Что внутри черных дыр? | Стивен Хокинг
Узнать что внутри черных дыр, вам поможет Стивен Хокинг. Это выдержка из его последней книги, которая так и не была закончена — статья даст вам исчерпывающею информацию с самого компетентного источника по этому вопросу, что был до этого времени.
Говорят, что факты порой причудливей вымысла, и нигде это не оправдывается в большей степени, чем в черных дырах. Черные дыры необычнее всех выдумок писателей-фантастов, и при этом их существование – доказанный научный факт.
Первым заговорил о черных дырах ученый из Кембриджа Джон Мичелл в 1783 году. Его идея заключалась в следующем. Если выстрелить частицу, например пушечное ядро, вертикально вверх, сила гравитации будет замедлять ее движение. Постепенно частица перестанет двигаться вверх и начнет падать обратно. Однако если первоначальная вертикальная скорость будет выше определенного критического значения, так называемой скорости убегания, то силы гравитации окажется недостаточно, чтобы остановить частицу, и она улетит. Скорость убегания, или вторая космическая скорость, для Земли составляет свыше 11 километров в секунду, а для Солнца – примерно 617 километров в секунду. И та и другая значительно выше скорости реального пушечного ядра. Но они невысоки по сравнению со скоростью света, которая составляет 300 000 километров в секунду. Таким образом, свет без особого труда может покинуть и Землю, и Солнце. Однако Мичелл отметил, что могут существовать звезды гораздо массивнее Солнца, на которых скорость убегания будет превышать скорость света. Мы не в состоянии их увидеть, потому что свет, испускаемый ими, притягивается обратно благодаря силе гравитации. Мичелл назвал их «темными звездами». Сейчас мы называем их черными дырами.
Чтобы понять их, нужно начать с гравитации. Гравитация описана в общей теории относительности Эйнштейна, которая также является теорией пространства и времени. Поведение пространства и времени определяется рядом уравнений, которые Эйнштейн вывел в 1915 году. С тех пор они так и называются – уравнения Эйнштейна. Хотя гравитация считается самой слабой из известных сил природы, у нее есть два существенных преимущества перед ними. Во-первых, она действует на большом расстоянии. Земля удерживается на орбите вокруг Солнца, до которого 150 миллионов километров. Солнце вращается по орбите вокруг центра Галактики, до которого примерно 25 000 световых лет. Второе преимущество заключается в том, что гравитация всегда положительная, в отличие от электрических сил, которые могут быть как положительными, так и отрицательными. Эти две характеристики означают, что у достаточно крупной звезды гравитационное притяжение между частицами доминирует над всеми остальными силами и приводит к гравитационному коллапсу.
Что думает научное сообщество?
Несмотря на эти факты, научное сообщество долго шло к пониманию, что массивные звезды под воздействием собственной гравитации могут обрушиваться внутрь себя, и не могло представить, как будут вести себя возникшие в результате объекты. Альберт Эйнштейн в 1939 году даже опубликовал статью, в которой утверждал, что гравитация не может привести к коллапсу звезды, потому что материя не может сжиматься плотнее определенных величин. Многие ученые соглашались с интуитивной догадкой Эйнштейна. Главным исключением стал американский ученый Джон Уилер, которого во многом можно считать главным героем истории о черных дырах. В работах 1950–1960-х годов он доказывал, что многие звезды должны со временем переживать коллапс, и исследовал проблемы, которые в связи с этим могут возникнуть для теоретической физики. Он также предсказал многие свойства объектов, в которые превращаются звезды после гравитационного коллапса, то есть черных дыр.
На протяжении основной части жизни обычной звезды, длящейся много миллиардов лет, она противостоит собственной гравитации за счет теплового давления, создаваемого термоядерным процессом, в ходе которого водород превращается в гелий. Но постепенно ядерное топливо звезды заканчивается. Звезда начинает сжиматься. В некоторых случаях она может сохраниться как белый карлик – плотные остатки звездного ядра. Однако в 1930 году Субраманьян Чандрасекар доказал, что максимальная масса звезды – белого карлика не может более чем в 1,4 раза превышать массу Солнца. Аналогичную предельную массу рассчитал советский физик Лев Ландау для нейтронной звезды.
Как же складывается судьба бесконечного количества звезд с массой, превышающей предельную массу белого карлика или нейтронной звезды, у которых заканчивается ядерное горючее? Проблему изучал Роберт Оппенгеймер, которого часто называют «отцом атомной бомбы». В паре статей 1939 года, написанных в соавторстве со своими учениками Джорджем Волковым и Хартлендом Снайдером, Оппенгеймер показал, что такие звезды не в состоянии сохранять необходимое давление. А при отсутствии давления однородная сферически-симметричная звезда должна сжаться до точки, обладающей бесконечной плотностью. Такая точка называется сингулярностью. Все наши теории пространства опираются на предположение, что пространство-время ровное и практически плоское, поэтому в точке сингулярности, где искривление становится бесконечным, оно прерывается. То есть сингулярность – это конец пространства и времени.
Это вызывало сильные возражения у Эйнштейна.
Затем вмешалась Вторая мировая война. Большинство ученых, включая Роберта Оппенгеймера, переключили внимание на ядерную физику, и тема гравитационного коллапса оказалась практически заброшена. Интерес к предмету возродился с открытием удаленных объектов, которые назвали квазарами. Первый квазар, получивший номер 3С 273, был обнаружен в 1963 году. Вскоре нашли много других. Они были очень яркими, несмотря на огромную удаленность от Земли. Такое излучение нельзя было объяснить ядерными процессами, поскольку на выделение энергии в них тратится лишь незначительная часть массы покоя. Единственной альтернативой могла считаться гравитационная энергия, испускаемая вследствие гравитационного коллапса.
Таким образом был вторично обнаружен гравитационный коллапс.
Когда подобное происходит, сила гравитации притягивает к объекту всю окружающую материю. Было понятно, что унифицированная сферическая звезда должна сжаться до точки бесконечной плотности, до сингулярности. А что может произойти, если звезда не однородная и не сферическая? Может ли неравномерное распределение звездного вещества стать причиной неоднородного коллапса, тем самым позволив избежать сингулярности? В замечательной статье 1965 года Роджер Пенроуз, опираясь исключительно на тот факт, что гравитация – сила притяжения, показал, что и в таком случае возникает сингулярность.
В сингулярности уравнения Эйнштейна перестают действовать. Это означает, что в точке бесконечной плотности невозможно предсказать будущее. Из этого следует, что при коллапсе звезды должно происходить нечто странное. На нас никак не может повлиять нарушение предсказуемости, если сингулярность не обнажена – то есть не защищена извне. Пенроуз выдвинул принцип космической цензуры: все сингулярности, образованные в результате коллапса звезд или иных объектов, скрыты от наблюдателя внутри черных дыр. Черная дыра – область, где гравитация настолько сильна, что свет не может ее покинуть. Принцип космической цензуры почти наверняка верен, поскольку множественные попытки опровергнуть его успехом не увенчались.
В 1967 году Джон Уилер предложил термин «черная дыра» вместо существовавшего раньше термина «застывшая звезда». Выражение Уилера подчеркивает, что остатки коллапсировавших звезд существуют сами по себе вне зависимости от того, как они формировались. Новый термин быстро прижился.
Извне невозможно понять, что происходит внутри черной дыры. Что бы в нее ни попадало, каким бы образом она ни сформировалась, черная дыра выглядит одинаково. Джон Уилер выразился по этому поводу так: «У черных дыр нет волос».
Что будет если попасть в черную дыру?
Черная дыра имеет границу, которая называется горизонтом событий. В этой области сила гравитации достаточно сильна, чтобы удерживать свет и не дать ему покинуть черную дыру. А поскольку ничто не может двигаться быстрее света, то и все остальное тоже постоянно затягивается назад и не может ее покинуть. Падение сквозь горизонт событий можно сравнить с катанием на каноэ у Ниагарского водопада. Если вы достаточно далеко от края, вы можете отплыть от него, если грести очень быстро. Но рядом с обрывом вам уже ничто не поможет. Течение ускоряется. Нос каноэ тянет вперед сильнее, чем корму. Есть опасность, что лодку унесет течением. То же самое с черными дырами. Если вы падаете в черную дыру ногами вперед, гравитация будет действовать сильнее на ноги, чем на голову, потому что ноги ближе к черной дыре. В результате вас будет растягивать в длину и сжимать по бокам. Если черная дыра обладает массой в несколько раз больше солнечной, вы будете разорваны и превращены в спагетти прежде, чем достигнете горизонта. Но если черная дыра обладает массой в миллион раз больше солнечной, то сила гравитации будет действовать равномерно на все тело и вы без проблем достигнете горизонта. Так что если соберетесь исследовать внутренности черной дыр, постарайтесь выбрать объект покрупнее. Например, в центре нашей Галактики есть черная дыра с массой, в четыре миллиона раз превышающей массу Солнца.
Падая в черную дыру, вы ничего не заметите. Стороннему наблюдателю ни за что не удастся увидеть, как ваше тело проходит сквозь горизонт событий. Падение будет замедляться, и тело зависнет снаружи. Только силуэт будет становиться все более размытым, обретать красный цвет, а потом просто исчезнет из виду. С точки зрения внешнего мира, вы исчезнете навсегда.
Вскоре после рождения моей дочери Люси меня посетило озарение. Я открыл теорему площади. Если общая теория относительности верна и плотность энергии материи положительна, как это обычно бывает, тогда площадь горизонта событий, или граница черной дыры, должна обладать свойством обязательно увеличиваться при попадании в черную дыру нового вещества или излучения. Более того, если две черные дыры столкнутся и сольются в одну, площадь горизонта событий новой дыры должна быть больше суммы площадей горизонтов событий двух исходных объектов. Теорему площади оказалось возможным экспериментально проверить в лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Четырнадцатого сентября 2015 года LIGO зафиксировала гравитационные волны от столкновения и слияния двух черных дыр. По форме гравитационной волны можно вычислить массу и момент импульса черных дыр, а теорема об «отсутствии волос» дает возможность вычислить площади горизонтов.
Эти характеристики предполагают, что существует сходство между площадью горизонта событий черной дыры и одним из терминов традиционной классической физики, а именно энтропией в термодинамике. Энтропию можно рассматривать как меру неопределенности (хаотичности) некой системы или, что эквивалентно, отсутствия знания о ее точном состоянии. Знаменитый второй закон термодинамики гласит, что энтропия нарастает со временем. Это открытие стало первым намеком на сущствующее сходство.
Аналогии между характеристиками черной дыры и законами термодинамики можно расширить. Первый закон термодинамики гласит, что небольшое изменение в энтропии системы сопровождается пропорциональным изменением в энергии системы. Нам с Брэндоном Картером и Джимом Бардином удалось обнаружить сходный закон, связывающий изменение массы черной дыры с изменением площади горизонта событий. Здесь коэффициент пропорциональности включает величину, которая называется поверхностной гравитацией, то есть мерой силы гравитационного поля на горизонте событий. Если допустить, что площадь горизонта событий является аналогом энтропии, тогда получится, что поверхностная гравитация – аналог температуры. Сходство усиливается тем, что поверхностная гравитация одинакова во всех точках горизонта событий, так же как температура во всех точках тела в состоянии теплового равновесия.
Но если сходство между энтропией и площадью горизонта событий очевидно, пока не ясно, как эта площадь может стать энтропией самой черной дыры. Вообще, что такое энтропия черной дыры? Важнейшее предположение высказал в 1972 году Яаков Бекенштейн, который в это время был докторантом в Принстонском университете. Выглядит оно так. Когда в результате гравитационного коллапса образуется черная дыра, она быстро переходит в стационарное состояние, определяемое тремя параметрами: массой, моментом импульса и электрическим зарядом.
Таким образом, получается, что окончательное состояние черной дыры не зависит ни от вещества, из которого она образовалась (вещество или антивещество), ни от предыдущей формы (сферическая или крайне несимметричная). Иными словами, черная дыра, имеющая определенную массу, момент импульса и электрический заряд, может образоваться при коллапсе большого количества различных конфигураций вещества. Так что внешне одинаковые черные дыры могут образовываться при коллапсе различных типов звезд. Если пренебречь квантовым эффектом, количество таких конфигураций может быть бесконечным, поскольку черная дыра может возникнуть при коллапсе облака, состоящего из неопределенно большого количества частиц неопределенно малой массы. Но неужели количество конфигураций действительно бесконечно?
Квантовая механика отлично согласуется с принципом неопределенности. А он утверждает, что у любого объекта невозможно одновременно измерить положение и скорость. Если точно определить положение, останется неизвестной скорость. Если измерять скорость, не получится определить положение. На практике это означает, что ничего локализовать невозможно. Допустим, вам нужно определить размеры движущегося объекта. Для этого нужно установить, где находятся его границы. Но точно это сделать никак не получится, потому что для этого нужно одновременно определять и положение границ объекта, и его скорость. Следовательно, размеры объекта определить не удастся. Все, что вам остается, – заявить, что из-за принципа неопределенности невозможно точно установить реальные размеры чего бы то ни было. Оказывается, что принцип неопределенности устанавливает предел на размер объектов. После несложных вычислений оказывается, что для конкретной массы объекта существует минимальный размер. Минимальный размер меньше для тяжелых объектов. Чем легче объект, тем больше должен быть его минимальный размер. Этот минимальный размер можно считать следствием того факта, что в квантовой механике объекты могут быть представлены либо как волна, либо как частица. Чем легче объект, тем больше у него длина волны, поэтому он больше распространяется. Чем массивнее объект, тем меньше длина волны, поэтому он видится более компактным. Если эти идеи соединить с общей теорией относительности, окажется, что черные дыры могут образовывать только объекты массивнее определенного предела, который примерно равен массе крупицы соли. Другим следствием этих представлений является то, что количество конфигураций, которые могут формировать черную дыру с конкретными массой, моментом импульса и электрическим зарядом, пусть и очень большое, но все-таки конечное. Яаков Бекенштейн предположил, что исходя из этого конечного числа можно объяснить энтропию черной дыры. Это может быть мерой количества информации, которая оказалась безвозвратно утраченной в процессе коллапса, приведшего к образованию черной дыры.
Несомненно, фатальная ошибка в рассуждениях Бекенштейна заключается в следующем. Если черная дыра обладает конечной энтропией, которая пропорциональна площади горизонта событий, то она должна иметь температуру, отличную от нуля и пропорциональную поверхностной гравитации. Из этого следует, что черная дыра должна находиться в равновесии с тепловым излучением при некой температуре, отличной от нуля. Однако согласно классической концепции такое равновесие невозможно, поскольку черная дыра поглощает любое тепловое излучение, воздействующее на нее, но по определению не может ничего излучать в ответ. Она не излучает ничего, и не излучает тепло.
В этом заключается парадокс природы черных дыр – невероятно плотных объектов, возникающих в результате звездного коллапса. Согласно одной теории, черные дыры с идентичными качествами могут быть образованы из бесконечного количества различных типов звезд. Другая утверждает, что количество может быть конечным. Это проблема информации: считается, что каждая частица и каждая сила во Вселенной содержат информацию.
Поскольку у черных дыр «нет волос», как выразился Джон Уилер, сторонний наблюдатель не может увидеть, что происходит внутри черной дыры. Можно определить только ее массу, заряд и вращение. Это означает, что черная дыра должна хранить множество информации, скрытой от внешнего мира. Но существует предел объема информации, которую можно поместить в отдельной области пространства. Информации требуется энергия, а энергия обладает массой согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc2. Соответственно, если в какой-то области пространства скапливается слишком много информации, она свалится в черную дыру, и размер этой дыры будет отражать количество информации. Это все равно что натаскивать все больше и больше книг в библиотеку. Постепенно полки прогнутся, и библиотека коллапсирует в черную дыру.
Если объем скрытой информации в черной дыре зависит от размера дыры, можно на основании общих принципов полагать, что у черной дыры есть температура и дыра должна светиться, как кусок раскаленного металла. Но невозможно, потому что ничто не может покинуть черную дыру. Или все думали, что не может.
Проблема оставалась нерешенной до начала 1974 года. Я в это время исследовал, как будет вести себя материя поблизости от черной дыры согласно законам квантовой механики. К моему великому изумлению, я выяснил, что черная дыра, судя по всему, все-таки с равномерной интенсивностью излучает частицы. Как все остальные в то время, я принимал как данность, что черная дыра не может ничего излучать. Поэтому я приложил немало усилий, чтобы разубедиться в этой дурацкой идее. Но чем больше я думал, тем упорнее она отказывалась исчезать, и в конце концов мне пришлось с ней смириться. Вот что окончательно убедило меня в том, что это реальный физический процесс: излучаемые частицы обладали четким тепловым спектром. Мои расчеты показывали, что черная дыра создает и испускает частицы и излучение, словно обычное раскаленное тело, при температуре, прямо пропорциональной поверхностной гравитации и обратно пропорциональной массе. Таким образом, спорная гипотеза Яакова Бекенштейна о том, что черная дыра обладает конечной энтропией, оказалась вполне убедительной, поскольку она предполагает, что черная дыра может находиться в тепловом равновесии при некой определенной температуре, отличной от нуля.
Чем грозит космическому путешественнику падение в черную дыру?
Большими неприятностями. Если это дыра звездной массы, он превратится в спагетти, даже не достигнув горизонта. Если это сверхмассивная черная дыра, он без проблем пройдет сквозь горизонт, но в сингулярности будет выдавлен из бытия.
С тех пор математические доказательства наличия теплового излучения у черной дыры были подтверждены многими учеными, применявшими различные научные подходы. Один способ понять излучение заключается в следующем. Квантовая механика предполагает, что все пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц, которые постоянно материализуются в пары, разделяются и вновь соединяются или уничтожают друг друга. Эти частицы называются виртуальными, потому что, в отличие от реальных, их невозможно непосредственно наблюдать с помощью детектора частиц. Тем не менее косвенное влияние можно измерить, и их существование подтверждается небольшими колебаниями, или Лэмбовским сдвигом,[16] которые они производят в спектре световой энергии, излучаемой возбужденными атомами водорода. При наличии черной дыры один член пары виртуальных частиц может упасть в дыру, оставив второго без партнера, с которым должна была произойти взаимная аннигиляция. Оставшаяся частица или античастица может упасть в черную дыру вслед за партнером, а может и улететь в бесконечность, где проявит себя как излучение, испускаемое черной дырой.
Другой способ посмотреть на этот процесс – представить члена пары частиц, который попадает в черную дыру – допустим, античастицу, – как реальную частицу, но перемещающуюся назад, в прошлое. В таком случае античастицу, попадающую в черную дыру, можно рассматривать как частицу, вылетающую из черной дыры, но перемещающуюся назад, в прошлое. Когда эта частица достигает точки, в которой первоначально материализовалась пара частица – античастица, ее размазывает гравитационное поле, и она перемещается вперед, в будущее.
Черная дыра с массой Солнца должна терять частицы в таком малом темпе, что их невозможно обнаружить. Однако возможно существование гораздо более мелких, миниатюрных черных дыр, массой, скажем, с гору. Они могли образоваться в очень молодой Вселенной, если бы она была хаотичной и несимметричной. Черная дыра с массой горы должна испускать рентгеновские и гамма-лучи с интенсивностью примерно в 10 миллионов мегаватт, чего хватило бы для обеспечения энергией нашей планеты. Впрочем, использовать такую миниатюрную черную дыру будет непростым делом. Ее нельзя поместить в электростанцию, потому что она проткнет пол и провалится в центр Земли. Если бы у нас была такая черная дыра, мы могли бы ей воспользоваться, только поместив ее на околоземную орбиту.
Поиски миниатюрных черных дыр такой массы ведутся, но пока ни к чему не привели. Жаль, потому что в случае удачи я получил бы Нобелевскую премию. Впрочем, другая возможность заключается в создании миниатюрных черных дыр в дополнительных измерениях пространства-времени. Согласно некоторым теориям, Вселенная, в которой мы находимся, всего лишь четырехмерная поверхность в десяти- или одиннадцатимерном пространстве. Фильм «Интерстеллар» (2014) дает некоторое представление о том, на что это похоже. Мы не можем видеть эти дополнительные измерения, потому что свет в них не распространяется: ему доступны только четыре измерения нашей Вселенной. А вот гравитация может оказывать влияние на дополнительные измерения, и сила ее там может оказаться гораздо больше, чем в нашей Вселенной.
Таким образом, в дополнительных измерениях создать черную дыру окажется гораздо проще. Это можно будет наблюдать на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Коллайдер представляет собой туннель – кольцо протяженностью 27 километров. Два потока частиц перемещаются в этом туннеле в противоположных направлениях и сталкиваются. В результате этих столкновений могут образоваться миниатюрные черные дыры. Они будут излучать частицы с характеристиками, которые легко будет распознать. Так что я, в конце концов, мог бы стать лауреатом Нобелевской премии. («Нобелевская премия не присуждается посмертно, поэтому, к сожалению, этой мечте не суждено сбыться».)
По мере того как частицы покидают черную дыру, она теряет массу и съеживается. Это увеличивает интенсивность испускания частиц. Постепенно черная дыра потеряет всю свою массу и исчезнет. А что тогда произойдет со всеми частицами и неудачливыми астронавтами, которые в нее упали? После исчезновения черной дыры они не могут восстановиться. Частицы, покидающие черную дыру, должны быть абсолютно хаотическими и не иметь никакого отношения к тому, что когда-то упало в дыру. Получается, что информация о том, что оказалось в черной дыре, помимо общего объема массы и вращения, теряется навсегда. Но если информация исчезает, это вызывает серьезную проблему, которая затрагивает сами основы наших представлений о науке. На протяжении более 200 лет мы верили в научный детерминизм, то есть в то, что научные законы определяют эволюцию Вселенной.
Если информация в черных дырах действительно пропадает, мы не сможем предсказывать будущее, поскольку черная дыра может испускать любой набор частиц. Она может испустить работающий телевизор или том сочинений Шекспира в кожаном переплете, хотя шансы на такие экзотические явления чрезвычайно малы. Более вероятно, что она будет испускать тепловое излучение, подобное свечению раскаленного докрасна куска металла. Может показаться, что наша неспособность предсказать, что будет излучать черная дыра, не имеет большого значения. Рядом с нами нет черных дыр. Но это вопрос принципа. Если детерминизм, предсказуемость Вселенной, перестает действовать в черных дырах, то он может перестать действовать и в других ситуациях. Могут существовать черные дыры, которые возникают как флуктуации из вакуума, поглощают один набор частиц, испускают другие и растворяются в вакууме снова. Хуже того, если не работает детерминизм, мы не можем быть уверены и в нашей прошлой истории. Исторические труды и наши воспоминания могут оказаться иллюзиями. Прошлое объясняет нам, кто мы такие. Без него мы утратим свою идентичность.
Очень важно четко определить, действительно ли в черных дырах вся информация пропадает бесследно или в принципе ее можно восстановить. Многие ученые полагают, что информация не должна исчезать, но на протяжении многих лет еще никто не предложил механизма, с помощью которого ее можно сохранить. Эта очевидная утрата информации, известная как информационный парадокс, беспокоит ученых последние сорок лет и до сих пор остается одной из важнейших нерешенных проблем теоретической физики.
Недавно интерес к возможности разрешения информационного парадокса возродился благодаря новым открытиям в области объединения гравитации и квантовой механики. Центральным для этого научного прорыва является понимание симметричности пространства-времени.
Предположим, гравитации не существует, а пространство-время абсолютно плоское. Это можно сравнить с совершенно безжизненной пустыней. Такое место обладает двумя типами симметрии. Первый называется трансляционной симметрией. Если перемещаться в такой пустыне от одной точки к другой, то вы не заметите никаких изменений. Второй тип – вращательная симметрия. Если встать в какой-то точке пустыни и начать поворачиваться, вы тоже не заметите никаких различий в том, что открывается перед глазами. Такие симметрии также встречаются в «плоском» пространстве-времени, в пространстве-времени, которое существует при отсутствии материи.
Но если что-то поместить в эту пустыню, симметрия будет нарушена. Допустим, в пустыне появились гора, оазис и несколько кактусов: в таком случае в разных точках и различных направлениях она будет выглядеть иначе. Это справедливо и в отношении пространства-времени. Если в пространстве-времени размещены объекты, то и трансляционная, и вращательная симметрии будут нарушены. Введение объектов в пространство-время и создает гравитацию. Черная дыра – это область пространства-времени с сильной гравитацией; пространство-время в ней сильно искажено, и можно ожидать, что симметрия там нарушена. Однако при удалении от черной дыры искривление пространства-времени становится все более слабым. Очень далеко от черной дыры пространство-время выглядит как совершенно плоское.
В далекие 1960-е годы Г. Бонди, A. Метцнер, M. ван дер Бург и Р. Сакс сделали поистине удивительное открытие: пространство-время на большом удалении от материи обладает бесконечным набором симметрий, которые назвали супертрансляционными. Каждая из таких симметрий связана с сохраняющимися величинами, которые называются супертрансляционными зарядами. Сохраняющаяся величина – это величина, которая не изменяется в процессе эволюции системы. Это обобщения более знакомых сохраняющихся величин. Например, если пространство-время не изменяется во времени, тогда сохраняется энергия. Если пространство-время выглядит одинаково в различных точках пространства, тогда сохраняется импульс. Примечательным в открытии супертрансляций является то, что на большом расстоянии от черной дыры существует бесконечное количество сохраняющихся величин. Именно эти законы сохранения дают необычное и неожиданное представление о процессах в гравитационной физике.
В 2016 году я вместе со своими соавторами Малкольмом Перри и Эндрю Строминджером пытался применить эти новые результаты с имеющими к ним отношение связанными величинами для разрешения информационного парадокса. Мы знаем, что черная дыра обладает тремя явными параметрами: массой, зарядом и параметром вращения. Это классические заряды, о которых давно известно. Однако черная дыра содержит еще и супертрансляционный заряд. Возможно, черные дыры представляют собой нечто большее, чем мы думаем. На самом деле они не лысые и не с тремя волосками, а обладают большим количеством супертрансляционных волос.
Эти супертрансляционные волоски могут содержать закодированную информацию о том, что находится внутри черной дыры. Вероятно, супертрансляционные заряды содержат не всю информацию, но остальную можно получить благодаря дополнительным сохраняющимся величинам, суперротационным зарядам, ассоциированным с некими дополнительными связанными симметриями – суперротациями, о которых пока мало что известно. Если это верно и всю информацию о черной дыре можно понять в показателях ее «волос», то, возможно, потери информации и не происходит. Эта идея недавно получила подтверждение в новейших исследованиях. Строминджер, Перри, я и аспирантка Саша Хако выяснили, что эти суперротационные заряды могут отвечать за всю энтропию любой черной дыры. Квантовая механика остается в силе, и информация хранится на горизонте, на поверхности черной дыры.
Известными характеристиками черной дыры по-прежнему остаются ее общая масса, электрический заряд и вращение снаружи горизонта событий, но сам горизонт событий содержит информацию, дополняющую эти три характеристики, необходимую для того, чтобы понять, что упало в черную дыру. Процесс познания продолжается, но информационный парадокс остается неразрешимым. Впрочем, я оптимист и надеюсь, что мы движемся в правильном направлении. Следите за новостями.
