Информационный парадокс. Как черные дыры помогут ученым определить границы Вселенной

Излучение Хокинга

Почти 50 лет назад Хокинг предположил, что черные дыры не только поглощают все вокруг, но и испускают определенные частицы благодаря квантовым флуктуациям.

Английский астрофизик считал, что в физическом вакууме вблизи горизонта событий черных дыр появляются так называемые квантовые поля или «виртуальные частицы».

Согласно квантовой теории поля, виртуальные частицы в областях пространства-времени с сильным внешним полем (собственно, черной дыры) могут прямо из вакуума превращаться в реальные частицы и античастицы.

Согласно Хокингу, одна из этих частиц падает внутрь черной дыры, а другая отдаляется от нее и становится доступна для нашего наблюдения. Видимая нам частица, которая и представляет излучение Хокинга, должна обладать положительной энергией, а ее античастица, которую поглотила черная дыра, имеет отрицательную энергию.

Излучение Хокинга означает, что энергия и масса черной дыры постепенно уменьшаются до полного ее исчезновения. Кроме этого, существование такого излучения противоречит основным принципам квантовой механики: «освобожденные» частицы должны включать информацию о своих античастицах, которые поглотила черная дыра.

Но сам Хокинг заявил, что излучение черных дыр — это термальный эффект, который не имеет ничего общего с сохранением информации о поглощенной материи.

В качестве аргументов ученый предоставил расчеты, согласно которым температура излучения черной дыры напрямую зависела от массы черной дыры; частицы излучения одной черной дыры невозможно отличить от аналогичного излучения другой; античастицы пропадают навсегда, не оставляя после себя никакой информации. Это и назвали парадоксом исчезновения информации.

Несмотря на это, некоторые современные ученые считают, что информацию из черной дыры все же можно «вытащить обратно».

Космологический горизонт событий

Как и любая черная дыра, наша Вселенная также имеет собственный горизонт событий. Сегодня астрофизики полагают, что ускоренное расширение пространства благодаря темной энергии захватывает свет точно так же, как это делают черные дыры.

Таким образом, всю Вселенную должен окружать «сферический космологический горизонт событий», который находится на расстоянии около 16 миллиардов световых лет и оставляет все за этим пределом во тьме.

Главное отличие заключается в том, что за горизонтом событий черной дыры пространство-время постоянно сжимается, а за горизонтом событий Вселенной оно, наоборот, постоянно и равномерно расширяется.

Для решения парадокса исчезновения информации в 1990-х ученые представили так называемый «голографический принцип», согласно которому теория квантовой гравитации (с помощью которой описывают черные дыры) должна быть сформулирована не в трех измерениях, а в двух, подобно любому плоскому объекту.

Это связано с тем, что энтропия черной дыры (мера того, сколько вещества можно поместить внутрь нее) пропорциональна двумерной площади горизонта событий этой черной дыры.

«В расчетах 2019 года способ кодирования информации внутри черной дыры в излучении Хокинга математически аналогичен тому, как гравитационная система кодируется в низкоразмерной негравитационной системе в соответствии с голографическим принципом. И эти методы можно использовать в ситуациях, более похожих на нашу Вселенную, что дает потенциальную возможность для понимания голографического принципа в реальном мире», — пишет физик-теоретик из Калифорнийского университета Санта-Круз Эдгар Шагулян.

По его словам, применение методов анализа черных дыр к космологическому горизонту событий позволит узнать, сколько всего вещества может быть в нашей Вселенной.

Новая теория

«Если мы хотим применить наши новые инструменты из изучения черных дыр к проблемам космологии, мы должны найти способ взглянуть на космологический горизонт извне. Существуют разные способы построения взгляда со стороны. Один из самых простых — рассмотреть гипотетическую вспомогательную вселенную, которая квантово-механически запутана с нашей собственной, и выяснить, может ли наблюдатель во вспомогательной вселенной получить доступ к информации в нашем космосе, который находится за горизонтом наблюдателя», — объясняет Шагулян свой новый исследовательский метод.

Вместе с Томасом Хартманом и Икуном Цзяном из Корнеллского университета физики-теоретики построили модели «вспомогательных вселенных», которые подтвердили, что наблюдатель может получить доступ к информации за космологическим горизонтом так же, как мы можем получить доступ к информации за горизонтом событий черной дыры.

Проблема с этими модели заключалась в том, что в них использовали гипотетические вселенные, которые сжимаются, а не расширяется, поскольку их гораздо проще описать с точки зрения квантовой космологии.

«Несмотря на впечатляющий прогресс, до сих пор мы не могли напрямую применить то, что узнали о горизонтах черных дыр, к космологическому горизонту нашей Вселенной из-за различий между этими двумя типами горизонтов. Конечная цель? Никакого взгляда со стороны, никакой сжимающейся Вселенной, никаких обходных путей: нам нужна полная квантовая теория нашей расширяющейся Вселенной, описанная с нашей точки зрения», — говорит физик-теоретик.

На данном этапе ученые планируют использовать инструменты теории струн для голографического описания горизонтов черных дыр и космологического горизонта. В этой теории элементарные частицы рассматривают как «вибрирующие струны», которые могут быть основой расширяющейся Вселенной.

«Существует долгая история физиков, которые всегда обращались к космологии после того, как узнавали что-то новое о черных дырах. История часто была одной и той же: мы были побеждены и унижены, но, зализав наши раны, мы возвращались, чтобы узнать больше о том, чему нас должны научить черные дыры. В данном случае глубина наших знаний о черных дырах и широта интереса ученых всего мира к квантовой космологии могут рассказать новую историю», — резюмирует Шагулян.