Пятьдесят лет назад Стивен Хокинг потряс научный мир, показав, что черные дыры не вечны — они испаряются, излучая частицы. Это противоречило фундаментальным законам квантовой механики и породило один из самых острых парадоксов современной науки: если излучение хаотично, куда исчезает информация о материи, поглощенной черной дырой? Сегодня исследователи уверены: информация не исчезает. Но вместо долгожданного прорыва в теории квантовой гравитации ученые столкнулись с новыми вопросами о природе пространства-времени и реальности внутри черных дыр.
В марте 1974 года Хокинг опубликовал работу, изменившую представление о черных дырах. Он предположил, что эти объекты не вечны: они медленно испаряются, испуская частицы. Это явление назвали излучением Хокинга. Но выводы ученого оказались тревожными.
Излучение, по расчетам Хокинга, было случайным. Оно не несло информации о частицах, поглощенных черной дырой. Это означало, что любой объект, попавший за горизонт событий, терял свои свойства — тип частиц, их квантовые состояния, структуру. Но законы физики требуют сохранения информации. Если мы знаем состояние системы сейчас, можем восстановить ее прошлое и предсказать будущее. Черные дыры, казалось, нарушали это правило.
Конфликт между квантовой механикой и общей теорией относительности Эйнштейна стал очевиден. Физики назвали его «информационным парадоксом черных дыр». Решение этого парадокса обещало объединить две великие теории. Но путь к ответу занял 50 лет.
Суть парадокса: Почему информация не может исчезнуть
Квантовая механика утверждает: все процессы во Вселенной обратимы. Если капнуть чернила в стакан воды, они равномерно распределятся. Но зная положение каждой молекулы, можно «перемотать» процесс и найти исходную точку. Информация сохраняется всегда.
Черные дыры ставили этот принцип под сомнение. Хокинг считал, что излучение не содержит данных о поглощенных объектах. Но если информация исчезает, квантовая механика и термодинамика — науки, подтвержденные тысячами экспериментов, — ошибаются.
В 2004 году сам Хокинг пересмотрел свою позицию. Он признал: информация возвращается во Вселенную при испарении черной дыры, но в искаженной форме. Как именно — оставалось загадкой.
Новые решения: квантовые эффекты и деформация пространства-времени
Прорыв произошел в 2023 году. Две группы физиков независимо друг от друга нашли механизмы, позволяющие информации «убегать» из черной дыры.
1. Квантовая рябь пространства.
Хуан Малдасена из Принстонского института перспективных исследований и Ксавье Кальме из Университета Сассекса предположили: черные дыры — не идеальные сферы. Квантовые флуктуации создают микроскопические неровности на их поверхности. Эти деформации влияют на излучение Хокинга, кодируя в нем информацию.
Эффект крайне мал. Данные распределяются по огромному объему пространства-времени, что затрудняет их математическое обнаружение. Но даже крошечных искажений достаточно, чтобы информация сохранилась.
2. Квантовая запутанность и «острова».
Рафаэль Буссо и Джефф Пенингтон из Калифорнийского университета в Беркли изучили природу излучения Хокинга. Оно рождается у горизонта событий в виде пар частиц: одна улетает в космос, другая падает в черную дыру. Частицы связаны квантовой запутанностью — их свойства взаимозависимы.
Ученые выяснили: информация о внутренностях черной дыры может храниться в зонах, которые они назвали «островами запутанности». Эти области выступают за горизонт событий на расстояние, сравнимое с размером атома. Этого достаточно, чтобы данные оставались доступными для внешнего наблюдателя.
Почему решение парадокса не привело к новой теории
Физики сходятся во мнении: информация сохраняется. Но это не приблизило их к главной цели — созданию теории квантовой гравитации, которая объединила бы общую теорию относительности и квантовую механику.
«Мы думали, что парадокс укажет путь к новой физике, — говорит Дон Марольф из Калифорнийского университета. — Но все оказалось иначе». Решение не требует экзотических гипотез вроде струнной теории. Оно работает в рамках известных законов, оставляя вопрос о природе гравитации открытым.
Ключевая проблема — расчеты по-прежнему опираются на полуклассическую физику, где квантовые эффекты и гравитация рассматриваются отдельно. Для полного понимания черных дыр нужна теория, которая объединит их.
Что происходит внутри черной дыры?
Даже зная, как информация покидает черную дыру, ученые не понимают, что творится внутри.
1. Загадка «стены огня».
Ранние модели предполагали: на границе горизонта событий существует «стена огня» — область сверхвысоких энергий, мгновенно испаряющая любой объект. Некоторые физики считали, что за этой стеной пространство-время перестает существовать.
Сегодня эта идея утратила популярность. Исследования энтропии (меры хаоса) внутри черных дыр показали: число возможных квантовых состояний там меньше, чем считалось. Многие конфигурации частиц, кажущиеся разными, на самом деле идентичны. Это значит, внутренняя структура черной дыры может быть проще, чем ожидалось. Но как это согласуется с общей теорией относительности — непонятно.
2. Пространство и время меняются местами.
При падении в черную дыру привычные законы перестают работать. Снаружи горизонт событий — точка в пространстве. Изнутри он становится точкой во времени. Все, что пересекло горизонт, оказывается в будущем наблюдателя, оказавшегося внутри.
«Представьте, что вы падаете в черную дыру, — объясняет Нил Ламберт из King’s College London. — Для внешнего мира вы навсегда застыли у горизонта событий. Но для вас пространство и время меняются ролями. Черная дыра становится вашим будущим, от которого невозможно убежать».
Экспериментальные модели и квантовые компьютеры
Прямые наблюдения за черными дырами невозможны. Ученые ищут аналоги в лабораториях:
1. Искусственные черные дыры в жидкостях.
Сверхтекучий гелий и бозе-эйнштейновские конденсаты — жидкости без трения — имитируют поведение пространства-времени. В них создают вихри, которые затягивают звуковые волны подобно тому, как черные дыры поглощают свет. В таких системах даже наблюдали аналоги излучения Хокинга.
Но критики сомневаются: эти модели не учитывают ключевой аспект — радикальную трансформацию пространства и времени внутри реальной черной дыры.
2. Квантовые вычисления.
Квантовые компьютеры могут симулировать сложные взаимодействия гравитации и квантовых эффектов. Хуан Малдасена считает: через 10–15 лет технологии позволят создать виртуальные модели черных дыр. Это поможет понять, как информация кодируется в излучении.
Post Scriptum
Парадокс Хокинга решен, но черные дыры по-прежнему хранят тайны. Физики доказали: информация не исчезает. Однако это не ответ, а начало нового этапа.
Главный вопрос теперь — что происходит внутри черной дыры? Как совместить странности квантового мира с искривлением пространства-времени? Возможно, ответы перевернут наши представления о реальности.
«Черные дыры — это окно в неизведанное, — говорит Рафаэль Буссо. — Их изучение может раскрыть природу информации, времени и самой структуры Вселенной». Пока же ученые продолжают искать ключи в лабораториях, уравнениях и глубинах квантовых компьютеров.
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» по ссылке ниже 👇👇👇 либо нажать на кнопку «Поддержать» чуть ниже это сообщения с правой стороны.
