Известно, что, по принципу неопределенности Гейзенберга, из Ничего, то бишь из вакуума, могут одновременно возникать пары частиц и античастиц или пары фотонов. Едва появившись, они бесследно исчезают. Если подобная пара образуется близ границы черной дыры, то одна из этих частиц (или один из фотонов) может пересечь границу черной дыры. Это случайное движение приведет к непоправимому. Теперь пара частиц будет навеки разделена. Одна из них останется внутри черной дыры, то есть будет недоступна для наблюдателя, а другая станет частью излучения Хокинга; ее можно будет наблюдать.
Это событие приводит к тому, ЧТО энергия черной дыры, как и ее масса, слегка уменьшается, – ведь улетевшая частица уносит какую-то долю энергии. Черная дыра постепенно сжимается. Впрочем, процесс этот протекает очень медленно. Возьмем, к примеру, черную дыру, чья масса всего в три раза превышает вес нашего Солнца. Пройдет целых 1067 лет. прежде чем она потеряет всю свою массу. Что означает сей промежуток времени? Он примерно в 1057 раз превышает теперешний возраст Вселенной.
Метаморфозы происходят и с частицами, улетевшими прочь. Преодолевая силу притяжения черной дыры, они резко замедляют свой бег и теряют почти всю энергию. Это приводит к тому, что коротковолновое излучение становится длинноволновым и, кроме того, остывает. Длина волны достигает диаметра самой черной дыры.
Расчеты Хокинга показали, что световое излучение черной дыры схоже с излучением абсолютно черного тела Планка. Никакие другие характеристики излучения – кроме температуры – не позволяют судить о самом объекте, излучающем свет.
Однако, согласно расчетам Парика и Вильчека, излучение Хокинга должно выказывать характерные отличия от излучения Планка. Если это так, значит, исследуя это излучение, можно собрать сведения о внутреннем строении черной дыры. Впрочем, излучение Хокинга настолько слабо, что его, очевидно, никогда не удастся наблюдать непосредственным образом.
Михаил Вартбург
Черные дыры и «информационный парадокс»
Тут из задних рядов интересуются: «А вот если уронить в черную дыру какой-нибудь том Британской энциклопедии, чего тогда будет?»
Действительно. Говорят, что из черной дыры ничего выйти наружу уже не может: что в нее упало, то по- настоящему пропало. Так неужто информация тоже? Огорчительно. Человечество, можно сказать, веками старалось, думало, моршило лоб, открывало, записывало, хранило – а тут, в одночасье, все как корова языком… И ничего уже не разглядишь, ни единой буковки – дыра-то черная!
Поначалу как-то не верится, что природа устроена так злонамеренно. Эйнштейн, например, до самой смерти не соглашался поверить в злонамеренность природы. Но вот два крупнейших специалиста по черным дырам, доктор Кип Торн и доктор Стивен Хокинг, утверждают, что оптимизм Эйнштейна был не совсем оправдан: черные дыры действительно способны пожирать информацию навсегда, то есть безвозвратно. А с этими титанами космологии даже спорить как-то боязно. Никто и не решается.
Один, однако, нашелся – доктор Джон Прескилл. Тоже космолог, тоже известный, из того же Калифорнийского технологического института, что и Торн, но с другим мнением. Он утверждает, что информация никуда пропасть в природе не может. Есть, мол, такой закон – сохранения информации, подобный закону сохранения энергии, и все. Прескилл даже пошел на пари с Торном (а заодно и с Хокингом), что это именно так. А они с ним – что иначе. Договорились так: кто проиграет, покупает выигравшей стороне полную Британскую энциклопедию, сколько-то там томов. А это вам не шуточки – полная «Британника» сегодня как минимум на полторы тысячи долларов тянет Очень азартные люди эти космологи. Недавно вот так же спорили, есть у черной дыры волосы или нет. Хокинг говорил, что нет, а Торн, что есть. Пришлось Торну покупать Хокингу годовую подписку на «Плэйбой» или что-то в этом роде, тоже некопеечное. Суровые у них там нравы, в науке.
Вам может показаться, что эти космологи занимаются за государственный счет всякими глупостями: есть ли у дыры волосы да куда уроненная энциклопедия исчезает, но на самом деле это самые что ни на есть серьезные физические вопросы, даже можно сказать – весьма глубокие вопросы. От их решения зависит, какой быть будущей физике. Дело в том, что эта будущая физика должна объединить два доселе не объединенных (и никак доселе не объелиниvibix) столпа нынешней науки – теорию гравитации и квантовую теорию. Как метко сказал один из крупных современных физиков, «мы еще не знаем, как будет выглядеть результат такого объединения, но мы уже можем наверняка сказать, что ни теория гравитации, ни квантовая теория не выйдут из этого объединения такими, какими они выглядят сегодня». Оказывается, вопрос о том, исчезает или не исчезает информация в черной дыре, напрямую связан с вопросом о том, существуют ли у этой дыры «волосы» (мы сейчас скажем, как это понимать), а оба они вместе – с тем, какой из «столпов» современной науки – теорию гравитации или квантовую теорию – нужно изменить, дабы наконец добиться их объединения.
Чтобы убедиться в вышесказанном, присмотримся к аргументации доктора Прескилла Свое убеждение, что информация должна сохраняться, он основывает на том фундаментальном факте, что уравнения квантовой теории, описывающие движение микрочастиц, обратимы во времени. Если происходит реакция, в ходе которой одна такая частица превращается в несколько других, а те еще в несколько других, то обратимость уравнений означает, что, «обратив время» (то есть рассматривая реакцию, обратную данной), можно по конечным продуктам такого распада восстановить исходную картину. Понятно, что если природа допускает утрату информации, то такое восстановление окажется не всегда возможным: будет недоставать информации о каких-то промежуточных этапах. По мнению Прескилла, такая «утечка информации» в одном каком-то месте (пусть и в черной дыре) обязательно должна вызвать появление утечки и в других местах – это превратилось бы в «информационную эпидемию», и мы давно должны были бы ее заметить, как бы ни были малы ее последствия.
Доктор Прескилл связывает сохранение информации с сохранением энергаи. На ранних этапах становления квантовой теории, в двадцатые годы, было много разговоров о том, что в микромире закон сохранения энергии, возможно, нарушается. Эти разговоры были вызваны результатами исследования процессов так называемой бета-радиоактивности, в ходе которых часть энергии действительно как будто бы исчезала. Позже, однако, удалось установить, что эту недостающую энергию уносит с собой появляющаяся в ходе распада, но трудноуловимая частица нейтрино, и с тех пор незыблемый закон сохранения энергии стал, если это возможно, «еще незыблемей». Прескилл указывает, что всякая передача информации неизбежно связана с затратой энергии, поэтому бесследное исчезновение информации влекло бы за собой бесследное исчезновение соответствующей энергии, то есть нарушение незыблемого закона ее сохранения. Отсюда следует, что аналогично закону сохранения энергии должен существовать закон сохранения информации.
На первый взгляд, против этого можно выдвинуть сразу несколько возражений. Ну, например, такое: все мы свидетели того, что информацию можно уничтожить. Моден, правда, афоризм, будто рукописи не горят, но ни для кого не секрет, что на самом деле они горят и, увы, еще как горят! Синим пламенем, как говорится. Но на это доктор Прескилл отвечает, что информация здесь в действительности не исчезает, а превращается в языки этого пламени; их форма и другие особенности зависят от сжигаемой рукописи, в конечном счете – даже от вида и расположения буквочек на ней. В принципе, говорит он, эту информацию можно восстановить именно по этим языкам пламени. (Нечто подобное некогда утверждал писатель-фантаст Иван Ефремов относительно «голосов минувшего», якобы записывающихся в складках песчаных отложений. В его одноименном рассказе специальный прибор восстанавливал эти голоса, скользя по таким складкам, как игла по пластинке.) Доктор Прескилл идет еще дальше, он утверждает, что информация не исчезает бесследно даже «в конце времен», когда Вселенная умирает «тепловой смертью», достигая максимума энтропии, или, что то же самое, превращая все упорядоченные виды движения в совершенно хаотическое тепловое движение атомов и частиц. Мы как раз хотели выдвинуть против доктора Прескилла это очередное возражение насчет «тепловой смерти Вселенной», но он нас опередил, потому что и сам об этом думал. Он додумался до того, что информация и здесь не исчезает, потому что и здесь она всего лишь переходит в «иную форму». И вообше, говорит доктор Прескилл, какой бы бесследной ни казалась нам в том или ином случае утрата информации. Господь, грубо говоря, все равно знает, куда она девалась и где она скрыта.