Этот парадокс сам Хокинг неоднократно заявлял, что нашел решение, но ни одно из предложений не выдержало тщательной проверки. Парадокс до сих пор не разрешен.
С уходом из жизни Стивена Хокинга наука потеряла не только самого узнаваемого общественного деятеля, но и замечательного исследователя природы черных дыр. Хотя его последняя статья, возможно, была больше сосредоточена на некоторых экзистенциальных проблемах, стоящих перед космологией сегодня, его самый большой научный вклад заключался в раскрытии некоторых невероятных квантовых истин о Вселенной путем изучения ее самых экстремальных объектов. Черные дыры, которые когда-то считались статичными, неизменными и определяемыми только своей массой, зарядом и вращением, благодаря его работам превратились в постоянно развивающиеся двигатели, которые имели температуру, излучали излучение и в конечном итоге испарялись с течением времени. Тем не менее, это ныне принятое научное заключение предполагающее наличие и свойства излучения Хокинга имело огромное значение: черные дыры предоставили способ уничтожить информацию о Вселенной. Несмотря на 40 с лишним лет работы над проблемой самых ярких умов мира, информационный парадокс черной дыры до сих пор остается неразрешенным.
Второй закон термодинамики - одно из самых нерушимых правил Вселенной: возьмите любую систему, которая вам нравится, не позволяйте ничему входить в нее или выходить из нее, и ее энтропия никогда не уменьшится самопроизвольно. Яйца не распадаются самопроизвольно, теплая вода никогда не разделяется на горячую и холодную части, а пепел не собирается обратно в форму объекта, которым он был до того, как был сожжен. Все это было бы примером уменьшения энтропии, а в природе этого не происходит само по себе. Энтропия может оставаться неизменной; в большинстве случаев он увеличивается; но он никогда не сможет вернуться в состояние с более низкой энтропией. На самом деле, единственный способ искусственно уменьшить энтропию - это накачать систему энергией, «обманув» второй закон, увеличив внешнюю по отношению к системе энтропию на большую величину, чем она уменьшится внутри вашей системы. (Одним из таких примеров является уборка дома.) Проще говоря, энтропию невозможно уничтожить.
Для черных дыр долгое время считалось, что у них нулевая энтропия, но это не могло быть правильным. Если материя, из которой вы сделали черные дыры, имеет ненулевую энтропию, то, бросив этот материал в черную дыру, энтропия должна возрасти или остаться неизменной; он никогда не мог опуститься. Идея энтропии черной дыры восходит к Джону Уиллеру, который размышлял о том, что происходит с объектом, когда он падает в черную дыру, с точки зрения наблюдателя далеко за горизонтом событий. Издалека казалось бы, что кто-то, падающий внутрь, асимптотически приближается к горизонту событий, становясь все краснее и краснее из-за гравитационного красного смещения, и ему требуется бесконечно много времени, чтобы достичь горизонта, поскольку действует релятивистское замедление времени. Таким образом, информация о том, что попало туда, закодирована на поверхности самой черной дыры.
Поскольку масса черной дыры определяет размер ее горизонта событий, это дало естественное место для существования энтропии черной дыры: на поверхности горизонта событий. Внезапно у черных дыр появилась огромная энтропия, основанная на количестве квантовых битов, которые можно закодировать на горизонте событий определенного размера. Но все, что имеет энтропию, также имеет температуру, а это значит, что оно излучает. Как известно, продемонстрировал Хокинг, черные дыры излучают излучение определенного спектра (черного тела) и температуры, определяемой массой черной дыры, из которой оно исходит. Со временем это испускание энергии означает, что черная дыра теряет массу благодаря знаменитой формуле Эйнштейна E=mc2; если энергия высвобождается, она должна откуда-то исходить, и этим «где-то» должна быть сама черная дыра. Со временем черная дыра будет терять массу все быстрее и быстрее, пока в далеком будущем в яркой вспышке света она полностью не испарится.
Это отличная история, но у нее есть проблема. Излучение, которое он излучает, является чисто черным телом, то есть оно обладает теми же свойствами, как если бы мы взяли полностью черный объект и нагрели его до определенной температуры. Излучение, таким образом, одинаково для всех черных дыр определенной массы - и это главное - независимо от того какая информация отпечатана или нет на горизонте событий.
Но по законам термодинамики этого быть не может! Это равносильно уничтожению информации, и именно это запрещено.
Если вы сожжете две книги одинакового размера с очень разным содержанием, вы, возможно, практически не сможете восстановить текст каждой книги, но узоры чернил на бумаге, различия в молекулярной структуре и все другие мельчайшие различия содержат информацию, и эта информация остается закодированной в дыме, пепле, окружающем воздухе и всех других действующих частицах. Если бы вы могли контролировать окружающую среду вокруг книг, включая книги, с произвольной точностью, вы могли бы восстановить всю необходимую информацию; оно зашифровано, но не потеряно.
Информационный парадокс черной дыры, однако, заключается в том, что вся информация, которая была запечатлена на горизонте событий черной дыры, после ее испарения не оставила следов в нашей наблюдаемой Вселенной.
Эта потеря информации должна быть запрещена правилами квантовой механики. Любая система может быть описана квантовой волновой функцией, и каждая волновая функция уникальна. Если вы продвинете свою квантовую систему вперед во времени, две разные системы не смогут прийти в одно и то же конечное состояние, но именно это и подразумевает информационный парадокс. Насколько мы понимаем, должно происходить одно из двух:
- Любая информация действительно каким-то образом уничтожается, когда черная дыра испаряется, что учит нас тому, что существуют новые правила и законы испарения черной дыры,
- Или испускаемое излучение каким-то образом содержит эту информацию, а это означает, что в излучении Хокинга есть нечто большее, чем предполагали расчеты, которые мы сделали до сих пор.
Этот парадокс, спустя более сорока лет после того, как он был впервые замечен, до сих пор так и не решен.
В то время как первоначальные расчеты Хокинга показывают, что испарение с помощью излучения Хокинга уничтожает любую информацию, отпечатанную на горизонте событий черной дыры, современная мысль состоит в том, что что-то должно произойти, чтобы закодировать эту информацию в исходящем излучении. Многие физики обращаются к голографическому принципу, отмечая, что информация, закодированная на поверхности черной дыры, применяет квантовые поправки к чисто тепловому состоянию излучения Хокинга, запечатлевая себя в излучении по мере того, как черная дыра испаряется и горизонт событий сужается. Несмотря на то, что Хокинг, Джон Прескилл, Кип Торн, Джерард 'т Хоофт и Леонард Сасскинд сделали ставки и объявили о победе или поражении в отношении этой проблемы, парадокс остается очень живым и неразрешенным, со многими гипотетическими решениями, кроме одного. представлены здесь.
Несмотря на все наши усилия, мы до сих пор не понимаем, происходит ли утечка информации из черной дыры, когда она излучает энергию (и массу). Если информация действительно просачивается, то неясно, как эта информация просачивается, и когда и где первоначальные расчеты Хокинга не срабатывают. Сам Хокинг, несмотря на признание аргумента более десяти лет назад, продолжал активно публиковаться на эту тему, часто заявляя, что наконец решил парадокс. Но парадокс остается неразрешенным, без ясного решения. Возможно, это величайшее наследие, которое можно достичь в науке: раскрыть новую проблему настолько сложную, что для ее решения потребуется несколько поколений. В данном конкретном случае почти все согласны с тем, как должно выглядеть решение, но никто не знает, как его достичь. Пока мы этого не сделаем, это останется лишь еще одной частью несравненных, загадочных даров Хокинга, которыми он поделился с миром.