Черные дыры и информационный парадокс

Струнная теория может также пролить свет на некоторые из глубочайших парадоксов физики черных дыр, таких как информационный парадокс. Как вы помните, черные дыры не абсолютно черные, они испускают малые количества излучения посредством туннелирования. Согласно квантовой теории, существует небольшая вероятность того, что излучение может вырваться из тисков гравитации черной дыры. Это приводит к медленной утечке излучения из черной дыры. Такое излучение называется излучением Хокинга.

Этому излучению, в свою очередь, присуща некоторая температура (которая пропорциональна площади поверхности горизонта событий черной дыры). Хокинг дал общий вывод этого уравнения, который не отличался доскональной точностью. Однако более тщательный вывод потребовал бы привлечения всей мощи статистической механики (основанной на подсчете квантовых состояний черной дыры). Обычно расчеты в статистической механике осуществляются как подсчет количества состояний, в которых может находиться атом или молекула. Но как можно подсчитать квантовые состояния черной дыры? Согласно теории Эйнштейна, черные дыры абсолютно гладкие, а потому посчитать их квантовые состояния представляется довольно проблематичным.

Ученые, занимающиеся теорией струн, изо всех сил стремились закрыть этот пробел, поэтому Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа из Гарварда решили проанализировать черную дыру при помощи М-теории. Поскольку с самой черной дырой работать было слишком сложно, они избрали другой подход и задали умный вопрос: что дуально по отношению к черной дыре? (Мы помним, что электрон дуален по отношению к магнитному монополю, такому как единичный северный полюс. Отсюда путем изучения электрона в слабом электрическом поле, что достаточно просто, мы можем проанализировать гораздо более сложный эксперимент: монополь, помещенный в очень большое магнитное поле.) Итак, ученые надеялись, что дуальный по отношению к черной дыре объект окажется более легким в исследовании, хотя в конечном счете они получат тот же самый результат. При помощи ряда математических процедур Строминджеру и Вафе удалось показать, что черная дыра дуальна по отношению к скоплению одно-бран и пяти-бран. Это принесло ученым огромное облегчение, поскольку квантовые состояния этих бран были известны. Когда Строминджер и Вафа посчитали количество квантовых состояний, они обнаружили, что оно в точности соответствовало результату, приведенному Хокингом.

Это стало приятной новостью. Струнная теория, часто высмеиваемая за то, что она не связана с реальным миром, давала, возможно, самое изящное решение термодинамики черной дыры.

Теперь ученые, работающие с теорией струн, пытаются подступиться к более сложной проблеме в физике черных дыр – информационному парадоксу. Хокинг доказал, что если бросить что-либо в черную дыру, то информация, заключенная в этом объекте, будет утеряна безвозвратно и навсегда. (Так можно было бы совершить идеальное преступление. Преступник мог бы воспользоваться черной дырой, чтобы уничтожить все обличающие его улики.) Единственными параметрами, которые мы можем измерить для черной дыры на расстоянии, являются ее масса, спин и заряд. Не имеет значения, что бросить в черную дыру, – все равно вся информация, содержащаяся в объекте, будет утеряна. (Это соответствует утверждению о том, что «у черных дыр нет волос», что они «лысые», то есть потеряли всю информацию – все «волосы», за исключением этих трех параметров.)

Потеря информации из нашей Вселенной кажется неизбежным следствием теории Эйнштейна, но это противоречит принципам квантовой механики, которые гласят, что в действительности информацию потерять нельзя. Эта информация должна парить где-то в нашей Вселенной, даже если изначально содержащий ее объект бросили в пасть черной дыры.

Хокинг писал: «Большинству физиков хотелось бы верить, что информация не теряется, поскольку тогда мир стал бы безопасен и предсказуем. Но я считаю, что если серьезно подходить к общей теории относительности Эйнштейна, то необходимо принять во внимание возможность того, что пространство-время запутывается в узлы и вся информация теряется в образующихся складках. Выяснение того факта, теряется в действительности информация или нет, является одним из основных вопросов теоретической физики на сегодняшний день»{144}.

Этот парадокс, ставший тем пунктом, в котором Хокинг разошелся во мнении с большинством специалистов по струнной теории, все еще не нашел своего разрешения. Но ставки среди этих ученых делаются в основном на то, что в конечном счете мы обнаружим, куда девается теряемая информация. (Например, если в черную дыру бросить книгу, то вполне вероятно, что информация, заключенная в книге, плавно просочится обратно в нашу Вселенную в виде крошечных вибраций, содержащихся в излучении Хокинга испаряющейся черной дыры. Или, возможно, эта информация появится из белой дыры по другую сторону черной.) Именно поэтому лично я считаю, что если кто-нибудь вычислит, что происходит с информацией, когда она исчезает в черной дыре согласно струнной теории, то он (или она) обнаружит, что в действительности информация не теряется – она незаметно появляется где-то еще.

В 2004 году Хокинг, к всеобщему удивлению, заявил перед телекамерами, что он пересмотрел свои взгляды на проблему информации, и этим заявлением обеспечил себе место на первой странице The New York Times. Он признал, что ошибался в этом вопросе. (За тридцать лет до того Хокинг поспорил с другими физиками, что информация не могла утечь из черной дыры. Победитель этого пари должен был купить проигравшему хорошую удобную энциклопедию.) Хокинг заново провел некоторые из своих расчетов и сделал вывод, что если такой объект, как книга, попадал в черную дыру, то он мог нарушить поле испускаемого черной дырой излучения, тем самым позволяя информации утекать обратно во Вселенную. Информация, содержащаяся в книге, была бы закодирована в излучении, медленно просачивающемся за пределы черной дыры, но уже в искаженной форме.

С одной стороны, такой подход поставил Хокинга в один ряд с большинством квантовых физиков, которые считают, что информация не может быть утеряна. Но это также вызвало следующий вопрос: может ли информация попасть в параллельную вселенную? На первый взгляд, результат Хокинга ставил под сомнение идею о том, что информация может попасть через портал-червоточину в параллельную вселенную. Однако никто не верит в то, что в этом вопросе сказано последнее слово. До тех пор пока не будет полностью разработана струнная теория или не будет проведен полный квантовый гравитационный расчет, никто не поверит, что информационный парадокс полностью разрешен.