Информационный парадокс

Рисунок художника: аккреционный диск горячей, постоянной плазмы, вращающийся вокруг чёрной дыры

Исчезнове́ние информа́ции в чёрной дыре́ — явление, которое должно происходить в чёрной дыре, если она действительно подчиняется термодинамическому описанию, предложенному Стивеном Хокингом. Это явление, однако, несовместимо с общими принципами квантовой механики и потому представляет собой серьёзнейшую проблему, стоящую перед квантовой гравитацией.

Суть проблемы

Согласно современным представлениям, невращающаяся и незаряженная чёрная дыра задаётся всего одним независимым параметром — своей массой. Это означает, что если мы бросим в чёрную дыру какое-либо тело определённой массы, то совершенно неважно, что это было за тело и в каком внутреннем состоянии оно находилось: свойства чёрной дыры после поглощения тела будут зависеть только от её новой массы. Эту гипотезу иногда называют «у черной дыры нет волос» («no hair theorem»), т. е. все невращающиеся и незаряженные чёрные дыры одинаковой массы неотличимы друг от друга. Это, в частности, означает, что чёрная дыра, получившаяся из гравитационного коллапса вещества, и чёрная дыра той же массы, получившаяся из гравитационного коллапса антивещества, ничем не отличаются. Таким образом, в процессе гравитационного коллапса нарушаются законы сохранения квантовых чисел, не связанных с калибровочными преобразованиями, как, например, барионный и лептонный заряды.

В рамках классической (неквантовой) теории гравитации чёрная дыра — объект неуничтожимый. Она может только расти, но не может ни уменьшиться, ни исчезнуть совсем. Это значит, что в принципе возможна ситуация, что попавшая в чёрную дыру информация на самом деле не исчезла, она продолжает находиться внутри чёрной дыры, но просто не наблюдаема снаружи. Иная разновидность этой же мысли: если чёрная дыра служит мостом между нашей вселенной и какой-то другой Вселенной, то информация, возможно, просто перебросилась в другую вселенную.

Проблемы начнутся, когда мы учтём квантовые явления. Главный результат применения квантовой теории к чёрной дыре состоит в том, что она постепенно испаряется благодаря излучению Хокинга. Это значит, что можно дождаться такого момента, когда масса чёрной дыры снова уменьшится до первоначального значения (перед бросанием в неё тела). Таким образом, мы получаем в результате, что чёрная дыра превратила исходное тело в поток разнообразных излучений, но сама при этом не изменилась (поскольку она вернулась к исходной массе!). Испущенное излучение при этом совершенно не зависит от того, что за тело было брошено в чёрную дыру. То есть чёрная дыра уничтожила попавшую в неё информацию.

Чем такая ситуация плоха? Если мы рассмотрим то же самое для падения и последующего испарения квантовой системы, находящейся в каком-либо чистом состоянии, то — поскольку чёрная дыра сама не изменилась — получим преобразование исходного чистого состояния в «тепловое» (смешанное) состояние. Такое преобразование неунитарно, а вся квантовая механика строится на унитарных преобразованиях. Таким образом, эта ситуация противоречит исходным постулатам квантовой механики.

Разрешение этого противоречия — необходимый шаг на пути построения квантовой гравитации.

Разрешение противоречия

Возможные варианты разрешения

Поскольку проблема состоит в том, что две физические теории противоречат друг другу, когда мы их пытаемся применить к чёрной дыре, в принципе не исключено, что одна из этих теорий просто перестаёт работать в данном случае. Так, например, высказывались мнения, что квантовая механика перестаёт работать в сверхсильных гравитационных полях. Другой вариант разрешения заключается в том, что излучение Хокинга, возможно, не совсем хаотично-тепловое, т. е. между излучаемыми частицами могут быть некоторые корреляции, которые кодируют попавшую в чёрную дыру информацию. Таким образом, чёрная дыра не будет уничтожать информацию.

Состояние проблемы в последние годы

В 1997 году была предложена гипотеза о AdS/CFT дуальности, т. е. гипотеза о том, что квантовая гравитация в анти-де-ситтеровском (то есть с отрицательным космологическим членом) 5-мерном пространстве математически эквивалентна конформной теории поля на 4-поверхности этого мира. Она была проверена в некоторых частных случаях, но пока не доказана в общем виде. Если эта гипотеза действительно верна, то это автоматически влечёт за собой разрешение проблемы об исчезновении информации. Дело в том, что конформная теория поля, по построению, унитарна. Если она дуальна квантовой гравитации, то значит и соответствующая квантовогравитационная теория тоже унитарна, а значит, информация в этом случае не теряется.

За последние годы накопилось много косвенных указаний на то, что AdS/CFT дуальность должна выполняться. В результате, всё больше и больше физиков становятся на точку зрения, что информация в чёрной дыре не должна теряться. Однако конструктивного объяснения, что именно происходит с информацией, так и не появилось. Кроме того, остаётся непонятным, как обстоит дело в плоском или де-ситтеровском мире (то есть во вселенной с нулевым или положительным космологическим членом).

Поэтому хотелось бы видеть конструктивное доказательство того, что информация действительно не теряется.

Другая точка зрения гласит, что исчезновение информации — очередной способ увеличения энтропии во вселенной. То есть информация не исчезает бесследно, а становится частью хаоса вселенной откуда может быть изъята с помощью процесса, уменьшающего энтропию. Но фактически «Второе начало» молекулярной физики говорит нам, что энтропия не уменьшается. Окончательно это доказано не было, поэтому вопрос остается открытым.

Доклад Стивена Хокинга

21 июля 2004 года на 17-й международной конференции по гравитации и общей теории относительности Стивен Хокинг представил доклад, в котором, как он считает, он предъявил разрешение этого противоречия (см. полный текст доклада Хокинга). В этом кратком докладе не представлены детали вычислений, а описана лишь общая стратегия и конечный результат.

19 июля 2005 года в архиве электронных препринтов появился расширенный и дополненный текст этого доклада hep-th/0507171.

На основании текста доклада можно дать следующие предварительные комментарии:

• Общий вывод таков: в реальных процессах образования и испарения чёрных дыр, возможных в нашем мире, информация не теряется, в согласии с требованиями квантовой механики.
• К сожалению, Хокинг не пытается показать, как именно информация покидает чёрную дыру. Вместо этого, он анализирует начальное (до образования чёрной дыры) и конечное (после её полного испарения) состояния вселенной. Он показывает, что полное преобразование вселенной из заданного начального состояния в заданное конечное — которое может идти самыми различными путями — оказывается унитарным. Это как раз и требуется для применимости квантовой механики, и из этого следует, что информация не исчезает.
• Ключевой момент в доказательстве — утверждение о том, что настоящая чёрная дыра как объект с нетривиальными топологическими свойствами не образуется при коллапсе. То, что в нашем мире может образоваться, это лишь «кажущаяся» чёрная дыра, объект, во многом похожий на истинную чёрную дыру, но не обладающий настоящей топологической сингулярностью.
• Вычисления Хокинга относятся именно к анти-де-ситтеровскому миру. Что будет в случае плоского или де-ситтеровского мира, он не говорит. Более того, использованный им подход работает только в анти-де-ситтеровском мире.

Это заметно уменьшает ценность работы, поскольку общий вывод об унитарности в этом случае следует из AdS/CFT дуальности, что сам Хокинг и признаёт.

Ссылки

• Природа Пространства и Времени — диалог между двумя виднейшими космологами современности — Стивеном Хокингом и Роджером Пенроузом — о космологии, квантовой гравитации, а также и о проблеме потери информации в чёрной дыре.
• Сколько ангелов может танцевать на булавочной головке? Статья c междисциплинарного научного сервера Scientific.ru

Некоторые сайты, на которых обсуждался доклад Хокинга

• Jacques Distler’s blog
• Urs Schreiber’s blog
• Sean Carroll’s blog