Итан Сигель: Почему всех так волнует парадокс с исчезновением информации в чёрной дыре

http://www.forbes.com/sites/ethansiegel/2015/09/05/why-the-black-hole-information-paradox-is-such-a-problem/
  • Перевод
Вы, наверно, думаете, что для того, чтобы вырваться из гравитационного притяжения нашей Земли, нужно очень много энергии. Но притяжение нашей планеты ничто по сравнению со многими другими объектами Вселенной. Даже такие вещи, как Солнце, целая галактика или нейтронная звезда меркнут перед небольшим, компактным районом космоса, наполненным таким количеством материи и энергии, что вам пришлось бы двигаться быстрее света, чтобы вырваться из его гравитации. Это и есть чёрная дыра — район, где гравитация так сильна, что ничто, даже свет, не сможет вырваться оттуда.

image

Чёрная дыра, возникающая обычно после коллапса сверхмассивного ядра звезды, неизбежно схлопывается в сингулярность, условий которой никакая материя, включая элементарные частицы, не смогут выдержать. Несколько пространственных измерений сворачиваются в точку или кольцо, и известные законы физики перестают работать.

Проблема чёрных дыр связана с информацией, падающей в них. По нашим представлениям, во Вселенной существуют конкретные свойства материи и энергии, содержащие информацию. Частица вроде протона или электрона имеет не только массу, электрический заряд и спин, но и квантовые свойства – барионное число, лептонное число, слабый гиперзаряд, цветной заряд и квантовую запутанность, связывающую частицы. Если вы создадите чёрную дыру из кучи частиц (обычно для этого нужно 1058 частиц), и у каждой будут свои особые свойства,– причём, это могут быть не только протоны и электроны, но и нейтроны, фотоны, нейтрино, антинейтрино, позитроны, и прочие,– то их информация должна неким осмысленным образом попасть в чёрную дыру.

image

Но чёрные дыры ничего этого не помнят. Судя по всему, они описываются лишь массой (определяемой суммарным количеством массы и энергии, которую они поглотили), электрическим зарядом и угловым моментом (описывающим их спин).

Так куда девается вся информация? Чёрная дыра, возникшая из коллапса обычной звезды, по закодированной внутри информации в принципе должна очень сильно отличаться от дыры, произошедшей от звезды, состоящей из антиматерии — и всё же, эта информация не оказывается закодированной в чёрной дыре! Если взять две идентичные чёрные дыры, добавить в одну кучу нейтронов, а в другую – равную смесь протонов с электронами, так, чтобы их массы сравнялись, у них должны были бы быть разные свойства, поскольку они должны были бы содержать разные барионные и лептонные числа. Но известно, что никакой разницы между ними не будет. Невозможно будет различить их.

image

Можно решить, что спасение содержит в себе горизонт событий, поскольку эта граница, за которую не может выйти свет, кажется «замороженной» в том смысле, что всё, что упадёт на него, навсегда останется в виде закодированной информации на поверхности. Это её свойство было открыто в 1939 году. Но в 1974 году Стивен Хокинг показал, что это не так. На длительных промежутках времени квантовая сущность Вселенной и тот факт, что в искривлённом пространстве горизонта событий происходят флуктуации частиц и античастиц, означают, что чёрные дыры будут излучать как абсолютно чёрное тело, что в итоге приведёт к их испарению.

image

И это является большой проблемой современной физики, поскольку та квантовая информация, которая попадает в чёрную дыру, должна сохраняться по фундаментальным законам. Но то, что исходит из чёрной дыры, — излучение абсолютно чёрного тела, — не содержит никакой информации!

Вот вам и парадокс. Как его решить? Физики считают, что существует некий неизвестный нам способ (возможно, требующий квантовой теории гравитации), который всё-таки кодирует информацию, «замороженную» на горизонте событий, в исходящем излучении. Но кодирует ли? И если да, то как? Никто не знает. Недавнее объявление Стивена Хокинга было небольшим шагом к ответу на этот вопрос, и, скорее всего, тупиковой ветвью развития идеи – как и большинство гипотетических идей на этом поприще.

image

Как только появляется конфликт между предсказаниями теорий:
  • что существуют свойства, которые должны сохраняться
  • и что финальное состояние системы содержит отличные значения этих свойств по сравнению с начальным состоянием

то он представляет угрозу научному развитию. Этот парадокс являет собою проблему, поскольку он говорит, что наше текущее представление о чём-либо неполно. Есть ли новый закон физики? Есть ли новое приложение известных законов, которое мы пропустили? Или же эти свойства всё-таки не сохраняются? Кодируется ли информация в конечном состоянии? Прояснит ли этот вопрос квантовая гравитация?

Мы надеемся, что получим ответ на эти вопросы. А пока наличие парадокса означает, что у нас есть проблема, и значит, нам есть, чему учиться. И для всех интересующихся научными истинами о Вселенной это является доказательством того, что есть ещё много всего, что нам предстоит понять.
Метки:
Поделиться публикацией
Комментарии 52
  • +3
    Позволю себе еще раз упомянуть отличную книгу по этой теме для интересующихся

    image
    • +1
      О, это отличная книга. Рекомендуется читать ее, статья как-то света вообще не проливает(
      • +2
        Не проливает, как и большинство статей от Итана тут.
        Если мы положим миллион баксов или миллион рублей в сейф, почему сейф снаружи должен как-то выглядеть по-разному в этих случаях? Не понятно.
        • 0
          Если посмотреть на сейф не только в диапазоне видимых излучений то отличия будут очевидны.
          • 0
            А если он из такого материала, который вообще ничего не пропускает? Легко могу представить. Или представьте, что есть только видимый диапазон. Тоже легко, надеюсь.
  • +6
    Я всё-равно не понимаю проблему.

    Берем «Войну и мир» и «Капитал», сжигаем их. Остаются две неотличимые кучки пепла. Информация исчезает и никого это не удивляет. Почему удивляет исчезновение информации в черной дыре?
    • +2
      Почему же исчезает? Эта кучка пепла будет состоять всё из тех же частиц!
      • +3
        Однако их «организация потеряется» — буквы, слова, текста. На каком-то уровне это то же что и с чёрной дырой.
        Сжигаем кучу протонов — от них остаётся всё та же масса. А её организация теряется. Не?
        • 0
          Не должна теряться. вошел красный шарик, и выйти должен такой же. Но с ЧД такое не прокатывает, вошел красный шарик а вышло… неизвестно что вышло поскольку всё застряло в горизонте событий. Получается вроде как вся масса ЧД находится именно в горизонте событий, там вероятно такая плотность что ядра частиц смешиваются друг с другом. Но даже если бы это происходило — информация никуда не исчезает она лишь трансформируется.
          Но ученые утверждают что исчезает информация!

          Я вот подумал, что если во вселенной существует информационный баланс то если в ЧД информация исчезает… то чем она компенсируется и где?
          А может большой взрыв породил дикое количество информации, которая теперь естественным образом потихоньку исчезает в ЧД и когда ЧД поглотит последний эрг во вселенной наступит схлопывание и очередной большой взрыв.
          • +1
            >>Не должна теряться.

            Так в этом то и вопрос. Почему не должна? Разве есть какой-то закон сохранения информации?
            • +4
              По моему тут проблема в том что учёные называют информацией. Мне кажется они что то другое имеют ввиду, не то что мы привыкли подразумевать под этим термином.
              • 0
                В данном случае под «информацией» понимается совокупность состояний материальной вселенной. Грубо говоря, для примера про «сгорание» двух книг, мы можем дифференцировать этот процесс и в приращениях проследить за всеми трансформациями вещества и энергии. Соответственно, по конечному состоянию системы из внешней среды, излучения в ней и двух кучек пепла мы, при достаточных вычислительных мощностях, можем восстановить исходное состояние системы.

                Грубо говоря-2, при условии детерминированности модели мы можем по текущему её состоянию восстановить любое её состояние. Под «моделью» тут можно понимать «физическую модель вселенной», а, под «текущим состоянием» зафиксированное в произвольный момент времени состояние энергетической конфигурации этой вселенной.
                • 0
                  >>при условии детерминированности модели
                  А разве квантовая физика не покончила с детерминированными моделями лет сто назад?
                  • 0
                    «Любой образованный человек знает, что квантовая физика покончила с детерминированными моделями сто лет назад»
                    (ну и так далее типа geektimes.ru/post/238481 )

                    «Монада непознаваема самой собой» и это есть корневое ограничение наших методов моделирования. Если нам не хватает выразительности математического аппарата и прикладных знаний для создания детерминированной модели, это не значит, что её нет.
                    • +2
                      >>Если нам не хватает выразительности математического аппарата и прикладных знаний для создания детерминированной модели, это не значит, что её нет.

                      Согласен. Но какие у нас есть основания полагать, что детерминизм возможен в принципе?
                      • +1
                        А какие — отрицать эту возможность?

                        Собственно, квантовая механика, как прикладной инструмент квантовой физики, и есть иллюстрация к этому. Вроде детерминизм невозможен, волновая функция схлапывается необратимо, но нужен конечный инструмент.

                        Да и само схлапывание волновой функции многими интерпретируется как проекция, т.е. необходимы большие знания о нашем пространстве энергии-времени для того, чтобы по этой проекции восстановить оригинальный образ. Вполне возможно, что нам это вообще не по силам (как не по силам рисованным человечкам на листе бумаги понять, что они могут быть лишь контурами поверх проекции объёма). В то же време, вполне возможно, что и по силам (при достаточном уровне развития абстрактных методов познания).

                        Очень уж всё намекает на то, что информация — это ещё одно агрегатное состояние вещества.
                    • 0
                      Тут резко запахло скрытыми параметрами, которых, как известно, нет.

                      Природа на микроуровне действительно недетерминированна.
                      • 0
                        Если вы говорите о нарушении неравенства Белла, то нужно уточнить что нет локальных скрытых параметров, то есть остается место для нелокального детерминизма. Данную концепцию развивает механика Бома.
                  • +2
                    квантовая механика так-же обратима во времени как и классическая (за исключением момента редукции волновой ф-ции в момент измерения)
            • 0
              Есть законы сохранения лептонного и барионного зарядов. А если информация исчезает в горизонте событий (т.к. исчезают эти заряды ), то эти законы тоже нарушаются.
              • 0
                А если носитель информации не имеет заряда? Волна, например.
            • 0
              Квантовая механика устроена так, что все эволюции изолированной системы должны описываться унитарными операторами. Потеря информации означает на языке квантовой механики неунитарность этого оператора, если я правильно понимаю.
          • 0
            поскольку всё застряло в горизонте событий.

            А может быть, дело в слове «застряло»? Сколько времени (по часам внешнего наблюдателя) нужно частице, чтобы долететь до горизонта событий? Уж не бесконечность ли?
            • 0
              Бесконечность — если частица маленькая. Кто-то когда-то мне уже объяснял. А если две черные дыры столкнуть, то время будет, наверное, конечно
    • +8
      С точки зрения обратимости времени, сжигание книги не уничтожает информацию — да, частицы книги вступают в реакции с окислителем и излучают всяческие фотоны в процессе, но если запустить процесс вспять, то из кучи пепла можно получить в точности изначальную книгу.

      С черными дырами проблема в том, что процесс падения вещества в черную дыру не получается обратить. У них, насколько известно, нет «внутреннего состояния», только заряд, масса и скорость вращения. Поэтому при обращении времени возникает вопрос, когда из черной дыры должна вылететь частица, и что это за частица должна быть. В поведении самой ЧД нет ничего, что указывало бы на то, что из нее что-то вообще должно бы вылетать при обращении времени, в этом сложность.
      • 0
        Книга в данном примере — эмерджентная система, а информация — одно из ее неотъемлимых свойств. Если вы возьмете те же частицы, которые образуют книгу, ни одна из них не будет нести той же информации. И даже сумма этих частиц (суть кучка пепла) тоже не будет нести этой информации, так как не будет представлять собой организованную систему.

        Можно ли частицы считать эмерджентными системами, подобно книге, пусть ответит кто-то знающий, яхзваще
      • +1
        Спасибо за уточнение, что речь про пространство-время.
        А то я тоже не мог понять, почему их удивляет потеря информации
        Для ученых походу — это само собой разумеющееся, что время можно вспять запустить.
        Нам мартышкам даже не уточняют такие мелочи.
        • +5
          Дело не в запуске вспять, а в том, что уравнения которые привели к данному состоянию книги (волновая функция) таковы, что в каком-то смысле, обратив их и т.д., можно восстановить все что было в книге, потому что вся нужная для этого информация никуда не девается.

          Вообще не знаю, кто этот Итан, которого все время печатают на гике, но его объяснения ничего не объясняют и только путают. Я предпочитаю читать вики. Там все намного яснее.
          • 0
            А не работает ли квантовая неопределённость и в обратную сторону? Не может ли случиться так, что одно и то же состояние настоящего может возникнуть из различных состояний прошлого (в том числе, из разных содержаний сожженной книги)?
          • 0
            Таким образом, в процессе гравитационного коллапса для внешнего наблюдателя нарушаются законы сохранения квантовых чисел, не связанных с калибровочными преобразованиями, как, например, барионный и лептонный заряды.


            Я прям всё понял сразу в википедии.
    • +2
      Окружаете костёр детектором фотонов, полностью анализируете весь спектр излучения и его угловое распределение, перебираете эти кучки пепла с точным расположением каждого атома, при этом делаете это в вакууме чтобы исключить разрушающее действие окружающей среды (или тоже полностью берете её под контроль) — и восстанавливаете Войну и Мир.
    • +3
      Тут скорее вот о чем речь. Если запустить в книгу протоном, то она перейдет в состояние А. А если запустить нейтроном, то в состояние B. Таким образом по текущему состоянию книги можно понять какая частица в нее попала. Если убрать эту частицу, то книга перейдет в предыдущее состояние, по которому тоже видно какая частица перед этим попала в книгу. И таким образом в теории можно восстановить с чем и как взаимодействовала книга (как горела, как печаталась, откуда бумага)

      А черная дыра переходит в одно и то же состояние вне зависимости от того, какой тип материи в нее попал, значение имеет только масса материи. То есть нельзя исходя из текущего состояния черной дыры понять что и когда в нее попало
      • 0
        Это если вы находитесь снаружи, а внутри горизонта событий теоретически ничто не мешает прочитать состояние, почему обязательно должна быть возможность сделать это снаружи? Информация из огромных участков Вселенной никогда уже не достигнет нас, но никто не рассматривает это как утерю информации.
        • 0
          Я не знаю, может прочитать эту информацию мешает то, что
          Несколько пространственных измерений сворачиваются в точку или кольцо, и известные законы физики перестают работать


          А в удаленных участках вселенной законы все же должны работать.

          К тому же, если излучение Хокинга действительно есть и рано или поздно дыра испарится, то куда денется эта внутренняя информация? В излучении ее, насколько я понимаю, нет
          • +1
            Несколько пространственных измерений сворачиваются в точку или кольцо, и известные законы физики перестают работать
            Это уже чистой воды домыслы. Прямо-таки за горизонтом событий сворачивается и законы сразу отменяются?
            А вот про испарение похоже на правду.
          • 0
            Ну и кстати, если известные законы физики в черной дыре не работают, почему бы информации и не пропадать ;)
          • 0
            >В излучении ее, насколько я понимаю, нет
            У меня наивный вопрос. а откуда ученые уверены что нет? ЧД настолько далеки от нас, и, насколько я понимаю, излучать должны ооочень медленно. Неужели наблюдатели на земле могут так точно зафиксировать что именно происходит? Или просто к такому выводу пришли на основании чего-то? Тогда чего?
          • 0
            Кстати, мне вот подумалось: когда ЧД испаряется, ее радиус Шварцшильда ведь уменьшается, значит, есть вероятность, что какой-то фотон, находившийся за горизонтом событий окажется снаружи и сможет вылететь? Возможно в итоге таким образом информация и будет выбираться?
            • 0
              то есть относительно горизонта событий фотон будет двигаться быстрее скорости света? Ведь фотон, летящий со скоростью света не может преодолеть горизонт событий в этом направлении по самому определению горизонта событий
              • +1
                Это зависит от модели. Если в модели предполагалась ЧД с неизменными характеристиками, то при испарении ЧД ее ГС вполне может «обогнать» особо удачливую частицу — ведь самому ГС двигаться со сверхсветовой скорость разрешено.

                Разумеется, можно уточнить модель, учесть возможное испарение ЧД — и построить область, попав в которую частица теряет шансы выбраться даже с помощью испарения ЧД, назвав границу этой области «настоящим» ГС. Вот только в этой самой новой модели будет ли верна теорема, что у ЧД нет никаких характеристик кроме массы, электрического заряда и спина?

                PS вот еще один вопрос. На микрорасстояниях же сильные и слабые взаимодействия намного сильнее гравитационного. Не может ли получиться, что при достижении испаряющейся ЧД некоторой минимальной массы у нее просто перестанет хватать плотности чтобы оставаться ЧД, и горизонт событий попросту исчезнет?
              • 0
                Горизонт событий — это все же не материальный объект, а условная граница, почему нет?
    • 0
      Можно узнать сколько частиц из которых состоит краска превратились в оксиды, сколько окислилось материала страниц. Зная исходное состояние и химию можно будет установить какой именно книгой была конкретная кучка пепла. С черной дырой, вроде как, такое не получается. По аналогии с книгами можно будет узнать только исходную массу тома, но никак не отличить содержание от другого тома той же массы.
  • +1
    Не понимаю, почему всё время чёрная дыра рассматривается, как нечто отдельное от остальной вселенной. Почему бы не рассматривать её как недоступную область всё той же вселенной. Разве при этом 2-ой закон термодинамики будет нарушаться? Хокинг в «Истории времени» описывает пример с банкой краски, дескать, если покрасить стены в комнате, порядок возрастёт, но т.к. упорядоченная материя «краска» будет израсходована, то общая энтропия увеличится. Почему бы с ЧД не рассматривать тот же такой же сценарий. Энтропия во внешней части вселенной уменьшилась, а в ЧД увеличилась, баланс сохранился. Ну или я совсем запутался…
    • +5
      До испарения всё было так. А потом получилось, что испариться дыра может целиком, при этом излучение не несёт информации. Получается, что информация исчезла бесследно.
      • –3
        Я, как диванный эксперт, хотел бы дополнить, что излучение Хокинга — это поглощение античастицы (с отрицательной энергией) черной дырой, что влечет к уменьшению массы черной дыры. Получается, что масса черной дыры уменьшается, но информация попавшая внутрь (от частиц с положительной энергией) не может вырваться наружу.
        Через определенное количество миллиардов(тут не знаю сразу ставить сотен или тысяч) масса ЧД будет мала настолько, что она исчезнет, и получается, что информация попавшая туда безвозвратно пропала. В данном случае есть теории, что информация уходит через червоточины за сингулярность.
        Возможно, что при этом процессе увеличивается плотность этой самой дыры, и когда вся система придет в нестабильное состояние(какая-то критическая плотность плотность при недостаточной энергии) произойдет очередной большой взрыв.
  • 0
    Странная мысль: не может ли потеря информации в черных дырах и быть тем самым нарушением CPT-симметрии, которую безуспешно ищут в соседней комнате?..
  • 0
    Написана какая-то попса. Вот почитайте:
    elementy.ru/lib/430191/430194
    www.astronet.ru/db/msg/1199352/index.html#ogl — теория струн
    AdS/CFT-соответствие устанавливает связь между супергравитацией в пространстве анти-деСиттера (AdS) и суперсимметричной теорией Янга-Миллса, которая является конформно-инвариантной теорией поля (CFT). Пространство анти-деСиттера является решением уравнений гравитации Эйнштейна-Гильберта с постоянной отрицательной кривизной.
    по сути голографический принцип — гравитация в Н измерений, это тоже самое что теория поля в Н-1 измерений, т.е. на границе некотого объема
    Эта теория работает для термодинамики черной дыры, эффекте холла и сверхпроводимости.
    en.wikipedia.org/wiki/AdS/CFT_correspondence на вики есть только статья на английском
    • 0
      Про эффект Холла и сверхпроводимость и их связь с AdS/CFT — это тоже попса, только научная. Я вот не видел ни одной нормальной работы с каким-то нормальным, «щупаемым» результатом. Зато криков много, дескать, мы нашли теорию всего.
      А вообще говоря не уверен, что на научно-популярном ресурсе можно нормально рассказать про это, без «попсы». Но и без курса лекций по теории струн.
  • 0
    А мне вот интересно, каким образом флуктуация частиц и античастиц приводит к испарению ЧД?
    • 0
      Не флуктуации, а образование виртуальных пар вблизи горизонта событий. На картинке в статье расписано подробнее.
      • 0
        Да, прочитал. И погуглил ещё.
        Я раньше думал что эффект испарения достигается за счёт того, что в ЧД падает античастица, которая достигая сингулярности аннигилирует её маленький кусочек эквивалентный своей массе. Ну и естественно думал, что теория неверна, т.к. в ЧД равновероятно падают как античастицы так и частицы и соблюдается баланс.

        Сейчас же я понял, что понимая испарение, надо думать лишь о энергии, ибо материя это такое состояние оной. Ну и тут есть два нагугленных варианта. Либо частицы аннигилируют вместе и излучают, а энергию на излучение берут у ЧД, либо одна частица улетает а вторая падает в ЧД и т.к. улетевшая частица добавляет вселенной энергии, то упавшая должна убавить — забрать у ЧД.
  • –4
    Посоны, всё проще: Чёрная дыра — это как сбойный сектор на диске. Записать туда можете что угодно, но прочитаете только мусор, а драйвер вернёт нули.

Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.