Взгляд со стороны. Естествознание и религия

В процессе квантового излучения чёрной дыры могут появляться различные частицы, например фотоны, электроны или нейтральные пи-мезоны. При этом состав излучения зависит от размеров чёрной дыры, но во всех случаях испущенное излучение совершенно не зависит от природы попавшего в чёрную дыру тела. И если чёрная дыра подчиняется термодинамическому описанию, в ней должна исчезать информация.

При падении в чёрную дыру квантовой системы, находящейся в чистом состоянии, и после её испарения чёрная дыра возвращается в исходное состояние. Поскольку сама чёрная дыра не изменилась, произошло преобразование исходного чистого состояния в «тепловое» смешанное. Такое преобразование неунитарно, в то время как вся квантовая механика построена на унитарных преобразованиях, при которых сохраняется состояние системы (например, длина вектора состояния)[85].

Согласно квантовой теории, виртуальные пары частица-античастица появляются в вакууме всегда и везде. При этом одна частица из каждой такой виртуальной пары имеет положительную энергию, а другая – отрицательную. Поляризация вакуума гравитационным полем вызывает образование как виртуальных, так и реальных пар частица-античастица. Когда такая пара рождается вблизи горизонта чёрной дыры, одна из частиц может оказаться внутри области, ограниченной горизонтом событий, а другая – снаружи. Если внешняя частица уходит от чёрной дыры, она уносит с собой энергию. Согласно закону сохранения энергии, с уходящим излучением чёрная дыра теряет энергию и медленно сжимается, пока полностью не исчезнет.

Уходящие частицы практически не несут информации о том, что ранее попало в чёрную дыру, поскольку в температурном излучении нет источника излучения. Это создаёт проблему исчезновения информации в чёрной дыре. По мнению специалиста по квантовой теории из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Стивена Гиддингса, «в настоящее время часть научного сообщества пришла к мнению, что для описания явлений, происходящих не только глубоко внутри чёрной дыры, но и за горизонтом, необходимы некоторые изменения в существующих законах физики»[86].

Если предположить, что информация каким-то образом ускользает от чёрных дыр, она должна делать это со сверхсветовой скоростью, в конфликте с принципом локальности. Принцип локальности утверждает, что информация не может перемещаться из одного места в другое со сверхсветовой скоростью, поскольку по законам теории относительности сверхсветовой обмен сигналами разрешает отправление сообщений в прошлое.

Известно, что энергия фотонов (электромагнитных волн) прямо пропорциональна их частоте. Фотон инфракрасного света обладает меньшей энергией, чем фотон ультрафиолетового излучения. Чтобы преодолеть гравитационное притяжение электромагнитная волна должна совершить работу, а это приводит к потере её энергии и, соответственно, к снижению частоты.

Особенность чёрной дыры в том, что у неё есть поверхность, с которой любое излучение претерпевает бесконечное инфракрасное смещение. Эта поверхность называется горизонтом событий. Если источник излучения находится непосредственно на горизонте, из-за отсутствия излучения создаваемое им поле наблюдается неизменным во времени. Это говорит о том, что информация не может уйти из чёрной дыры. Чтобы она попала в излучение Хокинга, должно произойти копирование содержимого внутри дыры, а это запрещает квантовая теория.

Чёрные дыры устроены так, что они создают исключительно стационарные поля, даже если они вращаются вокруг своей оси при условии, что их центр масс покоится. Создаваемые ими гравитационные и электромагнитные поля не меняются во времени. Это утверждение называется «теоремой об отсутствии волос у чёрной дыры»[87].

Предположив, что из-за процессов квантовой природы чёрная дыра спонтанно испускает тепловое излучение, Хокинг показал, что энтропия чёрной дыры равна четверти от площади горизонта событий, выраженной в планковских единицах (планковская единица площади равна квадрату длины Планка). Даже по термодинамическим представлениям это огромная величина. Энтропия чёрной дыры диаметром 1 см составляет около 10⁶⁶ бит, что примерно равно термодинамической энтропии водяного куба с ребром в 10 миллиардов километров[88].

В 1971 году Стивен Хокинг доказал, что при слиянии чёрных дыр суммарная площадь горизонта событий не уменьшается. Это было экспериментально подтверждено в 2020 году исследователями из Массачусетского технологического института и других научных организаций.