Хабр·Russia·Saturday, September 26, 2026 at 08:20 PM

[Перевод] Информационный парадокс внутри чёрной дыры

Translate

avshkol14 минут назад

Материя, создающая чёрные дыры, не будет тем, что излучается при их испарении. Будет ли когда-нибудь разрешён информационный парадокс чёрных дыр?

Итан Сигел, 16 сентября

Ключевые тезисы:

Если взять книгу и сжечь её, информация о том, что было на странице, будет закодирована в золе, оставшейся после процесса горения. Потери информации не происходит.
Но когда материя уходит на создание или рост чёрной дыры, нет понятной связи между этой информацией и излучением Хокинга, которое в конечном счёте выходит наружу.
Сохраняется ли информация при испарении чёрных дыр или нет, и если сохраняется, то каким образом? Этот вопрос лежит в основе информационного парадокса чёрных дыр, возможно, величайшей загадки из всех нам известных.

Когда что-либо падает в чёрную дыру, куда в конечном счёте уходит материя и вернётся ли она (или квантовая информация, которую она содержала) когда-нибудь обратно? Согласно общей теории относительности Эйнштейна, ответы на эти вопросы просты: как только нечто физическое (материя, антиматерия, излучение и т. д.) пересекает горизонт событий, оно оказывается безвозвратно утраченным. Оно может увеличить лишь некоторые свойства чёрной дыры, такие как масса, электрический заряд и момент импульса, но ничего больше. Вместо этого падающая материя быстро направляется к центральной сингулярности и в конечном счёте падает в неё, чтобы больше никогда не выйти наружу.

Но наша Вселенная управляется не только общей теорией относительности, но и квантовой физикой. Согласно нашему пониманию квантовой физики, необходимо учитывать гораздо больше. Существуют не только другие квантовые свойства, присущие «сырым» составляющим, из которых образуется чёрная дыра (барионное число, лептонное число, цветовой заряд, спин, лептонное семейное число, слабый изоспин и гиперзаряд и т. д.), но и сама ткань пространства-времени, содержащая чёрную дыру, также должна иметь квантовую природу. Из-за квантовых свойств, которыми обладает наша Вселенная, чёрные дыры не остаются статичными, а со временем испаряются; ключевой частью этого процесса является испускание излучения Хокинга.

Когда чёрные дыры испаряются, что происходит с информацией, которая пошла на их создание? Сохраняется ли информация? Уничтожается ли она? Кодируется ли она в исходящем излучении? И если да, то каким образом? Эти вопросы находятся в центре, возможно, величайшего парадокса из всех — информационного парадокса чёрных дыр. Ниже рассказывается как о том, что мы знаем, так и о том, что ещё предстоит выяснить.

Когда две частицы запутаны в квантово-механическом смысле, кажется, будто между ними существует некая скрытая, невидимая связь, и кажущееся «случайным» свойство одного члена пары можно узнать не путём «случайного угадывания», а просто измерив свойства другого члена пары. Насколько можно судить, квантовая запутанность проявляется мгновенно, хотя, по-видимому, никакая фактическая информация от одного члена пары к другому никогда не передаётся. Источник: Аннелиза Лайнбах, atdigit / Adobe Stock — Когда две частицы запутаны в квантово-механическом смысле, кажется, будто между ними существует некая скрытая, невидимая связь, и кажущееся «случайным» свойство одного члена пары можно узнать не путём «случайного угадывания», а просто измерив свойства другого члена пары. Насколько можно судить, квантовая запутанность проявляется мгновенно, хотя, по-видимому, никакая фактическая информация от одного члена пары к другому никогда не передаётся. *Источник: Аннелиза Лайнбах, atdigit / Adobe Stock*

Информация

Когда физик говорит об информации, он не обязательно имеет в виду то, что мы обычно понимаем под информацией: строку букв, цифр, символов или чего-либо ещё, что можно закодировать битами, такими как 0 и 1. Обычно это описывают как «число вопросов типа „да/нет“, на которые нужно ответить, чтобы полностью задать свойства физической системы», хотя даже у такого описания есть ограничения. Всё это, безусловно, примеры информации, но они не охватывают все существующие типы информации. Информация также может включать:

сигналы, обеспечивающие причинно-следственную связь;
квантовые состояния отдельных объектов, например кубиты вместо битов;
запутанные квантовые состояния между несколькими объектами;
или любую меру физической величины, известной как энтропия.

Последний пункт не так прост, потому что энтропия, по существу термодинамическая величина, часто понимается неверно. Нередко можно услышать утверждения вроде «энтропия — мера беспорядка» или «энтропия всегда возрастает для любой системы». И хотя в некотором смысле это правда, можно создать очень упорядоченные системы с высокой энтропией, а также уменьшить энтропию системы за счёт подвода энергии от внешнего источника.

В качестве альтернативы можно сказать так: энтропия в действительности измеряет число возможных конфигураций полностью квантового состояния системы.

Система, заданная при начальных условиях и предоставленная собственной эволюции, будет иметь меньшую энтропию, если дверца закрыта (слева), чем если она открыта (справа). Если частицам позволено смешиваться, существует больше способов разместить вдвое большее число частиц при той же равновесной температуре, чем размещать половину этих частиц по отдельности при двух разных температурах; поэтому система справа имеет гораздо большую энтропию, чем система слева. Источник: Htkym и Dhollm / Wikimedia Commons — Система, заданная при начальных условиях и предоставленная собственной эволюции, будет иметь меньшую энтропию, если дверца закрыта (слева), чем если она открыта (справа). Если частицам позволено смешиваться, существует больше способов разместить вдвое большее число частиц при той же равновесной температуре, чем размещать половину этих частиц по отдельности при двух разных температурах; поэтому система справа имеет гораздо большую энтропию, чем система слева. *Источник: Htkym и Dhollm / Wikimedia Commons*

Классический пример — рассмотреть две системы:

Комната с перегородкой, где одна сторона заполнена горячим газом, а другая — холодным.
Та же самая комната с теми же газами, но в перегородке открыта дверца, и обе стороны комнаты достигли одинаковой температуры.

В обеих системах одинаковое число частиц и одинаковая полная энергия, но совершенно разные энтропии. Вторая система имеет гораздо большую энтропию, поскольку существует намного больше способов распределить энергию между всеми частицами системы, чтобы получить заданную конфигурацию, чем для первой системы; число возможных конфигураций полностью квантового состояния всей системы для второй системы намного больше, чем для первой.

Поскольку существует большее число возможных конфигураций, необходимо предоставить больший объём информации (и, следовательно, ответить на большее число вопросов типа «да/нет»), чтобы полностью описать систему с большей энтропией. Информация и энтропия не тождественны, но они пропорциональны: чем больше энтропия системы, тем больше информации требуется для её полного описания.

Бокал разобьётся, если будет подвергаться колебаниям на нужной частоте. Это процесс, который резко увеличивает энтропию системы и является термодинамически выгодным. Обратный процесс (осколки стекла самопроизвольно собираются в целый бокал без трещин) настолько маловероятен, что на практике никогда не происходит самопроизвольно. Однако если бы движение отдельных осколков при их разлёте было точно обращено во времени, они действительно слетелись бы обратно и, по крайней мере на мгновение, успешно собрали бы бокал. Симметрия обращения времени является точной в ньютоновской физике, но не соблюдается в термодинамике. Источник: BBC Worldwide / GIPHY — Бокал разобьётся, если будет подвергаться колебаниям на нужной частоте. Это процесс, который резко увеличивает энтропию системы и является термодинамически выгодным. Обратный процесс (осколки стекла самопроизвольно собираются в целый бокал без трещин) настолько маловероятен, что на практике никогда не происходит самопроизвольно. Однако если бы движение отдельных осколков при их разлёте было точно обращено во времени, они действительно слетелись бы обратно и, по крайней мере на мгновение, успешно собрали бы бокал. Симметрия обращения времени является точной в ньютоновской физике, но не соблюдается в термодинамике. *Источник: BBC Worldwide / GIPHY*

Информация и чёрные дыры

Если взять книгу и сжечь её, информация книги не потеряется и не уничтожится, а лишь оказывается перемешанной. В принципе (хотя, возможно, пока не на практике) можно проследить каждую частицу бумаги и чернил, которая первоначально попала в огонь, определить, куда они делись, и по золе, дыму, саже, другим химическим веществам и невидимым газам, которые они образовали, восстановить каждый символ по порядку на каждой странице этой книги. В принципе можно изучить конечную систему полностью сожжённой книги и восстановить всю информацию, которая содержалась в книге до сожжения.

То же самое можно сделать с остатками разбитого бокала: восстановить, как выглядела исходная, неразбитая форма. То же самое можно сделать со взбитым и приготовленным яйцом: восстановить, каким было сырое, невзбитое яйцо. Пока сохраняются фундаментальные частицы, из которых была создана исходная система, независимо от того, каким взаимодействиям они подвергались за это время, исходная информация о начальном состоянии системы также сохранится.

Но с чёрными дырами это уже совершенно точно не так. В общей теории относительности чёрные дыры не обладают никакой «памятью» о типах частиц или свойствах этих частиц, которые пошли на создание или рост чёрной дыры. Единственные измеримые свойства, которыми может обладать чёрная дыра, — это масса, электрический заряд и момент импульса.

Один из важнейших вкладов Роджера Пенроуза в физику чёрных дыр состоит в доказательстве того, как реалистический объект в нашей Вселенной, например звезда или любое скопление материи, может образовать горизонт событий и как вся связанная с ним материя неизбежно встретится с центральной сингулярностью. Как только образуется горизонт событий, формирование центральной сингулярности не только неизбежно, но и происходит чрезвычайно быстро. Источник: Дж. Ярнстед / Королевская шведская академия наук; аннотации И. Сигела — Один из важнейших вкладов Роджера Пенроуза в физику чёрных дыр состоит в доказательстве того, как реалистический объект в нашей Вселенной, например звезда или любое скопление материи, может образовать горизонт событий и как вся связанная с ним материя неизбежно встретится с центральной сингулярностью. Как только образуется горизонт событий, формирование центральной сингулярности не только неизбежно, но и происходит чрезвычайно быстро. *Источник: Дж. Ярнстед / Королевская шведская академия наук; аннотации И. Сигела*

В начале 1970-х годов над этой загадкой размышлял физик Джейкоб Бекенштейн, который понял, почему это столь серьёзная проблема. Какие бы частицы ни участвовали в образовании чёрной дыры, они обладают собственными свойствами, конфигурацией и количеством закодированной в них энтропии и информации. Согласно второму закону термодинамики, энтропия замкнутой системы никогда не может уменьшаться; она может только возрастать или оставаться неизменной, если только для уменьшения энтропии не подводить энергию из внешнего источника. И даже в этом случае полная энтропия системы «исходная система плюс внешний источник», где внешний источник включает то, откуда берётся подводимая энергия, продолжит возрастать.

Но в чистой общей теории относительности чёрные дыры имеют нулевую энтропию, и такое определение просто не будет работать. С точки зрения внешнего наблюдателя, в создании любой чёрной дыры участвуют квантовые частицы, и по мере создания и роста чёрной дыры площадь поверхности её горизонта событий увеличивается. По мере роста массы чёрной дыры растёт площадь поверхности, и чем больше частиц падает внутрь, тем больше должна возрастать энтропия.

Именно Бекенштейн первым понял, что информация, закодированная падающими частицами, с точки зрения внешнего наблюдателя, по-видимому, «размазывается» по поверхности горизонта событий. Это позволяет дать определение энтропии, пропорциональной площади поверхности горизонта событий чёрной дыры. Сегодня это известно как энтропия Бекенштейна-Хокинга: энтропия чёрной дыры.

На поверхности чёрной дыры могут быть закодированы биты или квантовые биты, то есть кубиты, информации, количество которых пропорционально площади горизонта событий. Когда чёрная дыра испаряется, она переходит в состояние теплового излучения. По мере того как материя и излучение падают в чёрную дыру, площадь поверхности растёт, что позволяет успешно кодировать эту информацию. Когда чёрная дыра испаряется, энтропия не уменьшается, а остаётся постоянной, поскольку излучение Хокинга является сохраняющим энтропию, то есть адиабатическим, процессом. И будет ли вообще эта информация кодироваться в исходящем излучении, пока не установлено. Источник: B. Bakker/Dr. J.P. van der Schaar, Universiteit van Amsterdam — На поверхности чёрной дыры могут быть закодированы биты или квантовые биты, то есть кубиты, информации, количество которых пропорционально площади горизонта событий. Когда чёрная дыра испаряется, она переходит в состояние теплового излучения. По мере того как материя и излучение падают в чёрную дыру, площадь поверхности растёт, что позволяет успешно кодировать эту информацию. Когда чёрная дыра испаряется, энтропия не уменьшается, а остаётся постоянной, поскольку излучение Хокинга является сохраняющим энтропию, то есть адиабатическим, процессом. И будет ли вообще эта информация кодироваться в исходящем излучении, пока не установлено. *Источник: B. Bakker/Dr. J.P. van der Schaar, Universiteit van Amsterdam*

Будет ли эта информация уничтожена?

Это определение было очень многообещающим, но представление о том, что мы разобрались с устройством Вселенной, с энтропией, информацией и чёрными дырами, оказалось чрезвычайно недолговечным. В 1974 году, всего через два года после первых работ Бекенштейна на эту тему, Стивен Хокинг не только пришёл к поразительному озарению, но и выполнил чрезвычайно важный расчёт в дополнение к нему.

Его озарение состояло в том, что стандартный способ выполнения расчётов в квантовой теории поля опирался на предположение: на малых квантовых масштабах пространство можно рассматривать как плоское, не подверженное кривизне пространства, описываемой общей теорией относительности. Однако вблизи чёрной дыры это было не просто плохим приближением: это было худшим приближением, чем при любых других условиях, встречающихся в нашей физической Вселенной. Пространство-время искривлено не просто вокруг чёрной дыры; именно там встречаются самые экстремальные условия кривизны пространства во всём нашем космосе!

Вместо этого, понял Хокинг, расчёт нужно было выполнять на фоне искривлённого пространства, где фоновая кривизна пространства задаётся уравнениями Эйнштейна и свойствами рассматриваемой чёрной дыры. В 1974 году Хокинг рассчитал простейший случай — чёрную дыру, обладающую только массой, без электрического заряда и момента импульса, и понял, что состояние квантового вакуума, или самого пустого пространства, в искривлённом пространстве вблизи горизонта событий чёрной дыры принципиально отличается от состояния квантового вакуума вдали от чёрной дыры, где пространство плоское.

Чёрные дыры, образованные из разных материалов или из частиц в разных квантовых состояниях, должны иметь разную информацию, закодированную на их горизонтах событий, и до сих пор не понятно, кодируется ли эта информация в исходящем излучении Хокинга и если да, то каким образом. Недавняя работа 2023 года предполагала, что объекты без горизонта событий также могут испускать излучение Хокинга, однако затем выяснилось, что этот результат исторически уже был исключён в научных работах: ещё в 1975 году. Источник: The EU’s Communicate Science

Этот расчёт показал, что чёрные дыры не просто стабильно существуют в этом искривлённом пространстве, но и то, что различия между вакуумом вблизи горизонта событий и вдали от него приводят к непрерывному испусканию излучения абсолютно чёрного тела: теперь оно известно как излучение Хокинга. Это излучение должно:

иметь спектр абсолютно чёрного тела;
состоять почти исключительно из безмассовых фотонов, а не просто из одного из членов пар частица–античастица;
испускаться при очень низкой температуре, обратно пропорциональной массе чёрной дыры;
приводить к испарению чёрной дыры за время, пропорциональное кубу её массы.

Примечательно, что это чисто квантовый эффект, который, по предположениям некоторых исследователей, может применяться и к системам, отличным от чёрных дыр. Хотя это предположение было подвергнуто серьёзным сомнениям.

Однако явление излучения Хокинга породило новую тревожную проблему. Если излучение, которое выходит из чёрной дыры по мере её испарения, излучение Хокинга, имеет чисто природу излучения абсолютно чёрного тела, оно не должно отдавать предпочтения:

материи перед антиматерией;
барионам перед антибарионами;
лептонам перед антилептонами;
одному лептонному семейству перед другим;

или любому другому критерию, необходимому для ответа на вопрос «да/нет» относительно начального квантового состояния материи, которая первоначально пошла на создание чёрной дыры. Впервые, по всей видимости, мы столкнулись с физической системой, в которой знание и измерение всей информации о её «конечном состоянии» даже в принципе не позволяет восстановить, каким было начальное состояние.

Если чёрная дыра образуется с очень малой массой, либо испаряется настолько, что остаётся лишь небольшая масса, квантовые эффекты, возникающие из-за искривлённого пространства-времени вблизи горизонта событий, заставят чёрную дыру быстро распадаться посредством излучения Хокинга. Чем меньше масса чёрной дыры, тем быстрее распад, вплоть до того, что испарение завершается одним последним «всплеском» энергичного излучения. Самыми долгоживущими будут наиболее массивные чёрные дыры, у которых время распада превышает 10100 лет. Источник: ortega-pictures/Pixabay — Если чёрная дыра образуется с очень малой массой, либо испаряется настолько, что остаётся лишь небольшая масса, квантовые эффекты, возникающие из-за искривлённого пространства-времени вблизи горизонта событий, заставят чёрную дыру быстро распадаться посредством излучения Хокинга. Чем меньше масса чёрной дыры, тем быстрее распад, вплоть до того, что испарение завершается одним последним «всплеском» энергичного излучения. Самыми долгоживущими будут наиболее массивные чёрные дыры, у которых время распада превышает 10¹⁰⁰ лет. *Источник: ortega-pictures/Pixabay*

Суть информационного парадокса чёрных дыр

Итак, куда же делась информация, которая пошла на создание чёрной дыры?

В этом и состоит ключевой момент этой загадки: мы полагаем, что информация не может уничтожаться, но если чёрная дыра испаряется в чистое излучение абсолютно чёрного тела, то вся информация, которая пошла на создание чёрной дыры, каким-то образом исчезла.

Конечно, возможно, что наши представления об информации, энтропии и термодинамике неверны и что чёрные дыры действительно являются объектами, уничтожающими информацию.
Также возможно, что, даже если мы пока не понимаем механизм, с помощью которого это происходит, существует некоторая связь (с точки зрения наблюдателя вне горизонта событий) между информацией, закодированной на поверхности чёрной дыры, и информацией, закодированной в исходящем излучении Хокинга.
И, если мы действительно сохраняем открытость ума, возможно, происходит нечто более фундаментально сложное: информация, которая уходит на создание и рост чёрной дыры, каким-то образом «перемешивается» внутри чёрной дыры, а затем нетривиальным образом кодируется в излучении, когда сама чёрная дыра испаряется.

Горизонт событий чёрной дыры — это сферическая или сфероидальная область, из которой ничто, даже свет, не может выйти. Но за пределами горизонта событий, согласно предсказаниям, чёрная дыра должна испускать излучение. Работа Хокинга 1974 года впервые продемонстрировала это, но она также привела к парадоксам, в частности к информационному парадоксу чёрных дыр, который ещё предстоит разрешить. Изображение: NASA / Дана Берри, Skyworks Digital Inc. — Горизонт событий чёрной дыры — это сферическая или сфероидальная область, из которой ничто, даже свет, не может выйти. Но за пределами горизонта событий, согласно предсказаниям, чёрная дыра должна испускать излучение. Работа Хокинга 1974 года впервые продемонстрировала это, но она также привела к парадоксам, в частности к информационному парадоксу чёрных дыр, который ещё предстоит разрешить. *Изображение: NASA / Дана Берри, Skyworks Digital Inc.*

Правда в том, что, несмотря на многочисленные заявления, которые мы слышали за эти годы о том, что «информационный парадокс чёрных дыр разрешён», никто не знает ответа. Никто не знает, сохраняется ли информация, уничтожается ли она или стирается, и зависит ли это от того, что происходит внутри чёрной дыры, или же всё может быть полностью описано с точки зрения внешнего наблюдателя.

У нас есть математические соответствия между тем, что происходит внутри чёрной дыры и снаружи, включая недооценённый факт, который выводит нас за пределы полуклассического приближения (расчётов квантовой теории поля на фоне искривлённого пространства-времени), использовавшегося Хокингом: когда излучение выходит из чёрной дыры, оно должно сохранять квантово-механическую запутанную связь с внутренней областью чёрной дыры.

Мы разработали методы, позволяющие отобразить энтропию внутренней области чёрной дыры на исходящее излучение, возникающее благодаря механизму Хокинга. Это предполагает, но не доказывает, что мы, возможно, приближаемся к пониманию механизма того, как информация, пошедшая на создание чёрной дыры, снова кодируется во Вселенной за пределами горизонта событий чёрной дыры.

К сожалению, мы не знаем, как вычислить отдельные биты информации с помощью любого из этих методов; мы умеем вычислять лишь общие «количества» информации, как если бы мы помещали их на весы и смотрели, уравновешиваются они или нет. Это важный шаг, но его недостаточно, чтобы разрешить этот парадокс.

Обычно предполагается, что на некотором уровне гравитация, как и другие взаимодействия, будет квантовой. Хотя полуклассическое приближение для расчёта распада чёрных дыр предполагает выполнение квантовых расчётов на классическом фоне эйнштейновского искривлённого пространства, этот подход может оказаться неспособным охватить полный набор физических свойств исходящего излучения, особенно когда речь идёт об информации. Когда чёрные дыры испаряются, мы не знаем, кодируется ли информация о том, что пошло на создание этой чёрной дыры, в этом исходящем излучении и если да, то каким образом. Источник: Аврора Симмонет — Обычно предполагается, что на некотором уровне гравитация, как и другие взаимодействия, будет квантовой. Хотя полуклассическое приближение для расчёта распада чёрных дыр предполагает выполнение квантовых расчётов на классическом фоне эйнштейновского искривлённого пространства, этот подход может оказаться неспособным охватить полный набор физических свойств исходящего излучения, особенно когда речь идёт об информации. Когда чёрные дыры испаряются, мы не знаем, кодируется ли информация о том, что пошло на создание этой чёрной дыры, в этом исходящем излучении и если да, то каким образом. *Источник: Аврора Симмонет*

Безусловно, существует множество идей, которые могут играть важную роль. Идеи, вдохновлённые теорией струн, такие как комплементарность и AdS/CFT-соответствие, а также представление об «огненной стене», или файрволе, возникающей на середине процесса испарения, рассматриваются многими исследователями, работающими над этим парадоксом. Другие предполагают, что существуют корреляции между всеми квантами излучения, испускаемого в процессе Хокинга (подобные квантовой запутанности), и что для разрешения парадокса необходимо понять весь набор этих корреляций. Третьи предлагали изменять внутреннюю и внешнюю геометрии чёрной дыры в ходе испускания излучения Хокинга, чтобы попытаться сохранить информацию, а четвёртые обращаются к тем сильным квантовым эффектам, которые должны возникать на стыке квантовой физики и теории относительности и становиться важными на конечных стадиях испарения чёрной дыры.

Однако мы до сих пор не понимаем самых важных аспектов этого парадокса: куда уходит информация частиц, создающих чёрную дыру, и как эта информация (при условии, что она действительно снова попадает во Вселенную) фактически кодируется в исходящем излучении, возникающем при испарении чёрных дыр. Несмотря на любые утверждения, которые вы могли слышать, не обманывайтесь: информационный парадокс чёрных дыр по-прежнему остаётся неразрешённым парадоксом. И хотя это по-прежнему активная область исследований, никто не может с уверенностью сказать, каким в конечном счёте будет решение и какой метод в итоге приведёт нас к нему. Информационный парадокс чёрных дыр всё ещё сохраняется в сердце каждой чёрной дыры нашей Вселенной.

Эта статья была впервые опубликована в сентябре 2023 года. Обновлена в сентябре 2026 года.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

0%Нет, никакая информация не обязана сохраняться при столь критичном искажении пространства-времени0

0%Да, сохраняется внутри и закодирована в излучении черной дыры0

0%Да, сохраняется, но в другом измерении0

0%Да, сохраняется, и закодирована на поверхности черной дыры0

View the original on Хабр →

KioskNews shows a cleaned-up reading view extracted from the publisher’s page — the original always lives on their site, not ours.