Потеря информации?
Тот факт, что черные дыры испаряются, поднимает важный вопрос: что про-
исходит с информацией, которая участвовала в образовании черной дыры? Мы
упоминали о сбивающем с толку следствии принципа «отсутствия волос»
у черных дыр в классической общей теории относительности: независимо от
того, из чего была образована черная дыра, после завершения процесса ее
формирования единственными ее характеристиками являются масса, заряд
и угловой момент . В предыдущих главах мы много говорили о том, что по мере
развития Вселенной, от одного момента времени к другому, законы физики
сохраняют информацию, необходимую для описания состояния . На первый
взгляд кажется, что черные дыры уничтожают эту информацию .
Представьте себе, что вы, окончательно расстроившись из-за неспособности
современной физики предоставить достойное объяснение стрелы времени,
швыряете эту книгу в огонь . Позднее вас начинает глодать мысль о том, что
этот импульсивный поступок был большой ошибкой, и вы хотите получить
книгу обратно . К сожалению, она уже сгорела дотла . Однако законы физики
говорят нам, что вся информация, содержащаяся в книге, в принципе, осталась
доступной, как бы ни было трудно ее восстановить на практике . Горящая кни-
га эволюционировала в одну конкретную конфигурацию пепла, света и тепла .
Если бы мы могли точно описать полное микросостояние Вселенной после
того, как огонь погас, мы, теоретически, могли бы прокрутить стрелки часов
в обратную сторону и выяснить, что за книга тогда сгорела: эта, которую вы
читаете, или, например, «Краткая история времени» (демону Лапласа было
бы известно, какая именно) . Конечно же, все это лишь теоретические измыш-
ления, потому что по ходу дела энтропия также значительно увеличится, но,
в принципе, это вполне реальный сценарий .
Если же вместо того, чтобы швырять книгу в огонь, вы забросите ее в черную
дыру, история изменится . Согласно классической общей теории относитель- 
Глава 12 . Черные дыры: конец времени
365
Рис . 12 .5 . Информация (например, книга) падает в черную дыру и должна выйти наружу
в форме хокинговского излучения . Но как она может быть одновременно в двух местах?
ности, восстановить информацию будет невозможно; книга упала в черную
дыру, и мы ничего не можем сделать, кроме как измерить массу, заряд и угловой
момент черной дыры . Другие характеристики нам недоступны . Единственное
наше утешение — надежда, что эта информация где-то все же сохранилась,
просто нам теперь до нее не добраться .
Однако ситуация предстает в совершенно ином свете, как только в игру
вступает хокинговское излучение . Теперь черная дыра не живет вечно; если
мы терпеливо подождем, она полностью испарится . И если информация не
теряется, то мы должны оказаться в том же случае, как и в примере с огнем; то
есть, в принципе, быть способными восстановить содержимое книги, изучая
свойства выходящего излучения .
Проблема с подобными ожиданиями возникает, когда мы начинаем анали-
зировать, каким образом виртуальные частицы порождают хокинговское из-
лучение вблизи горизонта событий черной дыры . Исходя из того, что изобра-
жено на рис . 12 .5, можно подумать, что книга проваливается сквозь горизонт
и попадает в сингулярность (или туда, что заменяет сингулярность в теории
квантовой гравитации), забирая с собой всю информацию, содержащуюся на
страницах . В то же время излучение, которое предположительно переносит ту
же информацию, уже покинуло черную дыру . Как одна и та же информация
может быть одновременно в двух местах?18 Расчеты Хокинга показывают, что
выходящее излучение совершенно одинаково для всех типов черных дыр, не-
зависимо от того, из чего они сделаны . Таким образом, получается, что инфор-
|
366
Часть IV . Из кухни в Мультиленную
мация попросту уничтожается? Если вспомнить наши предыдущие примеры
с шахматными досками, то это аналогично существованию определенного рода
пятна, которое случайным образом порождает либо серые, либо белые квадра-
ты вне зависимости от предыдущего состояния .
Эта загадка известна как «парадокс о потере информации в черных дырах» .
Поскольку экспериментальную информацию о квантовой гравитации очень
сложно получить напрямую, размышления о том, как же все-таки разрешить
этот парадокс, в последние несколько десятилетий непрерывно занимали умы
множества физиков-теоретиков . Физическое сообщество раскололось на две
части . Физики, которые, грубо говоря, долго занимались общей теорией от-
носительности (включая Стивена Хокинга), склонялись к тому, что информация
действительно теряется и что испарение черной дыры — это пример наруше-
ния привычных правил квантовой механики . В то же время ученые, занимав-
шиеся физикой элементарных частиц и квантовой теорией поля, скорее были
готовы поверить в то, что нам необходимо лучше разобраться в вопросе ис-
парения черных дыр, и тогда мы увидим, что информация все же каким-то об-
разом сохраняется .
В 1997 году Хокинг и его коллега Кип Торн (оба из лагеря общей теории
относительности) заключили пари с Джоном Прескиллом, физиком-теорети-
ком, занимающимся изучением элементарных частиц в Калтехе . Вот текст
этого договора:
Исходя из того что Стивен Хокинг и Кип Торн твердо уверены, что инфор-
мация, поглощаемая черной дырой, навсегда скрывается из внешней Вселенной
и никогда, даже после испарения черной дыры, не может быть обнаружена
повторно и полностью исчезает, а также принимая во внимание, что Джон
Прескилл твердо уверен, что механизм выхода информации при испарении
черной дыры должен быть и будет обнаружен в правильной теории квантовой
гравитации,
Прескилл предлагает, а Хокинг и Торн принимают предложение заключить
пари о следующем:
Когда чистое квантовое начальное состояние претерпевает гравитационный
коллапс, формируя черную дыру, конечное состояние по завершении испарения
черной дыры всегда будет являться чистым квантовым состоянием.
Проигравший (проигравшие) наградит победителя (победителей) энцикло-
педией по выбору победителя, откуда тот может извлекать информацию по
своему желанию.
Стивен У. Хокинг, Кип С. Торн, Джон П. Прескилл
Пасадена, Калифорния, 6 февраля 1997 г.
Глава 12 . Черные дыры: конец времени
367
В 2004 году Хокинг совершил поступок, о котором кричали заголовки всех
газет: он признал свое поражение, согласившись, что при испарении черной
дыры информация действительно сохраняется . Интересно также, что Торн со
своим поражением так и не согласился (по состоянию на момент написания
этой книги); более того, Прескилл с большой неохотой принял свой выигрыш
(энциклопедия Total Baseball: The Ultimate Baseball Encyclopedia, восьмое издание),
так как считал, что вопрос пока что еще не решен до конца .19
Что же убедило Хокинга, на протяжении тридцати лет утверждавшего, что
информация в черных дырах теряется, в том, что в действительности она со-
храняется? Ответ основывается на нескольких важных идеях, касающихся
пространства—времени и энтропии, поэтому для начала нам необходимо
познакомиться с основами .