информационный парадокс чёрной дыры

Алиса готовит квантовую частицу в одном из нескольких возможных состояний и отправляет её Бобу. Канал, по которому летит частица, не идеален: он шумит, рассеивает, взаимодействует с окружением — как мутная река, в которой теряются очертания брошенного предмета. Боб принимает сигнал и пытается понять, что именно послала Алиса.

У чёрной дыры три закона термодинамики — как у идеального газа. Первый: энергия не исчезает. Второй: площадь горизонта событий не убывает. А третий, самый капризный, требует, чтобы при нулевой температуре энтропия (мера беспорядка) стремилась к нулю или общей постоянной.

Чёрная дыра, в которую что-то падает, может не просто испаряться миллиарды лет, а лопнуть, как мыльный пузырь, и стать своей противоположностью — белой дырой. Такой сценарий подсказали численные эксперименты с полуклассической гравитацией.

Квантовый компьютер — вычислительная машина, использующая квантовые состояния для обработки информации, — похож на хрупкую снежинку, лежащую на тёплой ладони. Малейшее дуновение тепла или лёгкая вибрация — и она превращается в каплю. Чтобы снежинка выжила, её постоянно поправляют, восстанавливая прежнюю форму.

Общая теория относительности, описывающая устройство Вселенной, не запрещает петли во времени. Но Стивен Хокинг выдвинул гипотезу о «защите хронологии»: квантовые эффекты должны разрушать такие петли, делая путешествия в прошлое невозможными.

Вода превращается в лёд при нуле градусов — резко, без промежуточных состояний. Нечто похожее происходит со сложностью, когда мы берём случайное квантовое состояние целой системы и смотрим только на её часть. Пока эта часть занимает меньше половины системы, её сложность растёт плавно. Но как только доля переваливает за 50%, происходит скачок.

Чёрная дыра не вечна. Даже в полной пустоте она медленно теряет энергию — этот процесс назвали излучением Хокинга. Квантовые эффекты у горизонта событий рождают пары частиц, одна из которых улетает, унося массу дыры.

Чёрная дыра — не просто бездна, куда всё падает. У самого её горизонта, в так называемой квантовой атмосфере, рождается слабое свечение — излучение Хокинга. Это не спокойный свет, а бурлящий поток частиц, который способен влиять на тончайшие квантовые связи.

Космологический горизонт — граница наблюдаемой Вселенной, которая расширяется с ускорением, — подобен сейфу с таймером. Информация о том, что пересекает эту границу, не исчезает, а возвращается, но с задержкой. Физики выяснили, сколько длится эта пауза.

Чёрная дыра напоминает сейф, который медленно отдаёт своё содержимое — энергию и информацию — через слабое свечение, названное излучением Хокинга. Но если сейф открывается слишком быстро, на его границе может вспыхнуть «огненная стена» — область, где привычные законы физики перестают работать. В новой работе физики усложнили модель этого сейфа.

Парадокс чёрных дыр мучил физиков десятилетиями. Если чёрная дыра в конце концов испаряется излучением Хокинга, куда девается информация о том, что в неё упало? Работы Стивена Хокинга и Якоба Бекенштейна показали: для спасения фундаментальных законов природы требуется нестандартный ход.

Костёр прогорает не сразу. Если бросить взгляд на пламя в случайный миг, видно лишь мешанину огненных языков — и никогда не понять, что именно сгорело: мокрая ветка, старый журнал или охапка сухой травы. Но стоит наблюдать за костром час за часом, в его пляске проступают ритмы: всплеск жара, затишье, смена цвета. Эти ритмы рассказывают о том, что было брошено в огонь.

В 1867 году Джеймс Клерк Максвелл предложил образ, который будоражит физиков до сих пор. Два отсека с газом разделены дверцей. Молекулы мечутся хаотично: быстрые и медленные. Крошечный привратник открывает дверцу только перед быстрыми, пропуская их в одну сторону, а медленные — в другую. Горячий отсек становится ещё горячее, холодный — холоднее.

Стивен Хокинг показал, что чёрные дыры — области с гравитацией настолько сильной, что даже свет не может их покинуть, — испускают частицы и со временем испаряются. Этот процесс называют излучением Хокинга. Но возникает вопрос: куда исчезает информация о том, что упало в дыру?

Воздушный шарик с нарисованным узором сдувается — и узор идёт рябью, деформируется. Примерно то же самое происходит с чёрной дырой, которая медленно испаряется, теряя энергию через излучение, открытое Стивеном Хокингом.

Физика часто напоминает строительство гигантского корабля — Вселенной. Инженеры-физики ещё не пришли к единому мнению о базовых чертежах.

Стандартная картина испарения чёрной дыры, нарисованная Хокингом, долго казалась успокаивающей: квантовые флуктуации у горизонта порождают тепловое излучение, дыра медленно тает, и пространство-время за ней остаётся гладким. Однако это было похоже на облако, не замечающее, как оно тает под собственным дождём.

Две монетки подбрасывают в разных городах, но выпадают они всегда одинаково. Физики называют это запутанностью: частицы ведут себя так, будто между ними есть невидимая нить. Однако вдруг нить не мгновенная, а просто очень быстрая, но всё же не быстрее света? Тогда между измерениями может успеть проскользнуть какой-то сигнал, и совпадения объяснятся без всякой магии.

Квантовая запутанность — нелокальная связь между частицами, при которой изменение состояния одной мгновенно отражается на другой, — хрупка, как тонкий лёд в топке: даже слабый нагрев разрушает её.

Метод «двойной копии» в теоретической физике напоминает кулинарный приём: представьте, что повар берёт рецепт холодного супа и, продублировав ингредиенты особым образом, получает рецепт горячего жаркого.

В 2017 году гравитационные детекторы LIGO и Virgo поймали рябь пространства-времени от слияния двух чёрных дыр в 540 мегапарсеках от нас. Событие получило имя GW170814. Но что осталось после этого космического столкновения? Кроме искажённого пространства, возможно, родились крошечные чёрные дыры — «крошки».