24 -
Новый Часовой Пояс – Новые Проблемы
19 Oct, 24
