Клиффорд Саймак – Млечный путь № 1 2018 (страница 44)

Частицы с положительной энергией летят наружу от горизонта событий, поэтому издалека они выглядят как некое излучение, получившее название излучение Хокинга. Частицы с отрицательной энергией поглощаются черной дырой, поэтому их нельзя непосредственно наблюдать, однако их можно обнаружить косвенным способом. Подобно тому как масса черной дыры растет при поглощении всего, что обладает положительной энергией, она также уменьшается при поглощении всего, что имеет отрицательную энергию. Эти два процесса в совокупности делают черную дыру похожей на кусок горящего угля: черная дыра беспрестанно излучает направленный наружу поток излучения по мере того как ее масса уменьшается. То есть, если добавить квантовую механику, то черные дыры перестают быть абсолютно черными. Открытие Хокинга было как гром среди ясного неба.

Однако это вовсе не означает, что типичная черная дыра нагрета до красного свечения. По мере того как поток частицы летит от черной дыры, он должен преодолевать невероятное сопротивление со стороны ее гравитационного притяжения. На это частицы тратят свою энергию и поэтому значительно остывают. Хокинг вычислил, что наблюдатель, находящийся достаточно далеко от черной дыры, обнаружит, что температура остаточного «утомленного» излучения обратно пропорциональна массе черной дыры. Огромная черная дыра, подобная находящейся в центре нашей Галактики, имеет температуру менее триллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Черная дыра с массой Солнца будет иметь температуру меньше чем миллионная доля градуса, даже меньше, чем температура в 2,7 градуса реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Чтобы температура черной дыры была достаточно высока, чтобы приготовить барбекю для всей семьи, ее масса должна быть примерно в десять тысяч раз больше массы Земли, а это экстраординарно малая величина в космических масштабах.

Однако само значение температуры черной дыры не столь важно. Хотя излучение, идущее от удаленных астрофизических черных дыр, не сможет осветить ночное небо, тот факт, что они действительно имеют температуру, что они действительно излучают, означает, что эксперты поспешили отбросить гипотезу Бекенштейна о том, что черные дыры действительно обладают энтропией. Хокинг великолепно справился с этой задачей. Его теоретические вычисления, определяющие температуру данной черной дыры и испускаемого ею излучения, дали все необходимые данные для определения количества энтропии, которую, согласно стандартным законам термодинамики, должна иметь черная дыра. Полученный ответ оказался пропорционален площади поверхности черной дыры, как и предполагал Бекенштейн.

Итак, к концу 1974 года Второй закон вновь стал законом. Открытия Бекенштейна и Хокинга выявили, что в любой ситуации полная энтропия возрастает, если при этом учитывать не только энтропию обычного вещества и излучения, но также и находящуюся внутри черных дыр и определяемую площадью их полной поверхности. Вместо того чтобы быть стоком для энтропии и приводить к нарушению Второго закона, черные дыры играют активную роль в исполнении этого закона во вселенной с постоянно увеличивающимся беспорядком.

Это заключение вызвало долгожданное облегчение. Для многих физиков Второй закон, основанный на, казалось бы, неоспоримых статистических рассуждениях, стал священным как практически никакой другой в науке. Его воскрешение означало, что с этим миром опять все в порядке. Но со временем появилась небольшая, но первостепенно важная запись в бухгалтерской книге энтропии, которая показала, что вопрос о справедливости Второго закона не является самым приоритетным. Эта честь досталась задаче о месте хранения энтропии, задаче, важность которой станет очевидной, когда мы выявим глубокую связь между энтропией и центральной темой этой главы – информацией».

***

О другом интересном и пока не разгаданном явлении, открытом Хокингом и связанным с черными дырами, пишет на сайте «Элементы» научный журналист Игорь Иванов http://elementy.ru/novosti_nauki/430149/Informatsionnyy_paradoks_chernykh_dyr_slegka_rasputan:

«Квантовая информация обладает поразительным свойством: она может физически присутствовать в нашем мире, но быть совершенно недоступной для “считывания”. Это свойство отчасти разрешает информационный парадокс черных дыр.

Многие “парадоксы”, с которыми иногда приходится сталкиваться в жизни, являются на самом деле не настоящими логическими противоречиями, а лишь результатом неправильного использования терминов и понятий там, где их применять нельзя. Преподаватели знают, что очень полезно ставить перед студентом такого рода “парадоксы” для углубления понимания дисциплины.

На удочку, похоже, попались сами ученые. Как утверждают Ли Смолин и Дж. Оппенгейм, знаменитый клубок парадоксов, связанных с (не)исчезновением информации в черной дыре, возникает, по крайней мере, отчасти из-за неправильного использования понятия информации в квантовой теории.

Напомним вкратце суть проблемы.

Квантовая механика прекрасно описывает мир микрочастиц, в котором гравитация столь слаба, что ею обычно пренебрегают. Общая теория относительности, наоборот, описывает гравитационные явления в астрономических масштабах, там, где квантовые эффекты не важны. Обе эти теории безупречно выполняются в своих областях применимости и не мешают друг другу.

По-настоящему столкнулись эти две теории в 1975 году, когда Стивен Хокинг открыл, что черные дыры обязаны “испаряться”: фотон за фотоном излучать свою энергию в окружающее пространство, сами при этом постепенно уменьшаясь. Тут-то и оказалось, что свойства этого процесса, вычисленные по теории относительности, противоречат основным постулатам квантовой теории. Получается, либо общая теория относительности, либо квантовая механика в этом конкретном процессе перестанут работать, но кто именно – пока неизвестно (впрочем, сам Стивен Хокинг уже пришел к определенной точке зрения).

Физики эту дилемму обычно формулируют в виде информационного парадокса. При теоретическом описании любого тела физики оперируют характеризующей его информацией: количеством молекул, их движением, их взаимным расположением и т.п. И при падении тела в черную дыру эта информация поглощается вместе с телом.

Если приближение, использованное Хокингом в вычислениях, справедливо, то черная дыра будет служить универсальным уничтожителем информации. Не важно, что и в каком состоянии в нее упадет: в результате испарения будет всегда один и тот же беспорядочный набор фотонов. Первоначальная информация, заключенная в теле, исчезает из нашего мира напрочь, и это противоречит одному из главных постулатов квантовой механики.

Если же вычисления Хокинга неточны, а квантовая механика, наоборот, применима и в этом случае, то вылетающие фотоны будут содержать в себе информацию об упавшем в черную дыру теле, и ее, теоретически, можно восстановить, полностью или частично (хоть с практической точки зрения это нереально). Остается, однако, непонятным, почему в этом случае не срабатывает теория относительности.

Были, конечно, и попытки примирить эти две теории. Например, можно предположить, что информация не исчезает, а лишь накапливается внутри черной дыры, оставаясь недоступной внешнему миру. И лишь в последний момент, когда испарятся последние остатки микроскопической черной дыры (для которой расчеты Хокинга заведомо неприменимы), вся информация и выйдет наружу. Впрочем, скептики сразу же возразили: микроскопическая черная дыра слишком мала, чтобы удержать столько информации, а значит, это предложение не проходит.

И вот тут-то интуиция и подвела физиков. На самом деле, как подчеркивается в статье, из того факта, что информация пока что не вышла из черной дыры, вовсе не следует, что она все еще внутри!

Авторы напоминают, что свойства квантовой информации отличаются от свойств обычной, классической информации. Квантовая информация не обязана быть локализована где-то в пространстве и, как недавно было обнаружено, ее часто нельзя разделить на части. Иными словами, если взять “квантовую книгу” и разделить ее на две части, то может оказаться, что ни одна из половинок не даст нам вообще никакой информации.

В случае черных дыр возможна даже такая ситуация: материальные носители, фотоны, в процессе утечки информации наружу нам доступны, мы знаем, что они как-то кодируют в себе эту информацию, но расшифровать ее нельзя даже в принципе. Грубо говоря, невозможно определить, что именно у фотонов надо измерить, чтобы извлечь эту информацию.

Получается, что весь огромный объем информации вовсе не обязан прятаться внутри черной дыры; он может присутствовать во внешнем мире, но быть столь «намертво» зашифрованным, что окажется недоступным ни для какого наблюдения. Для того, чтоб получить доступ к этой “летописи”, надо дождаться самых последних битов этого потока информации (а их микроскопическая черная дыра удержать вполне может), которые и послужат ключом к полной расшифровке.

Авторы подчеркивают, что они вовсе не предъявляют полное решение информационного парадокса черных дыр: оно будет получено лишь после создания более или менее цельной теории квантовой гравитации. Однако они доказывают, что, по крайней мере, некоторые грани этой проблемы есть лишь следствие неправильных аналогий и к исходному вопросу имеют мало отношения».