Афанасьев » 20 апр 2011 14:24
ИСЧЕЗНОВЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ЧЕРНОЙ ДЫРЕ
Черные дыры – объекты уникальные: с одной стороны, они обладают сверхсильным гравитационным полем, и должны описываться общей теорией относительности (ОТО), а с другой стороны, в отличие от обычных звезд, они обладают квантовыми свойствами, и должны описываться квантовой механикой. Когда ОТО и квантовая механика применяются по отдельности, они прекрасно работают, но когда вместе – вступают в противоречие.
Суть проблемы
Согласно ОТО, черная дыра проявляет себя только одним свойством - интенсивностью гравитационного поля, зависящей от массы звезды, которая коллапсировала в данную черную дыру. (Кроме того, черная дыра может иметь электрический заряд и момент импульса, если таковые имелись у исходной звезды. Но если таковых не было, то других свойств, кроме гравитационного поля, черная дыра не может иметь. ( По этому поводу физики шутят, что "черная дыра не имеет волос"... "Потянув" за которые, ее можно было бы обнаружить...) Это означает, что если черная дыра поглощает какой-то материальный объект (не обладающий электрическим зарядом и моментом импульса), то все его свойства, кроме массы, полностью исчезают в черной дыре, единственное изменение которой при этом состоит в том, что она увеличивает интенсивность своего гравитационного поля пропорционально поглощенной массе. Это противоречит законам квантовой механики, согласно которым квантовые числа объектов (такие как барионный и лептонный заряды) должны сохраняться. Приведем простой пример сохранения этих зарядов. Распад нейтрона идет по схеме: n = p + e + антинейтрино. Барионный заряд: 1 = 1. Лептонный заряд: 1 – 1 = 0.
Если одна черная дыра поглощает некоторое количество вещества (с нулевым электрическим зарядом и нулевым моментом импульса), а другая черная дыра, обладающая такой же интенсивностью гравитационного поля, поглощает такое же количество антивещества (также с нулевым электрическим зарядом и нулевым моментом импульса), то различить их невозможно никоим образом, хотя вещество и антивещество имеют противоположные барионный и лептонный заряды.
Тем не менее, это еще не является проблемой, пока мы остаемся в рамках ОТО (поскольку все эти свойства объектов исчезают только для внешнего наблюдателя черной дыры; для внутреннего наблюдателя, пересекшего сферу Шварцшильда, но еще не столкнувшегося с сингулярностью, они сохраняются). Проблемы начинаются тогда, когда мы учитываем квантовое излучение черных дыр, открытое английским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом в 1973 году. Согласно Хокингу, виртуальные частицы вакуума могут резонировать на сфере Шварцщильда и расходиться в разные стороны на любое расстояние, вплоть до бесконечного. При этом одна из частиц уходит во внешнее пространство черной дыры и выходит из сферы ее тяготения, а другая частица ускоряется в сторону сингулярности. В результате черная дыра теряет массу, испаряется до тех пор, пока полностью не исчезнет из нашей Вселенной. Такое испарение тем более интенсивно, чем меньше масса черной дыры. В случае полного испарения черной дыры мы получаем нарушение законов сохранения квантовых чисел (поскольку парные значения этих чисел исчезают вместе с черной дырой). Получается, что черная дыра уничтожила информацию. Прежде всего, информацию о свойствах звезды, которая коллапсировала в данную черную дыру. Но что еще более интересно - информацию о свойствах объектов, которых поглотила данная черная дыра.
Возражения
Строго говоря, данная проблема не является парадоксом. Она является обычной проблемной ситуацией в науке, свидетельствующей о несовершенстве имеющейся теории. В данном случае - ОТО и квантовой механики.
Во-первых, с точки зрения внешнего наблюдателя информация в черной дыре не уничтожается, поскольку с его точки зрения любое тело, падающее в черную дыру, никогда не достигает сферы Шварцшильда. По мере приближения к ней внутреннее время данного тела все больше замедляется (с точки зрения внешнего наблюдателя), и на некотором малом расстоянии от нее практически останавливается. При этом тело застывает над сферой Шварцшильда, сохраняя все свои свойства, которые внешний наблюдатель, в принципе, может обнаружить (например, если это тело испускает в его сторону электромагнитные волны с энергией, достаточной для того, чтобы преодолеть поле тяготения черной дыры). С точки зрения внутреннего наблюдателя, конечно, падение данного тела не останавливается, и оно неизбежно пересекает сферу Шварцшильда. При этом информация о состоянии данного тела неизбежно теряется для внешнего наблюдателя. Проблема в том, что никто пока что не смог совместить эти две системы отсчета (т.е. системы отсчета внешнего и внутреннего наблюдателей черной дыры) непротиворечивым образом. Так, например, внутренний наблюдатель, падающий в черную дыру, пересекает сферу Шварцшильда в бесконечный момент времени внешнего наблюдателя. Говорить что-либо о состоянии внешней Вселенной в этот момент времени он (внутренний наблюдатель) не может (поскольку Вселенная в этот момент времени, возможно, вообще перестает существовать), а значит не может говорить и об исчезновении информации о своем состоянии для внешнего наблюдателя.
Во-вторых, черные дыры никто еще не наблюдал непосредственно, т.е. в прямом эксперименте по обнаружению и измерению их свойств (прежде всего, по наблюдаемому падению в них различных объектов). Существуют только немногочисленные кандидаты в черные дыры, зачисленные в таковые по косвенным признакам (прежде всего, по наблюдаемому движению вокруг них видимых звезд). Но все эти признаки можно объяснить и другими причинами (например, движением этих звезд вокруг нейтронных звезд). Между тем, согласно ОТО, черные дыры являются чрезвычайно устойчивыми объектами, и если уж они образовались, то должны сохраняться во Вселенной практически до ее конца. Существует множество видимых звезд, которые, теоретически, могли бы коллапсировать в черные дыры. Следовательно, такие звезды могли коллапсировать в черные дыры и раньше, начиная с самых ранних стадий эволюции Вселенной. И это никак не вяжется с тем, что мы наблюдаем в действительности (т.е. с немногочисленными, да еще и сомнительными кандидатами в черные дыры).
Одно из объяснений такого положения дел состоит в том, что черные дыры являются неустойчивыми объектами и исчезают из нашей Вселенной на заключительной стадии гравитационного коллапса. К примеру, гипотеза так называемых кротовых нор рассматривает черные дыры как начало гиперпространственного тоннеля, связывающего нашу Вселенную с какой-то другой вселенной или одну точку нашей Вселенной с другой ее точкой. На другом конце такого тоннеля находится так называемая белая дыра, свойства которой противоположны свойствам черной дыры - если последняя может только поглощать материю, то первая может ее только испускать. Как утверждает ОТО, кротовые норы крайне неустойчивы и исчезают вскоре после своего возникновения.
В связи с этим представляет интерес доклад Стивна Хокинга, сделанный им 21 июля 2004 года на 17-й конференции по гравитации и общей теории относительности. В этом докладе он попытался доказать, что в реальных процессах образования и испарения черных дыр информация не теряется. Ключевой момент доказательства - утверждение о том, что в гравитационном коллапсе не образуется классическая черная дыра ОТО. То, что может образоваться в нашем мире - это объект, который только похож на классическую черную дыру, но не обладает сингулярностью.
В-четвертых, излучение Хокинга - это достаточно умозрительная гипотеза. Поскольку черные дыры никто еще не наблюдал непосредственно, то тем более никто не наблюдал и их испарение. Кроме того, резонанс виртуальных частиц вакуума, лежащий в основе излучения Хокинга, может достигать больших амплитуд (выводящих частицы из сферы тяготения черной дыры) чрезвычайно редко. Поэтому достаточно интенсивным это излучение может быть только у микроскопических черных дыр. У обычных черных дыр оно практически несущественно. Но микроскопические черные дыры, согласно общей теории относительности, не могут образовываться в обычном гравитационном коллапсе соответствующих небесных тел - для этого последние обладают недостаточной массой. А в каких процессах могли бы образовываться такие черные дыры - пока не известно...
Пока все эти нестыковки не объяснены, не имеет смысла переходить к проблеме уничтожения информации в черной дыре. Да, такая проблема есть, но - лишь как следствие данных нестыковок...
Можно добавить, что для описания таких уникальных объектов, как черные дыры, нужна новая теория – квантовая теория гравитации.