Уявіть, що ви астронавт, який вирішив дослідити чорну діру. Астрономічний об'єкт, який має таку сильну гравітацію, що ніщо не може втекти від нього, навіть світло. Вам цікаво, що знаходиться всередині чорної діри, тому стрибаєте в невідоме. Що станеться з вами і вашим кораблем?
Згідно з теорією загальної відносності, ви загинете. ЧД буквально розплющить вас, а потім розірве на елементарні частинки. Ваш космічний корабель також буде розчавлений і подрібнений на крихітні шматочки. Зрештою, те, що від вас залишиться (набір частинок), колись (ми не знаємо точно) досягне сингулярності. Точніше кажучи, ви перетворитись на частину сингулярності. Тут, в центрі діри, густина та гравітація нескінченні. У нас не існує навіть математичного апарату, щоб описати цей феномен.
Але згідно з квантовою механікою, яка описує матерію та енергію на найдрібніших масштабах, існує один нюанс. Квантова теорія стверджує, що інформація, тобто все, що можна виміряти і записати, наприклад, ваша маса, форма, колір, швидкість або температура, ніколи не втрачається. Вона не зникає і не може бути знищена. Вона може лише змінити форму або змінити локацію.
Навіть якщо вас і ваш космічний корабель фізично знищить чорна діра, інформація про вас і ваш космічний корабель все одно має існувати. Десь у Всесвіті. В якому форматі — питання.
У цьому й полягає суть інформаційного парадоксу: як інформація може зберігатися в чорній дірі, яка, здавалося б, знищує все?
Вперше таку ідею запропонував Стівен Гокінг у 1970-х роках, коли виявив, що ЧД не є повністю чорними. Він виявив, що такі астрономічні об’єкти випромінюють дуже слабке випромінювання, спричинене квантовими ефектами поблизу горизонту подій, місця, де починається “справжня” чорна діра.
Гокінг стверджував, що гіпотетичне випромінювання забирає частину маси та енергії ЧД, змушуючи її стискатися і врешті-решт випаровуватися. Але, на його думку, феномен не стосується “зовнішніх” об’єктів. Тобто інформація про вас і ваш космічний корабель буде назавжди втрачена, коли чорна діра випарується. Щоправда, цей процес займає, можливо, десятки мільярдів років.
Висновок знаменитого космолога суперечить квантовій механіці. А якщо так, то або щось не так із загальною теорією відносності, або помиляється квантова механіка частинок. Або потрібно шукати альтернативу обом теоріям.
50 років фізики намагаються вирішити інформаційний парадокс чорної діри, намагаючись поєднати гравітацію і квантову механіку. Як наслідок, виникло занадто багато альтернативних теорій, але жодна з них ще не була доведена або широко прийнята.
Дозвольте привести декілька ідей.
- Інформація не втрачається, а кодується у випромінюванні Гокінга. Деякі фізики припускають, що розрахунки Гокінга були неповними і не враховували лише тонкі квантові ефекти, які роблять випромінювання Гокінга залежним від того самого “зовнішнього” об’єкта, умовного астронавта з його кораблем. А для того, щоб розшифрувати такого роду інформацію, потрібно дуже точно вимірити кожен біт випромінювання, а потім — завдяки спеціальному алгоритму - реконструювати те, що потрапило в чорну діру.
- Інформація не втрачається, а зберігається на горизонті подій. Іде витікає з голографічного принципу, який говорить, що все, що відбувається в об'ємі простору, можна описати тим, що відбувається на його межі. Тобто інформація про вас і ваш космічний корабель може бути закодована на двовимірному шарі на горизонті подій за допомогою меншої кількості бітів, ніж у тривимірному. Потім ця інформація може бути отримана спостерігачем, який знаходиться поблизу горизонта подій.
- Інформація не втрачається, а витікає шляхом квантового тунелювання. Явища, коли частинки проходять через бар'єри, які, згідно з класичною фізикою, неможливо перетнути. Тобто ви “тунелюєте” крізь горизонт подій і вириваєтесь з чорної діри до того, як досягаєте її центру, сингулярності. Такі частинки нібито несуть певну інформацію, але поки не зрозуміло, як “перезібрати” корабель у звичну, “фізичну” форму.
- Інформація втрачається, змінюючи принципи квантової механіки. За таким сценарієм КМ “ламається” в екстремальних умовах. Необхідні нові концепції або принципи, здатні модифікувати квантову теорію і “подолати інформаційний парадокс чорної діри. Щось на зразок MOMD: тільки якщо теорія модифікованої гравітації займається простором-часом, то модифікована квантова теорія зосереджується на компактних сутностях, де вже не діють звичні нам чотири фундаментальні сили природи.
Проблема лише у верифікації теорій. Або в проведенні есперименту. Як? Ми не знаємо. Можливо, у нас немає відповідних технологій. А, можливо, все вищесказане відноситься до конгломерату ідей, що не перевіряються в принципі.
